Расчетно-экспериментальное исследование пульсационного горения в модельной камере сгорания

Авиационная и ракетно-космическая техника

2025. Т. 32. № 3. С. 119-128.

Авторы

Гураков Н. И.*, Зубрилин И. А.**, Иванов Р. А.***

Самарский университет, Московское шоссе, д. 34, г. Самара, Россия

*e-mail: nikgurakov@gmail.com
**e-mail: zubrilin416@mail.ru
***e-mail: r.a.ivanov1625@gmail.com

Аннотация

Настоящая работа посвящена анализу пульсаций давления в модельной камере сгорания, исследованных как расчетными методами, так и экспериментально. Высокоамплитудные пульсации давления возникают из-за организации «бедного» режима горения в камере сгорания для снижения выбросов загрязняющих веществ, таких как NOx, образующихся при сжигании топлива в камерах сгорания газотурбинных установок. Для экспериментального определения пульсаций давления используется система измерения пульсаций, включающая акустический зонд, в котором установлен датчик пульсаций давления. В данной работе предлагается использовать подход моделирования крупных вихрей (Large Eddy Simulation) для расчета турбулентного течения в сочетании с моделью горения Flamelet Generated Manifold для моделирования пульсаций во фронте пламени при горении в модельной камере сгорания и сравнения с измеренными значениями пульсаций давления. Дополнительно был проведен анализ значений собственных частот области горения с учетом распределения параметров газа в объеме жаровой трубы.

Ключевые слова:

газотурбинная установка, камера сгорания, термоакустическая неустойчивость, пульсации давления, акустический зонд, подход LES, спектры пульсаций, критерий Рэлея, анализ значений собственных частот, сжигание «бедной» топливовоздушной смеси

Список источников

  1.  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
  2. Zinn BT., Lieuwen TC. Combustion instabilities: basic concepts // In: Combustion Instabilities In Gas Turbine Engines: Operational Experience, Fundamental Mechanisms, and Modeling (Vol.210. Progress in Astronautics and Aeronautics). 2005. Chapter 1, pp. 3-26. DOI: 10.2514/4.866807
  3. Goy C.J., James S.R., Rea S. Monitoring combustion instabilities: E. ON UK's experience // In: Combustion Instabilities In Gas Turbine Engines: Operational Experience, Fundamental Mechanisms, and Modeling (Vol.210. Progress in Astronautics and Aeronautics). 2005. Chapter 8, pp. 163-175.
  4. Раушенбах Б.В. Вибрационное горение. М.: Физматгиз, 1961. 500 с.
  5. Гураков Н.И., Попов А.Д., Коломзаров О.В., и др. Определение передаточной функции пламени в модельном горелочном устройстве // Вестник Московского авиационного института. 2024. Т. 31. № 1. С. 183-191.
  6. Lieuwen T.C. Unsteady combustor physics. Cambridge University Press, 2012. 427 p.
  7. White M.A., Dhingra M., Prasad J.V.R. Experimental analysis of a waveguide pressure measuring system // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2010. Vol. 132. No. 4: 041603. DOI: 10.1115/1.3159387
  8. Merk M., Silva C.F., Polifke W., et al. Direct assessment of the acoustic scattering matrix of a turbulent swirl combustor by combining system identification, large eddy simulation and analytical approaches // Journal of engineering for gas turbines and power. 2018. Vol. 141. No. 2: 021035. DOI: 10.1115/1.4040731
  9. Xia Y., Laera D., Morgans A.S., et al. Thermoacoustic limit cycle predictions of a pressurised longitudinal industrial gas turbine combustor // Turbo Expo: Turbomachinery Technical Conference and Exposition (11–15 June 2018; Oslo, Norway). DOI: 10.1115/GT2018-75146
  10. Garcia A.M., Bras S., Prager J., et al. Large eddy simulation of the dynamics of lean premixed flames using global reaction mechanisms calibrated for CH4–H2 fuel blends // Physics of Fluids. 2022. Vol. 34. No. 9. DOI: 10.1063/5.0098898
  11. Giauque A., Selle L., Poinsot T., et al. System identification of a large-scale swirled partially premixed combustor using LES and measurements // Journal of Turbulence. 2005. Vol. 6. No. 21. DOI: 10.1080/14685240512331391985
  12. Zubrilin I.A., Gurakov N., Zubrilin R.A., et al. Modeling of natural acoustic frequencies of a gas-turbine plant combustion chamber // Thermal Engineering. 2017. Vol. 64. No. 5, pp. 372-378. DOI: 10.1134/S0040601517050093
  13. Schuller T., Poinsot T., Candel S. Dynamics and control of premixed combustion systems based on flame transfer and describing functions // Journal of Fluid Mechanics. 2020. Vol. 894. DOI: 10.1017/jfm.2020.239
  14. Зубрилин И.А., Диденко А.А., Дмитриев Д.Н., и др. Влияние процесса горения на структуру закрученного потока за горелочным устройством камеры сгорания газотурбинной установки // Вестник Московского авиационного института. 2019. Т. 26. № 3. С. 124-136.
  15. Poinsot T., Selle L. LES and acoustic analysis of combustion instabilities in gas turbine. Plenary Lectures ECCOMAS–Computational Combustion Symposium, Portugal. 2005.
  16. Радин Д.В., Макарьянц Г.М., Быстров Н.Д., и др. Разработка математической модели акустического зонда волноводного типа для измерений пульсаций давления в камере сгорания газотурбинного двигателя // Вестник Московского авиационного института. 2022. Т. 29. № 2. С. 135-143. DOI: 10.34759/vst-2022-2-135-143
  17. Радин Д.В., Макарьянц Г.М. Разработка и экспериментальное исследование динамических характеристик адаптивного гасителя пульсаций давления для топливной системы газотурбинного двигателя // Труды МАИ. 2020. № 112. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=116549
  18. Ferrara G., Ferrari L., Lenzi G. An Experimental Methodology for the Reconstruction of Three-Dimensional Acoustic Pressure Fields in Ducts // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2014. Vol. 136. No. 1: 011505. DOI: 10.1115/1.4025348
  19. Bazdidi-Tehrani F., Ghafouri A., Jadidi M. Grid resolution assessment in large eddy simulation of dispersion around an isolated cubic building // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2013. Vol. 121, pp. 1-15. DOI: 10.1016/j.jweia.2013.07.003
  20. Boudier G., Gicquel L.Y.M., Poinsot T.J. Effects of mesh resolution on large eddy simulation of reacting flows in complex geometry combustors // Combustion and Flame. 2008. Vol. 155. No. 1-2, pp. 196-214. DOI: 10.1016/j.combustflame.2008.04.013
  21. Di Mare F., Knappstein R., Baumann M. Application of LES-quality criteria to internal combustion engine flows // Computers & Fluids. 2014. Vol. 89, pp. 200-213. DOI: 10.1016/j.compfluid.2013.11.003
  22. Strakey P.A., Eggenspieler G. Development and validation of a thickened flame modeling approach for large eddy simulation of premixed combustion // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2010. Vol. 132. No. 7: 071501. DOI: 10.1115/1.4000119
  23. Howard C.Q., Cazzolato B.S. Acoustic Analyses Using MATLAB® and ANSYS®. CRC Press, 2014. 708 p.
  24. Herrin D.W. Vibro-Acoustic Design in Mechanical Systems.  Ansys Tutorial. University of Kentucky. 2012.
  25. Якушев В.Л., Симбиркин В.Н., Филимонов А.В. Сейсмический режим поиска собственных форм колебаний в программном комплексе STARK ES // Вестник кибернетики. 2012. № 11. С. 151-157.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2025