Численное определение эмиссии канцерогенных углеводородов камерами сгорания авиационных газотурбинных двигателей

Авиационная и ракетно-космическая техника

2024. Т. 31. № 4. С. 167-176.

Авторы

Семенихин А. С.*, Матвеев С. Г.**, Гураков Н. И.***, Идрисов Д. В.****, Матвеев С. С.*****, Диденко А. А.******

Самарский университет, Самара, Россия

*e-mail: semenikhin.as@ssau.ru
**e-mail: msg@ssau.ru
***e-mail: gurakov.ni@ssau.ru
****e-mail: idrisov.dv@ssau.ru
*****e-mail: matveev@ssau.ru
******e-mail: didenko.aa@ssau.ru

Аннотация

Представлены результаты численного определения эмиссии канцерогенных полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) камерой сгорания (КС) авиационного газотурбинного двигателя (ГТД), прототипа серийного образца. Рассматриваются подходы комбинированного реакторного моделирования. Результаты CFD-моделирования рабочих процессов использованы для представления расчетной области последовательностью химических реакторов c идеализированной газовой динамикой для сложных кинетических вычислений в одномерной постановке. Решаются соответствующие задачи трехмерного моделирования, изложен процесс настройки подмоделей ANSYS Fluent для описания горения керосина. Реакторные модели камеры разработаны с применением алгоритмов CFD-Energico-Chemkin и Fluent-CRN. Результаты вычислений сопоставлены с экспериментально определенными значениями.

Ключевые слова:

эмиссия вредных загрязняющих веществ, сеть химических реакторов, CRN, камера сгорания, газотурбинный двигатель, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), бенз(а)пирен

Библиографический список

  1.  Лукачев С.В., Матвеев С.Г., Орлов М.Ю. Выброс канцерогенов при сжигании углеводородных топлив: Учеб. пособие. – Самара: Изд-во СГАУ, 2007. — 160 с.
  2.  Орлов М.Ю., Зрелов В.А., Орлова Е.В. Использование статистических данных для предварительного проектирования камер сгорания двигателей узкофюзеляжных самолетов // Вестник Московского авиационного института. 2022. Т. 29. № 4. С. 151–160. DOI: 10.34759/vst-2022-4-151-160
  3.  Ткаченко А.Ю. Математическая модель рабочего тела для термогазодинамического расчета газотурбинного двигателя // Вестник Московского авиационного института. 2021. Т. 28. № 4. С. 180–191. DOI: 10.34759/vst-2021-4-180-191
  4.  Коваль С.Н., Бадерников А.В., Шмотин Ю.Н., Пятунин К.Р. Использование технологии цифрового двойника при разработке газотурбинных двигателей // Вестник Московского авиационного института. 2021. Т. 28. № 3. С. 139–145. DOI: 10.34759/vst-2021-3-139-145
  5.  Wen Z, Yun S, Thomson MJ, Lightstone MF. Modeling soot formation in turbulent kerosene/air jet diffusion flames. Combustion and Flame. 2003;135(3):323-340. DOI: 10.1016/S0010-2180(03)00179-2
  6.  Грига А.Д., Иваницкий М.С. Определение содержания бенз(а)пирена в уходящих газах камеры сгорания газовой турбины // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2014. Т.10. № 5. С. 86–88.
  7.  Григорьев А.В., Митрофанов В.А., Рудаков О.А., Саливон Н.Д. Теория камеры сгорания. – СПб.: Наука, 2010. — 227 c.
  8.  Пелевин В.С., Алексенцев А.А., Филинов Е.П., Комисар Ю.В. Влияние примесей в авиационном топливе на параметры рабочего процесса и показатели эффективности газотурбинных двигателей и энергетических установок // Вестник Московского авиационного института. 2022. Т. 29. № 4. С. 186–195. DOI: 10.34759/vst-2022-4-186-195
  9.  Калякина К.А., Калякин А.В., Файзуллин Р.Р., Егоров М.А. Декарбонизация авиаперевозок путем применения устойчивых авиационных топлив (SAF) // Научный вестник УИ ГА. 2022. № 14. С. 37–43.
  10.  Козлов В.Е., Лебедев А.Б., Секундов А.Н. и др. Применение реакторных моделей для расчета эмиссионных характеристик диффузионных и гомогенных камер сгорания // Труды ЦИАМ № 1347 «Экологические проблемы авиации»: Сборник статей. М.: Торус Пресс, 2010. С. 321–338.
  11.  Кутлумухамедов А.Р., Скиба Д.В., Бакиров Ф.Б. Обзор работ, посвященных оценке выбросов монооксида углерода из камер сгорания газотурбинных двигателей по реакторной модели, разработанной на базе результатов трехмерного моделирования // Вестник УГАТУ. 2022. Т. 26. № 1(95). С. 69–80. DOI: 10.54708/19926502_2022_2619569
  12.  Чечет И.В. Методика определения эмиссии канцерогенных ароматических углеводородов камерами сгорания газотурбинных двигателей и установок: Дисс. ... канд. техн. наук. – Самара, 2018. – 149 с.
  13.  Xin S., Wang W., Yang F. et al. Soot and PAH formation in laminar diffusion flames of RP-3 jet kerosene and its surrogates at preheat temperature // Fuel. 2024. Vol. 361: 130735. DOI: 10.1016/j.fuel.2023.130735
  14.  Семенихин А.С., Идрисов Д.В., Чечет И.В. и др. Кинетическая модель и суррогат керосина для расчета эмиссии канцерогенных углеводородов газотурбинными двигателями // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2022. T. 21. № 3. C. 58–68. DOI: 10.18287/2541-7533-2022-21-3-58-68
  15.  Kim D., Martz J., Violi A. A surrogate for emulating the physical and chemical properties of conventional jet fuel // Combustion and Flame. 2014. Vol. 161. No. 6, pp. 1489–1498. DOI: 10.1016/j.combustflame.2013.12.015
  16.  Матвеев С.Г., Чечет И.В., Абрашкин В.Ю., Семенов А.В. Образование канцерогенных полициклических ароматических углеводородов в модельной камере сгорания ГТД // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2013. T. 15. № 6–4. C. 881–885.
  17.  ANSYS Fluent 21.2 User Guide. – Canonsburg, PA: ANSYS Inc., 2021.
  18.  Gurakov N.I., Morales M.H., Zubrilin I.A. et al. A study on the geometric characteristic influence on the liquid fuel flow in a three-way pressure-swirl atomizer // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 1891. The International Conference on Aviation Motors (ICAM 2020; 18-21 May 2021, Moscow, Russia). No. 1: 012021. DOI: 10.1088/1742-6596/1891/1/012021
  19.  Снегирев А.Ю. Высокопроизводительные вычисления в физике. Численное моделирование турбулентных течений: Учеб. пособие. – СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2008. — 143 с.
  20.  van Oijen J.A., de Goey L.P.H. Modelling of premixed laminar flames using flamelet-generated manifolds // Combustion Science and Technology. 2000. Vol.161. No. 1, pp. 113–137. DOI: 10.1080/00102200008935814
  21.  Бакланов А.В. Изменение температурного поля на выходе из многофорсуночной камеры сгорания при различных режимах работы двигателя // Вестник Московского авиационного института. 2024. Т. 31. № 2. С. 116–123. URL: https://vestnikmai.ru/publications.php?ID=180654
  22.  Бакланов А.В. Обеспечение эффективности сжигания топлива в малоэмиссионной камере сгорания газотурбинной установки при различных климатических условиях // Вестник Московского авиационного института. 2022. Т. 29. № 1. С. 144–155. DOI: 10.34759/vst-2022-1-144-155
  23.  Energico 18.2. User Guide. – San Diego: ANSYS Inc., 2017.
  24.  Stagni A., Cuoci A., Frassoldati A. et al. A fully coupled, parallel approach for the post-processing of CFD data through reactor network analysis // Computers & Chemical Engineering. 2014. Vol. 60, pp. 197–212. DOI: 10.1016/j.compchemeng.2013.09.002

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2025