Тип публикации: отчёт о НИР
Год издания: 2021
Ключевые слова: Повышение эффективности энергетических технологий, камеры сгорания газотурбинных установок, турбулентность, горение топлива, гидроэнергетика, математическое моделирование, Rans, les, оптические методы исследования потоков, piv, LiF, управление с обратной связью, машинное обучение, нейронные сети, двухфазные течения
Аннотация: Проведен DNS расчет струи воздуха при числе Рейнольдса 5300, истекающей в пространство, заполненное углекислым газом. Скорость распространения фронта, а также мгновенные поля продольной скорости во фронте струи, сравнены для всех трех пар газов, включая “воздух-воздух” и “воздух-гелий”, рассмотренные за два предыдущих года выполненПоказать полностьюия проекта.?Разработана и протестирована измерительная PIV система реального времени с регистрацией пар изображений VGA размера и одновременной GPU обработкой данных на частоте 25Гц. Разрешение получаемого поля скорости соответствует размеру входных изображений. Система может применяться для количественной визуализации течения в реальном времени, для целей обучения и как датчик скорости в системах активного управления потоками с характерными временами процессов не менее 0,1с. Созданная система протестирована на ряде течений в жидкости, в том числе в реальном эксперименте с пульсирующей затопленной струей, натекающей на плоскую горизонтальную нагреваемую стенку.?Разработана континуальная модель для концентрации, скорости и напряжений Рейнольдса инерционных частиц в пристенной зоне для условий неупругого отскока и осаждения частиц. Модель учитывает степенную особенность концентрации частиц у стенки, связанную как с явлением кластеризации инерционных частиц, так и с явлением неупругого коллапса траекторий инерционных частиц. Разработанная модель имеет хорошее совпадение с данными стохастического лагранжева моделирования для турбулентного течения с взвешенными инерционными частицами в канале для условий неупругого отскока и осаждения частиц, адекватно воспроизводя пристенный пик концентрации частиц в вязком подслое у стенки.?Проникновение импульсной струи в поперечный поток оказалось выше, чем в случае стационарной струи во всех случаях. Показано, что пульсирующая поперечная струя является эффективным смесителем. Управление частотой пульсаций и расходом импульсной струи показало возможность изменения (регулирования) подъема струи и эффективного перемешивания ее с поперечным потоком. ?В результате исследования влияния внешнего периодического возмущения на динамику поля скорости потока и положение фронта факела богатой смеси получена база данных PIV изображений и изображений спектрозональной визуализации пламени (изображения OH и CH). Применение метода главных компонент позволило получить количественную информацию об энергии когерентных пульсаций, вызванных периодическим движением тороидальных вихревых структур в потоке без горения и с горением. Впервые установлено, что для струйного факела с горением за фронтом пламени происходит резкое падение частоты следования вихрей практически в два раза. При этом скорость следования вихрей возрастает. Данный эффект ранее обнаружен не был и может быть объяснением того, что для повышения эффективности сжигания топлива в струйном факеле необходимо накладывать возмущения с частотой в два раза больше частоты основной гармоники без горения.?С использованием изотропной низкорейнольдсовой k-эпсилон модели турбулентности Hwang and Lin (AIAA J., 1998), алгебраической модели турбулентности Girimaji (Theoret. Comput. Fluid Dynamics, 1996) и модели переноса рейнольдсовых напряжений Craft and Launder (AIAA J., 1992) выполнено исследование двухфазных нестационарных импактных струй. Было показано, что только модель Craft and Launder (AIAA J., 1992) дает неплохое согласие с данными измерений для одно- и двухфазного режимов. Были выполнены исследования импактных импульсных газокапельных струй с использованием эйлерова двухжидкостного и лагранжева траекторного подходов. Эйлерово описание движения и теплообмена в дисперсной фазе является более экономичным в вычислительном плане. В целом, оба подхода расчета дают близкие результаты. Основное отличие между эйлеровым и лагранжевым методами проявляется в профилях концентрации капель, и оно достигает 15%.?Показано, что в центральной области теплообменника при натекании спрея на поверхность образуются застойные зоны со слабым разнонаправленным течением и области с интенсивным волновым течением, которое направлено от центра к периферии. Анализ данных о течении в центральной и периферийных областях поверхности теплообменника показывает, что в центральной области преобладает хаотичное сдвиговое волнообразование с разнонаправленным радиальным движением волн. С ростом средней толщины пленки возрастает амплитуда волн в горизонтальном движении к периферии поверхности, но скорость волн при этом остается низкой.?В результате работ по анализу нестационарных явлений в модели камеры сгорания ГТУ создан и испытан оптический отсек диагностики поля скорости и формы фронта пламени с использованием методом PIV и OH PLIF. Стенд также обеспечивает контроль уровня пульсаций давления и содержание CO и NOx в продуктах сгорания. Проведена серия экспериментов при бедном сжигании метана с использованием модельного фронтового устройства для давлений до 4 атм. Акцент в исследовании сделан на анализе режимов нестационарного горения при сжигании газового топлива при значительном избытке воздуха. Отлажен метод численного моделирования методом LES. Установлено, что для нестационарных режимов горения с интенсивными пульсациями давления в камере сгорания характерны следующие процессы: периодический срыв (но не унос) фронта пламени и смещение вниз по потоку, накопление топлива в центральной зоне рециркуляции, резкое возрастание скорости распространения пламени, его продвижение вниз по потоку и быстрое сжигания топлива, накопившегося в центральной зоне рециркуляции. Последний процесс сопровождается быстрым ростом тепловыделения в камере сгорания, возрастанием давления и запиранием топливоподводящих каналов, что и обуславливает обратную связь системы. Аналогичный механизм термоакустических пульсаций имел место и для пламени при повышенном давлении. Влияние повышенного давления приводило к повышению сажеобразования в камере сгорания и повышению уровня NOx в продуктах горения.?При помощи современных численных подходов в рамках метода крупных вихрей и моделей турбулентного горения была проведена серия параметрических расчетов модельной камеры сгорания при числе Рейнольдса 15000. Была проведена верификация результатов численного моделирования на данных эксперимента. Для изотермического и реагирующего случая наблюдается хорошее согласие с экспериментальными данными. Проанализировано распределение концентраций CO, CO2, NO и т.д. Показано, например, что CO2 образуется в зоне рециркуляции, в то время как высокая концентрация NO наблюдается уже в следе за рециркуляционной областью.?Выполнена диагностика структуры факела распыла и характеристик спрея промышленной центробежной форсунки при воздействии акустического возмущения, вносимого посредством четырёх симметрично расположенных динамиков высокой мощности. Эксперименты проведены при суммарной мощности акустического воздействия до 1200 Вт в диапазоне частот возмущений от 100 Гц до 500 Гц. Показано, что акустическое возмущение в исследованных условиях не оказывает существенного влияния на осреднённые по времени характеристики факела. Идентифицированы собственные моды пульсаций в спрее, акустическое воздействие на частотах выделенных собственных мод способно приводить к их интенсификации.?На основе разработанного ранее нестационарного эйлерово-лагранжева подхода для моделирования распыла, для промышленной форсунки получены результаты по структуре факела и дисперсности капель в режиме модуляции расхода в диапазоне частот возмущений от 20 Гц до 1000 Гц. Показано влияние модуляции расхода на динамику первичного распада струи.?Проведены экспериментальные исследования характеристик горения керосина (марка ТС-1) при распылении высокоскоростной струёй перегретого водяного пара на лабораторной горелке мощностью 5-20 кВт. Впервые показана возможность сжигания керосина в струе водяного пара, достигнуто устойчивое воспламенение, найдены режимы, обеспечивающие низкие концентрации CO и NOx в конечных продуктах сгорания. Проведено сопоставление результатов для режимов с распылением керосина струей нагретого воздуха, показаны преимущества использования пара по сравнению с воздухом. Предложенный способ сжигания топлива в струе водяного пара может быть использован при проектировании малоэмиссионных газотурбинных двигателей.?Проведено исследование эффекта наложенных периодических возмущений на волновую структуру пленки жидкости в дисперсно-кольцевом потоке. Управление дисперсно-кольцевым потоком при помощи наложения пульсаций расхода жидкости возможно в определенном диапазоне частот. Разработаны автоматические методы определения восприимчивости на основе спектрального подхода. Ширина диапазона восприимчивости составляет 15-20 Гц. Положение диапазона примерно соответствует частоте следования волн возмущения вдали от входа в канал. В этом диапазоне управление потоком заключается в значительной регуляризации структуры потока, повышении предсказуемости волновых характеристик, возможности изменять частоту, скорость и амплитуду волн возмущения, а также в повышении расхода дисперсной фазы.?Проведено комплексное экспериментальное исследование влияния внешних возмущений на эволюцию кавитационных каверн. На основе измеренных пульсаций давления в следе за крылом были получены спектры мощности. Проведен первичный анализ спектров мощности пульсаций давления для нестационарных режимов кавитационного обтекания в случае внешнего возмущения. Продемонстрирована возможность задержки развития нестационарностей на облачных режимах обтекания модельного гидрокрыла. Разработан и апробирован новый метод извлечения информации о среднем распределении пара в кавитирующем потоке на основе обработанных PIV данных для жидкой фазы (Pervunin et al., Exp. Fluids, 2021).?С использованием вихреразрешающих методов проведено численное моделирование кавитационного течения около гидропрофиля при больших числах Рейнольдса. Проведена верификация полученных данных с применением предложенной процедуры условного усреднения. Анализ безразмерного коэффициента подъемной силы, действующей на гидропрофиль, совместно с усреднением по характерным моментам времени показал, что коэффициент подъемной силы минимален при наличии наибольшего количества паровой фазы на поверхности гидропрофиля.?В ходе реализации данного проекта в 2021 г. произведена модернизация разработанной ранее трехмерной численной модели расчета в эйлеровом приближении для расчета взаимодействия основного однофазного газового течения и двухфазного турбулентного пристенного потока, также выполнена реализация численного кода. Также было проведено моделирование тепловой эффективности газокапельной завесы при ее вдуве через наклонные цилиндрические отверстия в поперечную траншею. Получено значительное увеличение эффективности тепловой завесы при добавлении капель в поток охладителя (до 2-х раз в сравнении с подачей однофазного охладителя через отверстия в траншею). Основное увеличение тепловой эффективности пристенной двухфазной завесы наблюдается на расстоянии x/b = 15–20. Далее за счет испарения мелких капель происходит резкое снижение величины эффективности двухфазной завесы.?Проведена оценка эффективности использования электрического поля для улучшения эффективности теплозащиты. В пакете моделирования сплошных сред OpenFoam была проведена модификация решателя для двухфазных течений по методу жидких границ для введения учета эффекта электростатического поля. Распределения электрического потенциала находились на каждой временной итерации солвера путем решения уравнения Пуассона (с учетом диэлектрической проницаемости жидкого охладителя). По найденным распределениям электрического потенциала строилось поле силы, действующей на охладитель (через поляризацию диэлектрика).?Максимальное воздействие на диэлектрик (жидкий охладитель) будет оказано в области сильной неоднородности электростатического поля, при этом диэлектрик будет втягиваться в область максимальной концентрации силовых линий. С точки зрения увеличения эффективности теплозащиты данный эффект может быть использован для предотвращения отрыва пленки охладителя от охлаждаемой поверхности. Рассмотрена задача о пленочном охлаждении плоской пластины при подаче воды через цилиндрический канал под углом 35 градусов. Предложена модификация данной конфигурации, путем введения продольного выступа, идущего по нижней поверхности канала вдоль потока, с острой кромкой концентратором электростатического поля. При подаче постоянной разности потенциалов между верхней и нижней стенками канала электрическое поле, концентрирующееся на выступе стремится удержать струю охладителя на поверхности стенки, при этом не мешая ее продвижению в продольном направлении.?Разработана установка по созданию газокапельной взвеси с целью управления потоком щелевой тепловой завесы с использованием электрического поля. Распределение дисперсной фазы по размеру исследовано с использованием лазерного допплеровского анализатора частиц. Проведены первые PIV-PLIF измерения по анализу изменения скорости движения частиц под действием постоянного электрического поля с целью оценки возможного влияния электрического поля на эффективность теплозащиты с учетом эффектов электрической поляризации капель. ?