МОДЕЛИРОВАНИЕ ГОРЕНИЯ ЖИДКОГО ТОПЛИВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОВРЕМЕННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

АННОТАЦИЯ

Изучено влияние начальной температуры на горение впрыска жидкого топлива с помощью численного метода с использованием компьютерной программы KIVA-II. Получены графики распределения температуры в камере сгорания, концентрации СО₂, образующегося в процессе горения, в соответствии с различными начальными температурами окислителя.

ABSTRACT

The influence of the initial temperature on the combustion of liquid fuel spray by means of the numerical method using the KIVA-II computer program has been studied. Graphs of the temperature distribution in the combustion chamber, the concentration of CO₂ formed during the combustion process, in accordance with various initial temperatures of the oxidizer, are obtained.

Ключевые слова: численное моделирование, жидкое топливо, тридекан, камера сгорания, KIVA-II.

Keywords: numerical modeling, liquid fuel, tridecane, combustion chamber, KIVA-II.

Использование жидких топлив в качестве основного источника энергии требует особого внимания к повышению эффективности устройств, основанных на сжигании этих видов топлива, и снижению их вредного воздействия. Одной из основных задач сейчас является снижение количества вредных отходов, образующихся при сжигании жидких топлив [1].

Чтобы оптимизировать процессы сгорания, конструкторы традиционно производили ручную модификацию двигателей, проводили тестирование и анализы результатов.  Этот процесс итерации достаточно медленный, дорогой и не поддается определению оптимальных спецификаций дизайна двигателя.  В ответ на эти трудности ученые из Национальной лаборатории Лос-Аламоса разработали усовершенствованный код моделирования вычислительной жидкости (CFD), который точно моделирует процессы цилиндров в цилиндрах. KIVA, переходный, трехмерный, многофазный, многокомпонентный код для анализа химического взаимодействия, использует произвольную лагранжеву эйлеровскую (ALE) методологию на шахматной сетке и дискретизирует пространство с использованием метода конечных объемов [2].

Данная статья посвящена численному моделированию горения жидкого топлива и влиянию на него начальной температуры окислителя в камере сгорания.

В статье рассматривается численное моделирование процессов распыла и горения впрыска жидкого топлива на основе решения дифференциальных уравнений турбулентного течения с впрыском. Сформулирована математическая модель горения жидких впрысков, которая основывается на уравнениях движения для жидкой стадии, а также уравнениях энергии и переноса массы с соответствующими граничными условиями.

Уравнение неразрывности для компоненты реакции m записывается следующим образом:

где ρ - полная массовая плотность, ρ _m – это массовая плотность компоненты m,   - скорость жидкости, - химический источниковый член, - источниковый член вследствие впрыска.

Уравнение переноса импульса для жидкой фазы записывается следующим образом:

где p – давление жидкости, A₀ равна нулю для ламинарных течений и единице в случае турбулентного течения. Тензор вязких напряжений имеет вид:

Уравнение внутренней энергии имеет следующий вид [6]:

где  – источниковый член, обусловленный тепловыделением в результате химической реакции,  – тепло, которое приносит впрыскиваемое топливо.

Уравнения k-ε модели турбулентности: уравнения k - ε модели для турбулентной кинетической энергии k и скорости ее диссипации ε имеют вид:

Величина  возникает вследствие взаимодействия с распылителем. Константы  ,  ,  ,  , определяются из эксперимента. 

Процесс горения рассматривается в камере сгорания цилиндрической формы, высотой 15 см, диаметром 4 см. Вычислительная область состоит из 600 ячеек. Жидкое топливо впрыскивается в камеру сгорания через круглое сопло, расположенное в центре нижней части камеры. Площадь инжектора составляет 2·10^-4 см². Температуры стенок камеры сгорания 353К. Температура газа в камере сгорания менялась от 700 до 1500 К, температура впрыскиваемого топлива 300 К. В качестве жидкого топлива был выбран тридекан.

Тридекан (С₁₃H₂₈) - органическое соединение, относящееся к классу алканов. При нормальных условиях вещество представляет собой бесцветную воспламеняющуюся жидкость плотностью 0,7568 г / мл, Т_пл=267,8 К, Т_кип=508,6 К. Тридекан содержится в нефтепродуктах, а один из компонентов входит в дизельное топливо. Реакция горения тридекана в общем виде записывается следующим образом [3]:

C₁₃H₂₈ + 20O₂ → 13CO₂ + 14H₂

Анализ рисунка 1 показывает, что если температура окислителя в камере сгорания имеет значения выше 800 К, то в данном случае топливо интенсивно сгорает, выделяется огромное количество тепла и камера сгорания нагревается до 2500 К. В этом случае начальная температура окислителя существенно влияет на горение тридекана, так как из-за изменения значений начальной температуры с 900 К до 1500 К максимальное значение температуры увеличивается с 2069 К до 2486 К. 

Рисунок 1. Максимальная температура газа в камере сгорания T_max в зависимости от начальной температуры тридекана

(a)                                                                              (б)

Рисунок 2. График распределения температуры (a) и концентрации CO₂ (б) по камере сгорания при значении температуры окислителя 900К

На следующем рисунке показано распределение температуры в камере сгорания в соответствии с начальной температурой окислителя, равной 900 К. При заданном значении температуры топливо быстро взаимодействует с окислителем, камера нагревается до высоких температур.

На рис. 2а представлены результаты численного моделирования углекислого газа, образующегося в процессе горения тридекана в соответствии с эффективным значением температуры 900 К. Результаты анализа рисунков показали, что максимальное количество углекислого газа при горении тридекана, равное 0,0120849 г/г, образуется на оси камеры сгорания. На выходе из камеры сгорания концентрация углекислого газа медленно уменьшается и принимает минимальное значение.

Изучая результаты экспериментов, характеризующих влияние начальной температуры окислителя на процесс горения жидкого топлива камере сгорания, в качестве эффективной температуры была выбрана температура окислителя, равная 900 К.

Список литературы:

1. Аскарова А. С., Волошина И. Э., Рыспаева М. Ж. Численное моделирование образования продуктов реакции при сжигании жидких топлив //Вестник КазНУ, серия физическая. – 2007. – №. 2. – С. 24.
2. Amsden А.А., P.J.O’Rourke, T.D.Butler KIVA-II: A computer program for chemically reactive flows with sprays, 1989, 160с.
3. Rumble J. R. et al. (ed.). CRC handbook of chemistry and physics. – Boca Raton, FL : CRC press, 2018. – Т. 100.