автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Методы исследования и способы уменьшения концентраций вредных веществ в продуктах сгорания двигателей летательных аппаратов и их реализация в устройствах очистки при защите атмосферы

г и ОД

На правах рукописи

Кутыш Иван Иванович

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В ПРОДУКТАХ СГОРАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ И ИХ РЕАЛИЗАЦИЯ В УСТРОЙСТВАХ ОЧИСТКИ ПРИ ЗАЩИТЕ АТМОСФЕРЫ

05.07.05 - «Тепловые двигатели летательных аппаратов»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва, 1998 г.

Работа выполнена в закрытом акционерном обществе по разработке и внедр< нию наукоемких технологий в области охраны окружающей среды «ЭКОГИБЕНТ»

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Действ, член РАЕН, доктор технических наук А И. Папуша Доктор технических наук, профессор В. В. Рыбаков

Член-корр. академии Транспорта РФ, доктор технических наук, профессор А. А. Шейпак

ного Совета Д 053.18.04 при Московском Государственном авиационном институте (Техническом униве ситеге) по адресу: 125871, Москва, Волоколамское шоссе, д. 4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ

Автореферат разослан « 4 С» Си ¿Л 9 1998 г.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - ОАО «А. ЛЮЛЬКА-САТУРН»

Защита состоится «_»

1998 г. в

часов на заседании диссертацио

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат технических наук, доцент

Э. К Никипорец

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Сжигание углеводородного топлива в камере сгора-ш (КС) энергоустановки с целью преобразования в механическую либо в элекгриче-ую рабспу запасенной в нем внутренней энергии сопровождается выбросами в атмо->еру планеты газообразных вредных веществ (ГВВ), т. е. СО, ЫОх и СхНу, и твер-

IX частиц (ТЧ), в том числе и сажи.

В настоящее время они достигли огромных масштабов. Только автотранспорг-,[ми средствами; в которых реализуются высокотемпературные процессы сжигания леводородного топлива, в атмосферу планеты ежегодно выбрасывается 300 млн. т. 0,60 млн. т. СхНу и 30 млн. т. . Если же учесть деятельность станций по испы-

нию воздушно-реактивных двигателей (ВРД) и ракетных двигателей (РД), тепловых ектрических станций (ГЭС), предприятий черной и цветной металлургии, химической юмышленносга и др. экологически опасных объектов, то зги выбросы возрастут еще льше.

Актуальность данной проблемы возрастает в связи с тем, что выбросы вредных ществ (ВВ) причиняют большой вред не только среде обитания человека, но и самому ловеку.

Поэтому создание экологически чистых энергоустановок, обеспечивающих су-хтвенное снижение эмиссии ВВ (ГВВ+ТЧ), представляет важную народнохозяйсг-нную задачу.

Задачи исследования. Стартовые площадки ракет и аэродромы базирования «олетов, обычно, находятся вдали от городов и жилых массивов. Поэтому при поле-< ракет и самолетов незначительному вредному воздействию подвергается, в основ-м, обслуживающий персонал и озоновый слой Земли. Причем, если взять самолеты, основными режимами работы авиационного двигателя в районе расположения аэро-рта при рулении и посадке являются режимы малого газа, на которых наблюдается значительная эмиссия ВВ, а номинальный режим при взлете составляет в среднем ОД от общего времени работы д вигателя.

Доводка и исследование характеристик двигателей ЛА осуществляется на ис-Пслельных станциях, которые, как правило, располагаются в черте городов. Причем ¡ювными режимами в течении всего времени доводки и исследования двигателей

являются номинальные режимы, на которых имеют место максимальные выбросы В1 Часто одновременно испьпъшаются несколько двигателей. Учшъшая большие расход продуктов сгорания (ПС) двигателей ЛА, испытательные станции становятся мощньт локальными источниками ВВ и их ПС представляют значительную опасность для пр] летающих жилых массивов.

Создание экологически чистых двигателей ЛА представляет собой гораздо б лее трудную задачу по сравнению с задачей создания экологически чистых стациона ных энергоустановок. Это связано, в основном, с двумя факторами:

• большими скоростями истечения ПС;

• широким диапазоном изменения температуры ПС на выходе из двигателя.

Первый фактор не позволяет успешно применять в двигателях ЛА известнь

каталитические способы очистки газов от ВВ, а второй фактор - известные бескаташ тические способы очистки с применением химически активных веществ (ХАВ), т. 1 они являются однорежимными по температуре ПС и, кроме того, требуют своей тран поргировки на ЛА

В связи с широким внедрением в народном хозяйстве двигателей ЛА и с ута личением в несколько деапков раз их ресурса работы существенно возрос от № удельный объем выбросов ВВ в общем объеме выбросов ВВ в окружающую среду < энергоустановок различных типов. Например, ГТУ стали применяться для перекачк природного газа, для привода электрогенератора в ТЭС, в качестве силовой установки большегрузных самосвалах. Кроме того, для обезвреживания запасов удобрений сельском хозяйстве и уничтожения запасов химических отравляющих веществ стал 'применяться РД

Одновременно возросла актуальность создания экологически чистых двигатт лей ЛА, что требует пересмотра существующих способов очистки ПС и нетрадицио! ных подходов при разработке новых. Это касается также и очистки ПС от ТЧ, т. к. пр! менение обычных механических фильтров при высоких скоростях истечения ПС пр* вело бы к недопустимому росту гидравлического сопротивления выхлопного траки либо при снижении скорости истечения до приемлемых значений - к недопустимом росту их габаришых размеров.

Поэтому первая основная задача исследования состоит в разработке эффеь тивных способов, которые обеспечивают надежную очистку ПС от ВВ как влутр самого двигателя, так и в струе ПС в широком диапазоне изменения скорости ;

пемпературыПС.

Способы, разработанные для двигателей ЛА практически без каких-либо дора-огок, могут бьпь легко использованы доя снижения эмиссии ВВ на речном, автомо-ильном и железнодорожном транспорте, а также в различных стационарных дизель-ых энергоустановках, т. к. условия их применения будут более благоприятными.

Важным этапом в проектировании и доводке экологически чистых двигателей [А является выполнение расчетов с целью определения их газо-термодинамических и кологических характеристик.

Экологические характеристики двигателей позволяют установить места наибо-ее интенсивного образования ВВ по длине высокотемпературного тракта, принять рограмму борьбы с эмиссией ВВ и выбрать наиболее подходящие способы очистки [С от этих ВВ.

Определение экологических характеристик сводится к расчету турбулентных ;чений реагирующих газов в элементах двигателя.

При математическом моделировании турбулентных течений реагирующих гага с целью определения экологических характеристик принято считать, что основными акторами, влияющими на эмиссию ГВВ, являются, кроме геометрии расчетной облас-I, газовая динамика, турбуленгаосгь и химическая кинетика.

В настоящее время разработаны математические модели, позволяющие кор-ясгно рассчитать турбулешное течение газа. Получены надежные кинетические меха-вмы, позволяющие достоверно рассчитать не только процесс выделения тепла при рении топлив, но и определить детальные составы ПС, следовательно, достоверно тределить эмиссию ВВ.

Несмотря на постоянный рост быстродействия ЭВМ решение систем диффе-ициальных уравнений, детально моделирующих все три фактора, представляет боль-ие вычислительные трудности. Поэтому различными авторами были разработаны шее упрощенные модели движения газов, турбулешности и химической кинетики, ггорые не могут бьпь использованы при расчете экологических характеристик. Из нлиза известных теоретических результатов было установлено, что при численном шении систем уравнений, моделирующих турбулентные течения реагирующих газов >и больших числах Рейнольдса, используя полные механизмы ХР, с помощью МКР не [длось преодолеть трудности для всех без исключения разностных схем, связанные с утерей вычислительной устойчивости при значительном измельчении сеток.

Именно в такой постановке приходится решать задачи о турбулентном течени реагирующих газов при определении экологических характеристик двигателей ЛА.

В связи с этим можно сформулировать вторую основную задачу исследоа ния, которая составляет теоретическую часть диссертации.

Доработать метод Галеркина решения краевых задач для дифференциальны уравнений в частных производных, моделирующих турбулентные течения реагируй щих газов, с це.чыо увеличения его сходимости и вычислительной устойчивости пр любам измельчении сеток Повысить с его помощью достоверность и экономичное!! расчета экологических характеристик двигателей ЛА

Поставленная задача была решена путем использования сходящихся тритоне метрических рядов Фурье (ТРФ) в качестве искомых приближенных решений краевы задач.

Преимущества улучшенного спектрального метода (УСМ) подтверждаю«: результатами сравнений рассчитанных экологических характеристик с помощью прс; ложенного метод а и МНР с экспериментально измеренными экологическими характт ристиками при решении различных прикладных задач применительно к двигателя; ЛА. Выбор прикладных задач был сделан так, чтобы охватить все элементы двигателе ЛА и различные классы течений: дозвуковые и сверхзвуковые, безвихревые и вязкие различные типы струйных течений. В этих задач были изучены различные по сложнс ста модели химической кинетики: от глобальной модели до моделей, в которых испсш! зуклея полные кинетические механизмы реакций.

Логическим завершением первых двух основных задач исследования можн считать третью основную задачу исследования, заключающуюся в создании опыт пых образцов устройств очистки, в которых были бы реализованы новые способы от стки газов.

В качестве таких устройств могут служить опьпные образцы сажевых филы ров-нетрализаторов (СФН) и нетрализаторов (Н) для автотранспорта.

Выбор СФН и Н был продиктован тем, что автотранспорт в настоящее врем является основным источником выбросов в атмосферу ВВ, которые составляют эколс гическую проблему крупных городов.

Научная новизна полученных результатов. В области численных методо решения краевых задач научная новизна УСМ состоит в том, что из анализа сходимост ТРФ получены новые данные о свойствах этих радов. В частности, установлено чис

[енно, что существует оптимальное значение степени ТРФ, выше которого этот ТРФ >асходигся. Предложены эмпирические формулы для нахождения оптимального значе-ия обычного ТРФ и методы построения сходящихся и равномерно сходящихся ТРФ, [спользование которых при построении приближенных решений краевых задач обео [ечиваег заявленные преимущества У СМ по сравнению с МКР в точности и экономич-юсти.

В области очистки ОГ энергоустановок от ВВ научная новизна предложенных пособов очистки состоит:

• в применении дополнительных химически активных веществ (ХАВ) для под-тройки оптимальной температуры основйых ХАВ под действительную температуру )Г, что обеспечивает максимальную эффективность очистки ОГ от ВВ при существен-ом изменении температуры ОГ;

• в разделении процессов предварительной диссоциации ХАВ и конверсии УОх в пространстве и во времени, что позволяет осуществить реакции конверсии 40х при более низких температурах ОГ;

• в применении карбонилов для получения летящего катализатора, с помощью эторого достигается высокая эффективность очистки высокоскоростных потоков ОГ, апример ПС двигателей ЛА;

• в применении водород а для очистки ОГ от сажи путем его ввода в поток ОГ а выходе из энергоустановки, не вмешиваясь в трудно организуемый процесс сжига-ия топлива в ее КС. Такой способ обеспечивает надежную очистку ОГ от сажи в тех тучаях, когда применение механических фильтров невозможно либо из консгруктив-ж соображений, либо из требований недопустимого роста гидравлического сопротв-:ния потока ОГ.

Новизна предложенных способов очистки подтверждена также 11-ю патенга-н Российской Федерации и 1-м авторских свидетельством СССР на изобретения.

В опытных образцах СФН научная новизна состоит в том, что

• разработан и внедрен новый тип фильтрующего материала - пористые ме-ллы с управляемой по толщине материала пористостью и проницаемостью, что посияет получил» его заданные гидравлические характеристики;

• разработана и внедрена новая технология регенерации ФЭ, построенная од-»временно по перепаду давления и перепаду температуры ОГ на ФЭ при поддержании

заданной температуры материала ФЭ, которая в отличие от известных технологий, пс строенных только по перепаду д авления, позволяет обеспечить надежную регенерацш ФЭ и экономичность процесса регенерации;

• разработан новый тип ФЭ с петлевым движением в нем ОГ, который сокращу ег время регенерации и увеличивает ресурс работы СФН минимум в 2 раза;

• разработан карбюратор предварительной подготовки смеси топлива и воздух; в котором реализован новый способ смешения жидкости и газа.

В опытных образцах Н с ускоренным разогревом катализатора научная новизи состоит в том, что, кроме существенного снижения выбросов ВВ в окружающую ва душную среду за счет расширения режимов работы Н, удалось повысил, экономи1 ность процесса очистки в первом образце за счет экономии потребной мощности н привод компрессора для подачи дополнительного воздуха, а во втором—за счет эконс мии дополнительного топлива, идущего на нагрев катализатора.

Практическая значимость работы. Применение УСМ к расчету экологичс ских характеристик позволяет не только ускорить проектирование новых экологическ чистых энергоустановок, но и доработать существующие энергоустановки, не сгш чающие требованиям на выбросы вредных веществ в окружающую среду. С помощы этих характеристик может быть также изучена экономическая целесообразность и коь структивная возможность борьбы с эмиссией ВВ в КС или в выхлопном тракте энергс установки, а также выбраны наиболее эффективные и, по возможности, наиболее прс сто реализуемые способы очистки газов.

Предложенные способы очистки газов по сравнению с известными способам обеспечивают высокую эффективность очистки в широком диапазоне изменения тем пературы ПС и в области низких температур, что позволяет снизить экономические зг траты на очистку ПС.

Следует подчеркнуть, что разработанные способы очистки могут применяться н только в энергоустановках авиационно-космического типа, для которых харакгерш большие скорости движения газа, но и во многих других энергоустановках, в том числ стационарных, с малыми скоростями истечения ПС: дизелях, котлах ТЭС и т. д.

Реализация СФН и Н на автотранспорте позволила бы кардинальным образог изменил» в лучшую сторону критическое экологическое состояние воздушного бассеР на крупных городов России и существенно приблизить решение этой важной народ! к хозяйственной задачи.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждены я опубликованы в материалах:

• Всесоюзной научно-технической конференции «Современные проблемы двигателей и энергетических установок летательных аппаратов» (Москва, МАИ, 1976 г.);

• Всесоюзной межвузовской конференции «Газотурбинные и комбинированные установки», 2 доклада (Москва, МВТУ, 1983 г.);

• 8-ых научных чтений, посвященных разработке научного наследия и развитию щей Ф. А. Цандера (Харьков, ХАИ, 1983 г.);

• Межвузовской конференции «Математические проблемы аэрощдродинами-си» (Москва, МАЦ 1989 г.); ?

• Всесоюзной конференции «Математическое моделирование и экспериментальные исследования физико-химических процессов в сплошных средах» (Пос. Рыба-шй Крымской обл., 1989 г.);

• П Республиканской конференции «Совершенствование теории и техники теп-ювой защиты энергетических устройств» (Житомир, 1990 г.);

• Всесоюзной конференции «Автомобильные двигатели» (Москва, МАДЦ1990 г.).

Диссертация также апробировалась на научном семинаре кафедры «Теория

5РД» при Московском Государственном авиационном институте (Техническом уни-ерсигете), которым руководит член-корреспоцценг Академии Космонавтики, д. т. н., грофессор Рутовский В. Б., с участием ведущих специалистов авиационной промыш-енности 29 октября 1997 г.

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 48-ми опублико-анных работах соискателя, из которых 19 работ опубликованы в центральных научных зданиях.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 385-ти страницах ипографского текста. В том числе, оглавление - на 4-х страницах. Список литературы, в опгорый включены 460 публикаций отечественных и зарубежных авторов, в том числе 62 издания на иностранных языках, изложен на 21-ой странице. Диссертация состоит з введения, одной обзорной главы, которая завершается постановкой задач исследова-ия, четырех глав собственных исследований, выводов и рекомендаций. Работа иллю-грирована 103-мярисунками,21-ойтаблицейи 14-ю фото.

Положения, выносимые на защиту. 1. Разработанный УСМ для определения «алогических характеристик энергоустановок, который превосходит МКР по точности

и экономичности. Эт преимущества УСМ по сравнению с МКР наиболее существен] i проявляется при численном исследовании турбулентных течений реагирующих газов большими числами Рейнольдса и с учетом полными кинетическими механизмами хи мических реакций, т. е. при решении задач экологии.

2. Разработанные новые способы очистки газов от ВВ применительно к реаль ным условиям функционирования энергоустановок, характеризуемым существенным изменениями режимов работы энергоустановок и соответствующими им изменениям; температуры потока ОГ. Предложенные способы очистки обеспечивают такую же вы сокую эффективность очистки запыленных ОГ от ВВ в низкотемпературной области как и известные способы очистки в высокотемпературной области.

3. Созданные опытные образцы СФН с автоматической регенерацией ФЭ и Н < ускоренным разогревом катализатора, в которых внедрены УСМ и новые способы очи стки газов, для установки соответственно в дизельных двигателях и в двигателях с ис кровым зажиганием.

В предлагаемом СФН достигнуты следующие основные преимущества по cpai нению с известными СФН:

• время регенерации ФЭ сокращено в 3,5-4 раза, а экономичность процесса реп: нерации увеличена во столько же раз;

• ресурс работы ФЭ увеличен в несколько раз;

• степень очистки от СО, СхНу и сажи выше требований EURO П.

Н с ускоренным разогревом катализатора в отличие от обычных Н позволяет сущей венно расширить диапазон эффективной очистки ОГ от ГВВ и охватить, 1фоме номитльны режимов, шшгорькгр)исхс!цигосновнь1евь1фось1 NOx, режимы холостого хода и запуск двигателя, на которых происходдгосновные выбросы СО и СхНу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Более полное обоснование разработанных способов очистки ПС двигателей JIA можно выполнить, используя не только их экспериментальные, но и теоретические исследования с помощью УСМ. Для этого вначале целесообразно дать математическое обоснование УСМ решения дифференциальных уравнений в частных производных, а затем с помощью УСМ исследовать турбулентные течения реагирующих газов в элементах двигателей ДА, чтобы показать, что УСМ является надежным средством в определении экологических характеристик двигателей JIA.

Математическое обоснование улучшенного спектрального метода решения дифференциальных уравнений

Обоснование дано для Евклидова пространства Ьг[0,1]. Однако в главе 2 диссертации показано, что, используя схемы расщепления по направлениям, многомер-iyio краевую задачу можно свести к системе одномерных краевых задач, для кото-)ых справедливы полученные автором результаты.

Рассмотрим уравнение

Au = f, feH,

де А- некоторый дифференциальный оператор на линеале DA, плотном вгиль-юртовом пространстве Н.

Обобщенное решение и0 однозначно определяется из соотношения (Au0-f,<pt) = Q, V^etf (¿ = 1,2,...).

Пусть система тригонометрических функций

(рк={sin кях; к = 1,2,...,т } бразует ортонормированный базис в Z2[0,1], для которого выполняются условия ртогональносги

ГО,

(ft.W)H j к = 1 (к,1 = \,2,...,т).

Вначале полагаем, что для искомого приближенного решения выполняется

словие

т

ü„ = sin/ях

(7 = 1,2,...,/я),

О)

а ниже исследуем его сходимость к точному.

Тогда коэффициенты Ь, определяются из условий

_

<Рк

i

= 0 (/,& = !, 2,..., /и),

т. е. из системы уравнений (в дальнейшем для удобства записи условно заменим зна] « = » на знак «=»)

6, + 0 +... + 0 = (/", ), 0 + 62 + 0 + ... + 0 = (/,^Д

0 +... + 0 + Ь, + 0 +... + 0 = (/, <р,\

о+...+о+6Я = (/, <рт).

Или в векторно-матричном виде

|К| b = h,

где |К| - квадратная диагональная матрица размерности тхт;

Ъ = (Ь1,Ь2,...,Ь,,...,Ьт)Т - вектор, состоящий из т неизвестных компонентов А = И2,...,Ик,...,Иа)Т - вектор, состоящий из т известных компонентов-правых частей уравнений. Причем

Ка=0, Ык,

Кй=1, 1 = к

(1 <1,к<т),

^ =(/>*) 0 ^к<т).

Диагональная структура матрицы |к| позволяет сразу выписать решение i

Ь, = (/>,) = 2 J/(r) sin Ixz dz (/ = 1,2,..., m).

o

Автором получена квадратурная формула для Ъ,

п

=^Jfis'm0i (| = 1,3,...,л-1), f,=f(x,\ x^i/n, где t-2

<т2 = 2>in$ (/ = 2,4,...,n-2), в = Irc/n,

'=2

4

y = & ~ ^cos

P - + cos2 0) - 2sin 0 cos0].

При малых используя разложение функций sin в и eos 0 в степенные

эяды, эти коэффициенты имеют вид ?

4 2вг в4 <96

у =---+---+ ...,

.3 15 210 11340

1 _ 2 202 404 20б /? = - +---+--...

3 15 105 567 Причем при в -> 0 Пш/ = 4/3, а Пгп/? = 2/3, как в формуле Симпсона.

Из рис. 1, где приведены результаты численного исследования сходимости

построенного ТРФ, видно, что

й -V vop, --

п

Таким образом, ряд

л т ^ л .. л ^ 0

в =-S— = --, откуда т =п/2,

п 2 п 2

и/2

= ]>]£, sin fozx (£ = 1,2,..., я/2)

к=I

является сходящимся ТРФ с коэффициентами Фурье (2).

Автором предложена более удобная единая формула для коэффициента Фурье, не требующая разложения тригонометрических функций в степенные рады

bt = 2У—[cos а - cos 77] +-г [sin 77 - sin a-ij cos 77 + a cos a] +

+ ^ 3 \2.[r¡ sin 77 - a sin a] - (if - 2) cos 77 + (a2 - 2) cos a}, (3) (On)

¿ = 1,2,..., от; / = 1,3,...,«-I; 77 = #(/ + 1), a = 0(/-l), В = for/77, C = n2{f^-2fi+fM), E s [/.,/(/ +1) - 2/(/ - l)(i +1) + /+1/(/ -1)]/2,

Важное свойство этой формулы состоит в том, что она не накладывает огра ничение на степень ТРФ, т. е. на число членов этого ряда.

На рис. 2 приведено сопоставление сходимости рядов, построенных по ме тоду автора, и рядов, построенных по методам Филона, Фурье, Фейера и Ланцоша На графике расчет сходимости ТРФ с коэффициентами Фурье, подсчитанными п< формуле (3) изображен перечеркнутыми светлыми кружечками. Из графиков (рис. 2 видны преимущества сходящегося ТРФ. Следует обратил, внимание на то, что по строенный сходящийся ТРФ имеет локальную расходимость при значениям т кратных п, поэтому автором был предложен метод построения равномерно сходя щихсяТРФ:

т

= sin0°x (к = 1,2,...,т), (4)

где ai=—sin#„, в„=——, o = l/sin-^-.

^ м j о' а л 3 г л

к 2т 2т

10

8

6

4

2

0

Рис.2

На графиках (рис. 2) эти ряды изображены темными значками, верхний из которых соответствует формуле (4).

Таким образом^ предложенный метод решения дифференциальных уравнений, по существу, является развитием метода Галеркина. Однако, если в методе Га-теркина полагают, что искомое приближенное решение дифференциального уравне-шя априори сходится к точному, т. е., что выполняется условие (1), то в предлагаемом методе в качестве искомых приближенных решений используются ТРФ, сходимость которых к точному решению гарантирована при любых значениях степеней вда. Это позволяет сделать следующее определение.

Определение. Метод Галеркина, в котором в качестве приближенных речений краевых задан для дифференциальных уравнений в частных производных ж-юлъзуются сходящиеся ТРФ, построенные по предлагаемому методу, назовем лучшенным спектральным методом (УСМ).

С помощью УСМ во второй главе диссертации были решены краевые задачи 1ля различных типов дифференциальных уравнений, моделирующих турбулентные ечения реагирующих газов.

<Ъ

Приложение улучшенного спектрального метода к расчету экологических характеристик элементов летательных аппаратов

Приступим к анализу турбулентного смешения и выгорания водорода I сверхзвуковом потоке при осесимметричном течении. Схема такого течения показана на рис. 3. В

в»-

Линия Зона ¿-"-граница тока смешения {со —1)

н.

О = 6,33 см

Профиль температурь!

участок

центре находится холодный поток водорода, который охватывается спутным го рячим потоком воздуха.

Е, I - границы и

Рис.3

ось струи ограничивают зону их смешения.

Исходные данные для проведения 2-х экспериментов и расчетов взяты гс работы Ивенса-Шекснайщера и приведены в табл. ].

Таблица 1

Осесимметричное течение

Параметр Струя Н2 Основной поток

Экткрименг №1 Эшкримоп-№2 Эстфимшг №1 Эшкриыоп-№2

Число Маха М 2,0 1,46 1,9 1,86

Температура Т, К 251 276 1495 1140

Скорость и, м/с 2432 1877 1510 1265

Давление р, МПа 0,1 0,09 0,1 0,09

Ся2 1,0 0 0

0 0,241 0,26

0 0,478 0,59

О/,О 0 0,281 0,15

Кроме газодинамических параметров в табл. 1 приведены также исходные

массовые концентрации компонентов. В процессе экспериментов производились измерения профилей концентраций N2 и Ог на различных расстояниях от среза сопла.

Горение водорода в воздухе описывалось с помощью кинетического механизма, состоящего из 25-ти реакций (табл. 2).

Таблица2

NN п/п Компоненты NN п/п Реакции NN п/п Реакции

1 Н I Ш02+Х ->Ж)+ОН+Х 14 ОН+ОН-^Н + НО;!

2 О 2 Шг+Х-^Ш+О+Х 15 Н20+0->Н + Н0г

3 н2о 3* Н2+Х-*Н+Н+Х 16 ОН+Ог—»О+НОг

4 ОН 4* Ог+Х->0+0+Х 17 НгО+Ог-^ОН + НОг

5 02 5* Н20+Х->0Н+Н+Х 18 Н20+0Н->Н2+Н02

6 Н2 6* 0Н+Х-»0+Н+Х 19

7 N2 7 НОг+Х-^Н+Ог+Х 20 H+NO->N+OH

8 N 8* Н20+0-»0Н+0Н 21 О+Ю-^+Оь

9 N0 9* Н20+Н-»0Н+Н2 22 ЫО+ОН—>Нн^Ог

10 N0, 10* 0г+Н->ОН+О 23 № + 02->0+ЬЮ2

И НСЬ И* н2+о->он+н 24 ЫОг+Нз-^Н+ШОг

12 НШ2 12 Нг+Ог-^ОН+ОН 25 Шз+ОН-^О+НОг

13 Нз+Ог-^Н+НОг

Сам механизм и константы скоростей реакций этого механизма взяты из той же упомянутой работы.

Система уравнений, моделирующая процесс турбулентного смешения и выгорания водорода в воздухе, имеет вид.

3 дх ду

ди ди ди др \ д \ „ ди" а дх су ах. у ау\ ду ,

до до до сЬ 4 д ( до

р— + ри--н ро— =--н---/л —

дх ду ду 3 ду

дН

дН дН = ф 1 д \ну"

р — + ри — + ри— = ~ + ¿Я дх ду

__—+ (Рг-1) —

у" ду [ Рг ду ' ду

( N -

и

2

V ^ _

dZ, dZ, dZ, I d(py"

0 = 1» 2,...,N3 -1),

dC. dC, cCt 1 dfpy" дсЛ

p—'- + pu—'- + pu—- =--———L

a ас ду у" dy Sc dy

+ (/ = 1,2,..., NK-N3-1),

cK

cK

dK _ 1 д ( пцт дК

р— + pu— + pu— =--у —--

а 3: ду у" ду\ <тк ду

f

+ Мт

ди) * ~р£-

да да да 1 д дх ду у ду

а

r AV-1 л-,-1

АГ,-1

>1

2 2 N

H = h + !L±!L + Kf А = £сл (/ = 1,2,..., NK;j = l, 2,..., N3),

т т

ht={.Kl + \cpidT, (К), « jcpidr при Т0 = 293,15° К и р = 0,1 МПа.

0,57^0,6472 1472 '

М = Мо + Мт, Мт =С рК2/е, — = ^«2,67-Ю-6^

Mo М И, <т,е,'

(/ = 1,2,...,^; у = 1,2,...,NP),

/=1 ' /=1

N'

k'^Af'^-EjRTl k'j^k'j/Kl. ¿>f=2>, (j = 1,2,-да,

м

Ы [_ л/> /=1

Эта система решалась с помощью УСМ. В итоге вычислялись профили концентраций N2 и Oi, которые затем сравнивались с соответствующими профилями концентраций, измеренными в экспериментах №1 и №2, и вычисленными Ивенсом и Шекснайдером с помощью МКР при отсутствии горения и при использовании различных моделей химической кинетики: укороченного 8-ми стадийного механизма реакций, который в табл. 2 отмечен звездочками, и полного механизма.

Результаты сопоставлений представлены на рис. 4, где приведены профили концентраций А^и 02, измеренные на различных расстояниях от среза сопла в эксперименте № 1, в котором температура основного потока была равна 1495 К. Причем

С,

0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

С,-0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

х/^. = 8,26

Оу

ОД - эксперимент; ---1 — расчет.

х1с 5,5

э— -о— —о-

/ / Ог

/

' / / ; ! 1

1Д—

=21,7

>—- .)— -о—

,. ^ 02

л

Ж

--- У

><г )

х!й} =27,9

¿о

____ о,

Л

А

-- _* / /

Рис.4

линиями изображены рассчитанные различными методами, а точками - измеренные профили концентраций Ы2 и 02. Сплошными линиями обозначен расчет с помощью УСМ (при использовании 25 реакций), а пунктиром и штрих пунктиром - расчет с помощью МКР упомянутых авторов. Из графиков видно, что удовлетворительное согласие измеренных профилей концентраций и 02 с рассчитанными профилями этих концентраций наблюдается только для УСМ.

Большая разница между рассчитанным профилем концентрации 0> без учета реакций и измеренным профилем концентрации того же кислорода в эксперименте №1 свидетельствует о самовоспламенении и горении водородо-воздушной смеси я расходовании Ог в реакции.

Неудовлетворительное согласие измеренного в эксперименте №1 профиля «ищенграции ф и такого же рассчитанного Ивенсом и Шекснайдером с помощью

э

МКР профиля имеет место потому, что, используя укороченный 8-ми стадийный механизм реакций, не удается достоверно определил, период задержки самовоспламенения водородо-воздушной смеси.

Во 2-ом эксперименте, из-за того чш температура основного потока уменьшилась на 355°, самовоспламенения водородо-воздушной смеси не происходит.

На рис. 5 приведено сопоставление рассчитанных различными методами на различных расстояниях от среза сопла для условий эксперимента №1 профилей статической температуры. Причем сплошными линиями на графиках (рис. 5) показаны

результаты расчета, полученные с помощью УСМ при использовании полного кинетического механизма, а пунктиром и штрих-пунктиром - результаты расчета, полученные Ивенсом и Шекс-найдером с помощью МКР при использовании соответственно укороченного 8-ми стадийного механизма и глобальной модели Роджерса-Чайнигса. Все модели химической кинетики для профиля температуры дают близкие результаты, однако выделение тепла при использовании глобальной модели несколько меньше.

В табл. 3 приведено потребное время расчета процессов турбулентного диффузионного смешения и горения водорода в воздухе для одного сечения с помощью единой математической модели, используя различные численные методы и различные кинетические механизмы реакций. № этой таблицы видно, что для МКР переход от полного кинетического механизма к расчету замороженного течения примерно в 5 раз уменьшает время расчета, а расчет процесса горения с учетом 25 реакций с помощью УСМ соизмерим с временем расчета этого процесса с помощью МКР для замороженного течения. Таким образом, кроме увеличения точности расчета заданных характеристик, УСМ по сравнению с МКР обеспечивает существенную

Рис.5

экономию времени их расчета, особенно при использовании полных кинетических механизмов.

Таблица 3

Численный метод расчета Кинетический механюм реакций Время расчета, мин

Осесимметричное течение

Эксперимент № I X / <1/ = 27,9 Эксперимент №2 х/ (1/ = 17,8

МКР 25 реакций 648,1 626,3

8 реакций 362,2 357,1

Глобальная модель 174,1 173,2

Без реакций 127,3 126,5

УСМ 25 реакций 134,3 131,6

8 реакций 87,8 86,4

Без реакций 29,15 28,3

Далее изучим вязкое взаимодействие одиночной струи воздуха и сносящего потока газа, которое имеет место в КС ГТД.

Геометрия расчетной области показана на рис. 6.

Взаимодействие одиночной струи и сносящего потока с целью определения таких характеристик как траектории, глубина проникновения, дальнобойность струи ит. д. изучалось теоретически и экспериментально многими авторами: Абрамовичем Г. Н., Гиршович Т. А., Голубевым В. А., Бакулевым В. И., Макаровым И. С. и др. авторами. Значительно меньше работ посвящено исследованию характеристик турбулентности и распределения концентраций в области взаимодействия струи и снося-

Рис. 6

щего потока.

В данной задаче рассматривалось дозвуковое турбулентное смешение одиночной струи воздуха и сносящего потока газа при следующих исходных данных:

• скорость основного потока = 12 м/с;

• интенсивность турбулентности -^и*2 + и"2 + и>'2 /= 7%;

• сгпюшение скорости струи вустье к скорости сносящего потока / и^ =2,3. Система моделирующих уравнений приведена ниже.

^- = 0, дск

~ <Ж 1 Ж д (и дй,

Щ —- = -—•— +- -=■—- иХ

дхк р дх ., дхк I р аск

У

дФ д \ 1 ц ¿Я>

^ ^ 1/3 0"г )

Процессы смешения двух потоков и горения описывались нормированными консервативными скалярными величинами

где р, Д и рг - консервативные скалярные величины-функции Шваба-Зельдовича.

В качестве модели турбулентности использовалась 2-х параметрическая модель Джонса-Лаундера:

■.л.*_ ^ г р Мг

^ дй, дй, —!- + —-

дх, дх, \ } 1 у

рат ас,

и — -—— к Зск рдхк

Е

-г-.дй, _

дхк

дкь

рдхк

Ут д£ ^

II

К'

Задача решалась двумя методами: с помощью УСМ и МКР. Причем с помощью МКР задача решалась дважды: первый раз, используя схему Кранка-Ни-колсона, а второй раз, используя схему метода экстраполяции Ричардсона (МЭР) более высокого порядка точности.

Параметры струи в сносящем потоке вычислялись для 3-х различных сеток:

• крупной сетки с числом узлов (20 х 20x12);

• средней сетки с числом узлов (40 х 3 0 х 20},

• мелкой сетки с числом узлов (90 х40х 22)

Результаты расчета характеристик струи в сносящем потоке, полученные автором с помощью УСМ и МЭР, сравнивались с экспериментальными данными Крэбба, Дьюрао и Уайтла, а также с результатами вычислений этих характеристик с помощью МКР невысокого порядка точности, полученные Клаусом (рис. 7 и рис. 8).

уЮ

*/£> = 2 О " жсагрямост Р97£ --- — ]- Я8р«И. —--- расчет МКР (39||; —--- расчп «яор» ЮЛ

1

уЮ 4 3 2 I

\ < »/»,=0.1 />2 /0.22

; 7

У

Экпсрнжхгт [397]

уЮ

8 -0.4 0 4 0.8 1.2 1 6 и/ця

6)

хЮ= 6 N

(

\ \

у \

ч

1

У/

О 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 5/«„

Рис.7

Рис.8

4

3

2

На графиках (рис. 7) приведено сопоставление измеренных в центральной плоскости профилей скорости на различных расстояниях от устья струи при хЮ = 2 (верхний график) и при х/О = 6 (нижний график) и вычисленных различными методами на основе мелкой сетки в тех же местах. Точками изображен эксперимент Кребба и др., а линиями - расчет. Причем сплошной линией и пунктиром, которые расположены ближе к экспериментальным точкам, изображены расчеты автора с помощью УСМ и МЭР соответственно, а штрих пунктиром - расчет Клауса Из графиков видны преимущества УСМ по сравнению с МКР и МЭР.

Сопоставление изолиний нормированной концентрации в сечении у-г при х/И=8, вьгчисленных с помощью тех же методов для мелкой сетки и измеренных в эксперименте Креббом и др., приведено на рис 8. Причем вычисленные изолинии изображены на правых половинках графиков, а измеренные - на левых половинках этих графиков.

Видно, что изолинии концентрации, вычисленные с помощью МКР Клаусом, не соответствуют измеренным ни качественно, ни количественно, что объясняется потерей устойчивости вычислительного процесса при достаточном измельчении сетки. В то же время точность УСМ с измельчением сетки только растет.

Естественно, что траектории струй, измеренных и рассчитанных как геометрические места максимальных скоростей, наиболее точно согласуются для УСМ (рис. 9).

На графиках (рис. 10) показано сопоставление профилей осевой составляющей интенсивности турбулентности, измеренных в эксперименте Кребом и рассчитанных различными методами для средней сетки на различных расстояниях от устья струи. Обращает внимание то, что вблизи устья струи наблюдаются два пика интенсивности турбуленгаосги. Верхний пик вызван взаимодействием струи и сносящего потока, а нижний - интенсивным вихрем под струей. По мере удаления от устья струи разрежение под струей уменьшается, а интенсивность вихря падает и наблюд ается только один пик. Необходимо отметить, что удовло-

Рис.9

о

уЮ

творительное качественное описание турбулентности дает только УСМ.

В табл. 4 приведено сравнен/о [771 ™е потребного времени, необходимого для получения искомых характеристик течения при расчетах различными методами. Из этой таблицы видно, что измельчение сетки сильно влияет на время расчета с помощью МКР и МЭР. Потребное время для МКР растет в 30 раз. Преимущества УСМ в экономичности по сравнению с МКР наиболее сильно проявляются для мелкой сетки. Потребное время при этом в 15 раз меньше, чем для МКР.

Из этого примера так же как и из предыдущего видно, что УСМ по сравнению с МКР обладает существенными преимуществами как в точности расчета характеристик ^л, струи в сносящем потоке из-за абсолютной устойчивости вычислитель-Рис. 10 ного процесса с помощью предло-

женного метода при любом измельчении сетки, так и во времени расчета этих характеристик.

Табливд4

6)

NN ч

\ V, >>

"Ч > /

/

/ / хЮ = в Д - эксперимент (397]; ---1 - тгоун*; ___\ - расчет МКР [398]; — — — - расчет шор« МЭР; — ■ - расчет итора УСМ.

/ /

/ /

/ У/

0.1

0.2

0.3

0.4

Метод расчета ЭВМ Потребное время расчета, мин

Крупная сетка Средняя сетка Мелкая сетка

МКР[425] 1ВМ-370-3033 20 120 600

МКР Репйит-ЭОМНг 19 115 587

МЭР Репйит-ЭОМНг 48 251 1232

УСМ РепКит-ЭОМНг 16 28 41

Далее приведем результаты расчета сверхзвукового безвихревого течения многокомпонентного реагирующего газа в расширяющейся части сопла Лаваля.

Квазиодномерные уравнения Эйлера для многокомпонентной реагирующей среды имеют вид,

81 дх О = {р5,ри8,ре0Б,рС18}\

и = \piiS, ригБ + рБ, ри\Б, риС$,

где О, и к F- векторы искомых функций, потоков и источников соответственно. Термодинамические соотношения для смеси газов:

V '=>

Я0=Ш (/ = 1,2,...,АГ,-1), 0 = 1,2,...,^),

Л = £с,=1 (/ = 1,2,...да,

К , К = )ср^Т+(И0), (/=1,2,...да.

'■=1 / п

Система стехиомегрических уравнений:

0"=2>->^ 1=1.2,...,мр),

1=1 1 1=1

где к]=В]Тв'ех?[-Е;1{КъТ))

Чтобы можно было сопоставить результаты расчета, полученные при помощи УСМ, с имеющимися данными использовалась 2-х ступенчатая глобальная

модель Роджерса-Чайнитса:

Н2+02< >2 ОН,

20Н + Н2<-&-+2Н20.

Решалась задача Коши с помощью УСМ при следующих значениях параметров: М = 1.4; Т = 1900К; м = 1230м/с; /7 = 0,081 МПа; ф = 0,3.

р. ю-, па Найденное решение срав-

ю нивалось с решением из работы

Драммоцца, Хусейни и Цанга, полученным с помощью МКР Дцамса-Моултона для установившихся вдоль расширяющейся части сопла

6000 ^2 0,4 0,6 0,8 1,0 1.2 1,4 1.6 1,8 дг, м ____..

распределении газодинамических Рис-11 параметров: скорости, температуры

и давления (рис. 11), а также массовых долей компонентов Н2, 02, ОН и НгО (рис. 12).

Смр^ОН 0,06 0,05 0,04 0.03 0,02 0,01

^HJi)

1

г У

( С / 0*оД- УСЫ; — -MKPpSI)

\ Сон \

ч -V Li

«-о,

'о,21

0 0 0,2 0,4 0.6 0,8 1,0 U 1.4 1.6 1,8 X, м

Рис. 12

На графиках линиями показан расчет с помощью МКР Адамса-Моултона, а точками - расчет с помощью УСМ. Как ввдно из графиков, совпадение хорошее.

Однако расчет характеристик течения с помощью УСМ на БЭСМ-6 для 17-ти узлов занимал 91с, в то время как аналогичный расчет с помощью МКР на ЭВМ «СУПЕР-175» для 101 узла занимал 2524 с, т. е. почти в 28 раз больше. А с учетом числа узлов - почти в 5 раз больше.

В этом примере главное преимущество УСМ по сравнению с МКР состоит в экономичности вычислительного процесса

Теперь рассмотрим задачу о турбулентном смешении неизотермической звуковой струи ПС ВРД с дозвуковым спушым ограниченным потоком воздуха в эжекторе испытательного стенда.

Схема течения в эжекторе показана на рис. 13.

Начало координат располагается на оси струи и в плоскости среза сопла.

Спугаая струя теоретически и экспериментально изучалась многими авторами. Теоретически в одномерной постановке с учетом химических превращений струя ВРД, распространяющаяся в эжекторе испытательного стенда, изучалась Пирумовым У. Г., Волковым В. А., Прохоровым М. Б., Папушей А. И. и др. Влияние локализованного впрыска воды на концентрацию СО в струе ЖРД экспериментально исследовано Папушей А.И.

Турбулентное течение сверхзвуковой струи продуктов сгорания двигателя ЛА в спутном сверхзвуковом потоке в осесиммегричной постановке исследовалась Осмининым П. К.

Таблица 5 При решении поставленной задачи использовались те

же моделирующие уравнения, что и в задаче о турбулентном смешение и выгорании сверхзвуковой струи водорода в сверхзвуковом спушом потоке воздуха, для которых решалась задача Коши.

Условия на границах области определялись в результате расчета:

• характеристик эжектора;

• характеристик пограничного слоя на стенках смесительной камеры;

• распределения теплового потока на стенке смесительной камеры.

Исходные данные задачи приведены в табл. 5, где, кроме параметров обоих потоков в сечении среза сопла, задан начальный состав ПС струи.

Использовался кинетический механизм и константы скоростей химических реакций из монографии Авдуевского В. С., Пирумова У. Г. и др. авторов.

Рис. 13

Параметр Значение

м/с) 1,0

Г., К 1459

Р., Па (я.) 93664,8

М„ 0,337

1

Н, 1,4 Е-5

О, 0,08103

н,о 0,052

со 0,05113

с„ о 1,7 Е-4

он 0,00223

н 4,83 Е-7

со, 0,056

гч, 0,75465

N0 0,00256

N 2,1 Е-4

т/тг. де; 1.0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0.4 0,3 0,2 0,1

9 дс/л,

Рис. 14

Результаты расчета распределений вдоль оси струи относительной температуры и относительных избыточных концентраций СО и Н2 при замороженном (пунктир) и химически неравновесном течении (сплошные линии) в первой ступени эжектора испытательного стенда, вычисленные с помощью УСМ, приведены на рис. 14. Из графиков (рис. 14) видно, что идет интенсивное горение СО и Н2 преимущественно за пределами начального участка.

Профили относительной температуры, вычисленные с помо-

щью УСМ, в начальном, переходном и основном участках струи при химически неравновесном течении в 1-й ступени эжектора для изолированной и теплопроводящей

стенок, показаны на рис. 15, а профили относительной избыточной концентрации СО, вычисленные также с помощью УСМ в начальном, переходном и основном участках струи при замороженном и химически неравновнесном течениях в первой ступени эжектора, показаны на рис. 16. Из графиков вцдно, что основное догорание СО происходит не на оси струи, а на некотором удалении от нее к периферии. Как показывают расчеты, конценг-

77 г.

1.0

0,8

0,6

0,4

0,2

О 0 0,4 0,8

1.2

1,6 2,0 2,4 у! г.

Рис. 15

рация СО вблизи стенки смесительной камеры, в выходном сечении первой ступени эжектора по санитарным нормам в 230 раз превышает ПДК для рабочей зоны. Изо-

дС,

о о

0,4 0,8

1,2

1,6 2,0 2.4 у! г.

ляция стенок камеры не дает заметного положительного результата из-за низкого уровня температур.

Таким образом, с помощью рассмотренных примеров мы показали, что УСМ по сравнению с МКР обладает существенными преимуществами в точности и особенно в экономичности получения решений и может служить надежным средством в определении экологических характеристик двигателей ЛА и других энергоустановок.

Теперь переходим к рас-Рис. 16 смотрению второй задачи исследо-

вания, т. е. к анализу разработанных способов и устройств очистки ОГ энергоустановок от ВВ (глава 4). Они разделены на способы очистки ОГ от ГВВ, на способы очистки ОГ сггТЧи комбинированные способы очистки ОГ от ГВВ и ТЧ одновременно. Вначале изучим способы очистки ОГ от ГВВ.

Известен способ очистки газов от окислов азота путем ввода в газовый поток аммиака.

На рис. 17 приведены результаты экспериментальных исследований автора (на графике они изображены кружочками) по влиянию аммиака и температуры потока отработавших газов на относительную мольную концентрацию ЫО% в ОГ. Из графика видно, что существует ярко выраженный ошимум этой относительной концентрации по тем-

1*0,1. [Ми

о.г

\

Р 20

О □ - эютртснг,

-.--ржчсг.

|У01-300 до* ,уи1* ррт, [N0! » 300 ррт. [Н,]-4Х>ррт.

600 700 800 900 1000 ИОО 1200 1300 Г, С

Рис. 17

пературе потока газа, который локализуется около ] 000° С. Причем диапазон температур, в прицелах которого наблюдается наиболее существенное уменьшение концентрации М9Х, составляет ± (100-120)° от оптимальной температуры аммиака.

Температура потока ОГ на выходе из двигателя обычно не совпадает с оптимальной температурой аммиака, что обусловлено существенным изменением режимов его работы. В этом случае эффективность очистки будет очень низкой.

Для увеличения эффективности очистки ОГ от МОх подобным способом, если температура потока ОГ ниже оптимальной температуры аммиака, поток необходимо подогревать до оптимальной температуры аммиака за счет равновесного сжигания дополнительного топлива, что не выгодно экономически.

Автором предложен иной экономически более целесообразный способ очистки ОГ от М?х с применением подстройки оптимальной температуры химически активной среды, в качестве которой испсшьзуётся аммиак, под заданную температуру потока путем ввода в поток ОГ дополнительных химически активных веществ. Известно, что дополнительный ввод водорода и перекиси водорода сдвигают оптимальную температуру аммиака в область более низких температур, а дополнительный ввод воды — в область более высоких температур.

Были выполнены теоретические обоснования эффективности предложенного способа очистки ОГ от N0*. На графике (рис. 17) приведено сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований по влиянию ввода аммиака и водорода на относительную концентрацию М)х в ОГ при различных температурах потока ОГ в месте ввода. На этом графике точками изображен эксперимент, а линиями - расчет, при выполнении которого с помощью УСМ использовался 82- стадийный механизм реакций из работы Миллера, Бранха и Ки. Из графика видно, что принятая расчетная модель хорошо описывает положение оптимальной температуры аммиака и эффективность очистки ЫОх аммиаком вблизи оптимальной температуры аммиака. Она дает заметную погрешность лишь за пределами того температурного диапазона в окрестности оптимальной температуры аммиака, который и представляет практический интерес.

В соответствии с предложенным способом ввод дополнительных химически активных веществ позволяет так подстроить оптимальную температуру аммиака, чтобы она соответствовала действительной температуре потока ОГ в месте его ввод а. На графике (рис. 17) показано, что дополнительный ввод водорода с мольным соотношении водорода к аммиаку равном 0,93 сдвигает оптимальную температуру аммиака примерно на 100° в область более низких температур. Далее будут приведены более детальные теоретические и экспериментальные исследования влияния ввода

водородо-аммиачных веществ.

(|?|-—[ТГ}-—[<?] [Т?]

На рис. 18 приведена схема, устройства, в котором реализуется способ очистки ОГ от ГВВ с применением подстройки либо оптимальной температуры химически активной среды (ХАС) под заданную температуру потока ОГ, либо действительной температуры потока ОГ Рис. 18 под оптимальную температуру ХАС,

либо подстройки обеих температур одновременно.

Эффективность очистки ОГ от М?х зависит не только от качества перемешивания ХАС с ОГ, но и от уровня концентрации ХАС в ОГ. Однако чрезмерные концентрации ХАС не дают заметного увеличения степени очистки ОГ от ЫОх, но сопровождаются экономически нецелесообразным расходованием ХАС, которые сами являются вредными веществами. Поэтому важно знать область рационального изменения концентраций ХАС, в пределах которой наблюдается высокая эффективность очистки ОГ и нет чрезмерного расходования ХАС.

На рис. 19 представлены результаты экспериментальных исследований по влиянию концентрации аммиака и температуры потока на степень очистки ОГ от М)х. Из анализа этих результатов была установлена область рационального изменения относительной концентрации аммиака. Левая граница этой области проходит через точки максимальных градиентов изменения отно-Рис. 19 сигельной концентрации М?х по от-

носительной концентрации аммиака, а правая граница определяется экономически нецелесообразным расходованием аммиака, которое не дает заметного увеличения эффективности очистки ОГ от N0*. Относительная концентрация аммиака в этой

№Л:

области изменяется от 1 до 1,5.

Новизна этих обоих способов очистки подтверждается авторским свидетельством СССР № 1719673 и 2-мя патентами РФ на изобретения № 1710793 и № 1749502.

Известно, что применение катализаторов позволяет, прежде всего, существенно снизить температуру процесса конверсии ВВ. Это выгодно экономически, однако чем больше расход ОГ, тем больше масса катализатора, выполненного из благородных металлов, что уменьшает этот экономический эффект.

В связи с этим предложен способ, который обеспечивает такую же эффективность очистки ОГ от N0 в области низких температур без применения катализатора, как и известный способ с применением катализатора; или с применением катализатора, но при этом его масса уменьшается в 400...500 раз. Суть этого способа состоит в следующем. -

Любая химическая реакция происходит в том случае, если удается преодолеть некоторый энергетический барьер. После запуска реакции она может поддерживаться при более низкой температуре. Например, известно, что реакция подавления ЫОх аммиаком в газовой фазе происходит при температуре около 1000 С. Причем реакция вдет в две стадии: на первой стадии диссоциирует аммиак при температуре 1000 С с образованием ЫН, М/2, Н и молекулярного водорода, а на второй стадии вдут реакции конверсии ЫОх с помощью этих компонентов при 500 С. Т. е. низкотемпературный кинетический механизм подавления N0 с помощью образовавшихся компонентов не начнется до тех пор, пока не произойдет высокотемпературная диссоциация ЫНУ, которая является поставщиком этих компонентов. Она же определяет такой высокий уровень температуры. Обычно процесс диссоциации ХАВ и кинетический процесс химических реакций, направленный на конверсию ВВ, ведут одновременно, а следовательно, в одной и той же точке пространства, хотя, как мы видим, эти процессы могут протекать при существенно различных уровнях температур.

Предложено разделить высокотемпературный процесс диссоциации ХАВ и низкотемпературный процесс конверсии ЫОх в пространстве и во времени.

На рис. 20 показана схема устройства, в котором реализуется предложенный способ. Новизна этого способа подтверждена патентом РФ на изобретение

№2062140.

В соответствии со схемой (рис. 20) ХАВ, в качестве которых использовался аммиак, предварительно подогреваются и подаются на катализатор, где они диссоциируют с образованием радикалов, т. е. ЫНг, ИН, Н и Нъ Диссоциированная смесь затем через отверстия 16 в но-Рис. 20 сике корпуса в виде множества струй

поступает в поток ОГ, смешивается с ОГ и реагирует с ЫОх, образуя Ы2 и Н20. Если температура газа не достаточная доя диссоциации ЫНз, то подводят энергию извне, например, за счет электроподогрева.

Т. к. расход ХАВ соизмерим с расходом ВВ, а их максимальная концентрация, как правило, составляет не более ОД.. .0,25% от расхода ОГ, то затраты энергии на подогрев ХАВ (заметим не всего потока ОГ, а только ХАВ) уменьшаются во столько раз, во сколько раз расход ОГ больше расхода ХАВ.

Данное устройство может также рассматриваться как генератор водорода.

Управляя температурой процесса диссоциации ЫНг, можно управлять концентрацией Нг в реакционной смеси.

На рис. 21 показана экспериментальная зависимость степени диссоциации и выхода относительного молярного водорода по температуре катализатора, а на рис. 22 - сопоставление теоретических и экспериментальных результатов по влиянию значения этого мольного отношения на оптимальную температуру ХАС. Точками и пунктирны-Рис.21 ми линиями (на рис. 22) изображен

эксперимент автора, а сплошными линиями-расчет автора с помощью УСМ. Из

тн,\ 0,8

0,6

0,4

0,2

ДО- яонрмкг «лораН 19); А -А[М/,1 □ - ['У 1Л /

]? /

22х/ г> / 1 / / /

/ / / /, / '1 7 4

[Я,1 (ЛИ, ]

32

24

16

300 . 400

500

600

700

800 Г,, К

графика (рис. 22) видно, что с увеличением степени диссоциации аммиака его оптимальная температура, при которой достигается максимальная эффективность очистки ОГ от N0 существенно уменьшается. Так при мольном отношении [Нг] = 2, что соответствует степени д иссоциации аммиака 50%, ввод водородо-аммиачной смеси с таким отношением в поток ОГ сдвигает эту оптимальную температуру в область более низких температур примерно на 300°.

Как показывают приведенные экспериментальные данные, с увеличением степени диссоциации аммиака предельные значения эффективности очистки ОГ от ЫОх в оптимальных точках кривых уменьшаются, что хорошо подтверждается и расчетными данными. Этот эффект объясняется тем, что с увеличением степени диссоциации аммиака растет доля относительной мольной концентрация [Я2] по сравнению с долями относительных мольных концентраций нестабильных радикалов ([М/], [М/2] и [Я]) в диссоциированной смеси аммиака, вносящих заметный вклад в эффективность очистки ОГ от ЫОх. То есть равновесие реакции диссоциации смещается в сторону ПС.

Известно, что стационарные катализаторы отравляются содержащимися в ОГ примесями: свинцом, серой и фосфором. Они также истираются частицами сажи, пыли и окалины, поэтому их ресурс ограничен.

Альтернативой стационарным катализаторам может служил, летящий катализатор, который всегда остается чистым, так как не успевает отравиться за время присутствия в выхлопном тракте энергоустановки.

Разработка способа очистки ОГ от ГВВ с использованием летящего катализатора стала возможной благодаря замечательным свойствам карбонилов, которые в нормальных условиях являются жидкостями, а при нагреве до 200...220 С диссоциируют с образованием твердой фазы в виде очень мелких частиц химически чистых переходных металлов {СО, А7, Ре) и газовой фазы СО. Размер частиц зависит

[коу [ЛЮ]„ 0,8

0,6 0,4 0,2

\ ч \ фУОО-жясркют (419); -расчет.

N \ \ уХ \ ч \ » з - [/771-1.5; 4-(ЙЛ-2,0.

ч \ V \м

\ /

[Л"01и - 300 рр»я; ГМЛ1, /

700 800 900 1000 1100 1200 ПООГ^.К

Рис.22

от качества распыла. Активность такого катализатора очень высокая. Размер его поверхности при заданном расходе кар-бонила зависит от размера частиц.

Схема устройства, в котором реализуется предложенный способ очистки ОГ от ГВВ (М?г, СО и СХНУ ), приведена на рис. 23. Новизна этого способа подтверждена патентом РФ на изобретение № 2052139.

На рис. 24. приведены эволюционные характеристики эффективности конверсии N0 аммиаком на поверхности различных летящих катализаторов. Видно, что уже через 2.. .3 мс

Erl

f-

if

Рис.23

эффективность очистки ОГог N0 до достигает порядка 90%.

_____Такой способ очистки может

А[№)

1т„

•100%

40

20

[NH,]S22ppiK lNO\,*H\ppiK ОАО-зхакриыагг arropa; О -22; Д -23; □ -24; 22-0,(03),, £ .400 С; 23-F4C0),. С »400 С; 24-»(СО),, =350 С.

5 Г, мс

успешно применяться для высокоскоростных потоков, например в эжекторе испытательного стенда ВРД.

Далее рассмотрим способы очистки ОГ энергоустановок от ТЧ

Предложен способ очистки ОГ от ТЧ с автоматической регенерацией фильтрующего элемента (ФЭ) в соответствии с патентом РФ №2076215.

Рис. 24 Эшг способ отличается от известных

способов тем, что дозирование расходов топлива и дополнительного воздуха осуществляют по закону наиболее экономичной регенерации ФЭ из условия поддержания заданной температуры ФЭ, контролируя, чтобы концентрация молекулярного кислорода в ОГ были не ниже 12%.

Из анализа результатов экспериментального исследования процесса регенерации ФЭ, было установлено, что воспламенение смеси топлива и воздуха (TBC), образованной в КС после смешения топлива и ОГ, возможно только при мольной

концентрации СЬ. в ОГ не ниже 12%, которой соответствует нагрузка на двигатель не более 65-70% (см. графики на рис. 25).

22 20 /8

ю ° 16

<м

О

«—4

14 <2 10 8 6

а)

58

ТТЛ 777,

о - п.,% 29

□ -48,1 д -62,6 77 0-100

0 20 40 60 60 100 Мс1,%

0 20 40 _60 60 100 Я,

V

/о

>и 9

ПТГтт^С^ттТК" |А

Рис.25

Был также предложен ФЭ с петлевым движением ОГ в нем (рис. 26), который может применяться при небольшой скорости движения ОГ. Новизна этого ФЭ под тверждена патентом РФ на изобретение №2094623.

Петлевое движение ОГ образуется путем размещения между проницаемыми пластинами двух непроницаемых пластин для транспортировки ОГ в конец канала. Это позволило изменить профиль скорости во входных каналах с конической формы, при которой сажа накапливалась в тупике Рис.26 канала при нулевой скорости движения

ОГ, на симметричную форму, при которой сажа могла бы начать накапливаться по середине канала. Однако этому препятствует непостоянство режима работы двигателя. Поэтому область канала с нулевой скоростью практически отсутствует. Время регенерации ФЭ при такой схеме движения ОГ уменьшается как минимум в 2 раза.

Экспериментальные данные, подтверждающие высокую работоспособность ФЭ с петлевым движением ОГ в нем, показаны на графиках (рис. 27а,б).

Д Р* ЮПа 2.5

20

',5

'.О

0,5

а) (

Л= 100% ы 1

? ! 1

> 1 5

1 м у | > {

и у с Г

рл 6000

5000

4000

2000

5 4

2000 1000 о

6)

пчоо7.

ч /

1 И — /

О 20 40 60 ваМнр'А

5 6 7 8 9 (О « 12

Время, час

Рис.27

На этих графиках кружочки относятся к обычному ФЭ, а треугольнички - к ФЭ с петлевым движением в нем ОГ. Из графиков (рис. 27а) ввдно, что после первого забивания обычного ФЭ, которое длиться 4,5 часа, последующие периоды забивания уменьшаются в 3-3,5 раза. Это свидетельствует о том, что только 25-30% поверхности ФЭ было подвергнуто регенерации. В новом ФЭ с петлевым движением в нем ОГ все периоды забивания равны, а время регенерации, примерно, в 2 раза меньше. Установка в выходных каналах пластин с каталитическим покрытием их поверхностей позволяет в несколько раз уменьшить концентрации СО и СХНУ (см. графики на рис. 276).

Теперь рассмотрим комбинированные способы очистки ОГ от ГВВ и ТЧ На рис. 28 показана схема устройства, в котором реализуется комбинированный способ очистки ОГ от ГВВ и ТЧ. Новизна этого способа очистки подтверждена патентом РФ на изобретение № 2064595. В этом устройстве ФЭ, который имеет автоматическую систему регенерации, обеспечивает очистку ОГ от ТЧ, а регулируемая подача карбонилов - уменьшение концентрации СО и СХНУ. Отработанный летящий катализатор улавливается специальной системой. Эта система функционирует до температуры ОГ, не превышающей точку Кюри.

о

бЧГ

Автором предложен также комбинированный способ очистки ОГотТЧ в соответствии с патентом РФ № 2053383, в котором не применяется ФЭ.

Ранее было установлено экспериментально Неджели, Доджом и Мозесом, что наиболее важным параметром, определяющим тенденцию топлива к образованию сажи, является количественное содержание водорода в топливе. Рис. 28 Чтобы показать, что именно количе-

ство водорода в топливе оказывает главное воздействие на размер эмиссии сажи в ОГ, а не молекулярная структура топлива, Баром были проведены прямые эксперименты, в процессе которых сжигались не различные топлива, а одно и то же топливо №-4, разбавленное органическим растворителем Р 2040. В результате такого

разбавления количество водорода в топливе ЛМ постепенно снижалось со значения 14,6 %, свойственного легким топливам, до значения 11,5%, свойственного тяжелым топливам. Данные этого эксперимента на графике (рис. 29) показаны квадратиками. При этом число дымносга увеличивается примерно в 2 раза.

В предлагаемом способе обеспечение минимального количества СЧ в ОГ независимо от типа углеводородного топлива, достигается путем регулируемого ввода в поток Рис. 29 ОГ водородосодержащих веществ, в качестве

которых использовался водород, поддерживая концентрацию водорода в ОГ на уровне примерно 14,5... 15 % от расхода топлива. Экспериментальные данные автора на графике показаны кружочками. Совпадение экспериментальных данных

Число

дьшносги

80 26 25 '

60 X,

40

□ О экспериментальные

данные;

20 □ - топлию 1Р-4+ Р 2040 [43?];

О - ОГ + ШИЭб].

12

13

14 —^100%

От

полное, однако необходимо отметить принципиальное различие полученных результатов. Оно состоит в том, что снижение содержания сажи в ОГ по данным автора получено путем увеличения концентрации водорода в ОГ, а не в топливе. Это означает, что предложенный способ можно использовать для эффективной борьбы с выбросами сажи, образующейся при сжигании низкосортных топлив любого агрегатного состояния (жидкого, газообразного или твердого), на выходе из энергоустановок без применения ФЭ, не вмешиваясь в трудно организуемый процесс сжигания топлив в КС.

Был разработан способ смешения жидкости и газа с использованием проницаемого элемента, изготовленного из пористого металла (см. решение о выдаче патент РФ на изобретение по заявке № 96110362). Эшг способ может применяться для предварительной подготовки ТВС.

Наконец переходим к рассмотрению третьей задачи исследования, т. е. к анализу созданных опытных образцов устройств очистки (глава 5).

Мы уже говорили, что главным направлением реализации воздиж полученных результатов был выбран автотранспорт, который оказывает наиболее пагубное влияние на воздушную среду обитания человека В этой связи автором разработаны и созданы опытные образцы устройств очистки ОГ от ВВ, которые охватывают все типы автомобилей:

• сажевые фильтры-нейтрализаторы с автоматической регенерацией ФЭ для городских автобусов и грузовых автомобилей, оборудованных дизельными двигателями;

• устройства ускоренного разогрева катализатора д ля грузовых

Рис. 30 и легковых автомобилей.

Было разработано три модификации СФН. Первые две модификации СФН были представлены соответственно на 1-ом и 2-ом Российских международных автосалонах в Москве «АВТОСАЛО-93» и «АВТОСАЛОН-95».

На рис. 30 приведена схема последней модификации СФН. Этот СФН выполнен с кольцевой КС. В промежутке между КС и ФЭ установлен выравниватель потока ОГ. ФЭ выполнен по петлевой схеме движения ОГ в нем (см. рис. 26). Следует подчеркнуть, что в этом СФН реализован новый способ очистки ОГ от сажи, который отличается от упоминавшегося ранее тем, что, кроме перепада давления АР, измеряется перепад температуры ОГДГна ФЭ. Неудобство использования АР состоит в том, что после очередной регенерации растет остаточный перепад давления на ФЭ, который должен учитываться блоком управления. А Т после завершения регенерации ФЭ всегда равно нулю. Гидравлические характеристики ФЭ на режимах забивания и регенерации и экологические характеристики СФН были приведены ранее.

Анализируя характеристики ДИЗ можно видел», что на режимах запуска и холостого хода (XX) имеют место основные выбросы СОиСхНу. В условиях

уличного движения автомобиля на режимах XX двигатель работает более 30% от всего времени его работы. ОГ на этих режимах характеризуются, кроме больших концентраций СО и Сх Н , отсутствием кислорода в их составе, а также низкими температурами, из-за чего протекание реакций окисления СО и СхНу оказывается невозможным.

Используя способ очистки ОГ от ГВВ, при котором обеспечивается ускоренный (в течение нескольких секунд) разогрев катализатора до температуры зажигания (-450 С) и поддержание ее на режимах XX, а также ввод дополнительного воздуха в поток ОГ до поступления ОГ на катализатор, можно снизить выбросы СО и Сх Ну в атмосферу города на -80 - 85%.

Фирмой «ФОРД» совместно с Кембриджским университетом была предпринята попытка создания такого устройства. В устройстве фирмы «ФОРД» катализатор нагревается с помощью ОГ, которые, в свою очередь, подогреваются до поступления на катализатор за счет сжигания дополнительного топлива.

Анализ показал, что возможен иной подход в способе сжигания топлива, обеспечивающего более экономичное его расходование и низкий уровень поддержа-

ния температуры ОГ перед нейтрализатором.

Поэтому были разработаны два устройства ускоренного разогрева катализаторов, в котором реализованы более экономичные способы сжигания топлива.

Первое представляет собой 3-х ходовой Н с ускоренным разогревом катализатора для грузовых автомобилей.

Топлибо — Схема 3-х ходового

нейтрализатора ОГ ДИЗ показана на рис. 31.

Он содержит собственно нейтрализатор, выполненный в виде пластин с нанесенными на их поверхности катализаторами, и систему разогрева катализатора, Рис. 31 которая включает камеру сго-

рания 3, искровую свечу 4 зажигания, низкотемпературный тракт подвода сжатого воздуха и высокотемпературный тракт отвода продуктов сгорания для нагрева катализаторов конверсии ЫОх, СО и СХНУ. Кроме того, нейтрализатор содержит систему хранения, регулирования и подачи ХАВ, примерно такую же, как рассмотренную выше в СФН (см. рис.30).

Экономия топлива в этом нейтрализаторе достигается за счет того, что нагреву до заданной температуры подвергается не весь поток, как в устройстве фирмы «ФОРД», а только пластины. Причем дополнительная экономия топлива достигается благодаря тому, что можно нагревать пластины до различных температур, дросселируя расход ОГ от КС в каждую секцию отдельно.

Экологические характеристики этого нейтрализатора были приведены ранее.

Второе устройство представляет собой нейтрализатор с ускоренным разогревом катализатора для легковых автомобилей.

Принципиальная схема этого нейтрализатора показана на рис. 32.

Устройство содержит, кроме нейтрализатора, КС со свечей, эжектор, магистраль подачи топлива от бака, две магистрали подачи воздуха в КС с помощью вентилятора В1 и электродвигателя ЭД1 и две магистрали подачи воздуха в эжектор с помощью компрессора КР и электродвигателя ЭД^ карбюратор, камеру смешения и

электронную систему управления.

В КС сжигается при ав = 1 и давлении, превышающем давление в потоке ОГ, такое количество TBC, которое необходимо для поддержания температуры ОГ перед нейтрализатором -450 С с учетом подмешивания воздуха от эжектора. Применение эжектора позволяет примерно в 2,5 раза снизить затраты на привод компрессора. Такая схема позволяет получить любую заданную температуру перед нейтрализатором при коэффициенте избытка воздуха ав -1,15... 1,2.

Зависимости погребной мощ-Рис. 32 ности на привод компрессора от степени

повышения давления и расхода воздуха для степени эжекции 1,4 приведены на графиках (рис. 33).

В заключение отметим, что результаты диссертационной работы внедрены на трех предприятиях и получены акты о внедрении.

1,0 1,4 1,8 2,2 2,6 3,0 п\ 0 1,0 2,0 3,0 4,0 GB,г/с Рис. 33

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Экспериментальные исследования и анализ результатов расчета процессов диффузионного горения водородо-воздушной смеси показали, что для получения достоверных данных о характеристиках самовоспламенения топливо-воздушной смеси необходимо применять такие кинетические механизмы реакций, которые обеспечивают полный учет элементарных стадий, служащих источниками и стоками свободных радикалов, таких как Н, О и ОН.

Достоверное описание процесса воспламенения топливо-воздушной смеси с помощью укороченного механизма реакций, вместо полного, возможно только в том случае, если в системе предусмотрены внешние источники зажигания или заранее известно, что самовоспламенение должно произойти быстро.

2. Из анализа результатов численного исследования вязкого взаимодействия одиночной струи воздуха и сносящего турбулентного потока газа было установлено, что причиной значительных отклонений характеристик струи, рассчитанных с помощью метода конечных разностей при достаточно большом измельчении сетки, от экспериментальных была не упрощенная изотропная модель турбулентности, как считалось ранее Ивенсом и Шекснайде-ром, а потеря вычислительной устойчивости принятой разностной схемы Кранка-Николсона. Следовательно, при расчете турбулентных течений с большими числами Рейнольдса целесообразно применять улучшенный спектральный метод, так как при существенном измельчении сетки устойчивость вычислительного процесса в этом методе растет, а в методе конечных разностей падает.

3. Сравнение результатов расчета характеристик турбулентного течения реагирующих газов с имеющимися экспериментальными характеристиками показало, что улучшенный спектральный метод, который представляет собой качественную модификацию метода Галеркина, позволяет достигнуть той же точности решения, что и метод конечных разностей, но на значительно более грубых сетках и при отсутствии эффекта Гиббса, что существенно сокращает время расчета. Причем максимальные преимущества улучшенного спектрального метода по сравнению с методом конечных разностей в экономичности достигаются в тех случаях, когда расчет турбулентного течения реагирующего газа ведется с использованием полных кинетических механизмов с целью определения эмиссии вредных веществ.

4. Численное исследование смешения неизогермической струи продуктов сгорания ВРД со с путным потоком воздуха в эжекторе испытательного стенда показало, что в первой ступени эжектора не достигается снижение концентрации СО до уровня ПДК. Для получения желаемого результата необходимо произвести дожигание СО либо в начальном участке

вблизи оси струи, где температура продуктов сгорания достаточно высокая, за счет впрыска дополнительного воздуха или других веществ, например воды, либо в основном участке на периферии струи путем повышения температуры потока за счет впрыска и сжигания дополнительного топлива

5. Установлено экспериментально и обосновано автором теоретически, что максимальную эффективность очистки продуктов сгорания двигателей летательных аппаратов от газообразных вредных веществ путем ввода химически активных веществ в поток продуктов сгорания при значительном изменении температуры последних, вызванном изменением режимов работы двигателей, можно получить только в том случае, если в каждый момент времени поддерживать примерное равенство действительной температуры продуктов сгорания и оптимальной температуры химически активных веществ с помощью предложенных способов. В соответствии с этими способами подстраивают либо оптимальную температуру химически активных веществ под действительную температуру продуктов сгорания путем ввода в поток продуктов сгорания дополнительных химически активных веществ, либо температуру потока под оптимальную температуру химически активных веществ путем охлаждения или нагрева потока

6. Поскольку разработанный автором способ очистки отработавших газов энергоустановок с разделением процессов предварительной диссоциации химически активных веществ и конверсии N0, в пространстве и во времени без использования катализатора обеспечивает в низкотемпературной области такую же эффективность очистки, как и обычные каталитические способы, то можно утверждать, что его применение при создании экологически чистых энергоустановок может принести существенные экономические выгоды.

Этот способ позволяет также без потери эффективности очистки уменьшить в отработавших газах практически до нуля остаточную концентрацию исходных химически активных веществ, которые, как правило, также являются токсичными.

7. Экспериментальные исследования показали, что фазовый переход карбонилов при их диссоциации не сопровождается заметным увеличением гидравлического сопротивления потока продуктов сгорания. Поэтому разработанный способ очистки путем ввода в поток карбонилов на базе переходных металлов следует применять для обеспечения эффективной очистки высокоскоростных газовых потоков от вредных веществ, например для очистки продуктов сгорания ВРД от СО и СхНу в эжекторе испытательного стенда Из трех

исследованных карбонилов наиболее подходящим для практического использования можно считать карбонил на базе железа, так как этот карбонил наиболее дешевый, точка Кюри для железа достаточно высокая (756 С), а само железо практически безопасно.

8. Учитывая, что при испытаниях двигателей летательных аппаратов очистка про-

дуктов сгорания от твердых частиц с помощью механических фильтров невозможна, рекомендовано применять в этих случаях разработанный автором способ очистки путем ввода в поток продуктов сгорания водорода.

Не менее эффективным может стать его применение в стационарных энергоустановках при сжигании твердых топлив и жидких топлив типа мазута на выходе из энергоустановок, не вмешиваясь в трудно организуемый процесс сжигания топлива в камере сгорания.

9. Разработанные автором устройства очистки продуктов сгорания двигателей летательных аппаратов от вредных веществ могут успешно применяться для эффективной очистки отработавших газов от вредных веществ в стационарных энергоустановках и в автотранспортных средствах в качестве сажевых фильтров-нейтрализаторов и нейтрализаторов.

10. Было показано, что технология регенерации фильтрующего элемента, построенная одновременно по перепаду давления и перепаду температуры газа на фильтрующем элементе, при поддержании в процессе регенерации заданной температуры фильтрующего элемента, в отличие от известных технологий, построенных только по перепаду давления, обеспечивает надежную регенерацию фильтрующего элемента и способствует увеличению как экономичности процесса регенерации, так и ресурса работы сажевого фильтра.

11. Предложено уменьшать перепад давления на фильтрующем элементе, увеличивать время его забиваемосга и уменьшать время регенерации этого элемента не путем увеличения размера его рабочей поверхности что не выгодно экономически а путем использования фильтрующего элемента, в котором реализована петлевая схема течения отработавших газов. Такой фильтрующий элемент, как показали экспериментальные исследования, позволяет, кроме того, в несколько раз увеличил, ресурс работы сажевого фильтра.

12. Надежность и устойчивость процесса сжигания топлива в камере сгорания сажевого фильтра, а также экономичность процесса регенерации фильтрующего элемента можно повысить путем применения предварительной подготовки топливовоздушной смеси с помощью пред ложенного способа смешения жидкости и газа, в котором качество смешения жидкости и газа обеспечивается поддержанием равенства давлений смешиваемых компонентов на входе в проницаемый элемент, а надежность работы проницаемого элемента - поддержанием фазового состояния жидкости.

13. Разработаны устройства ускоренного разогрева катализатора, применение которых на легковых и грузовых автомобилях, оборудованных двигателями с искровым зажиганием, позволит не только существенно снизить выбросы вредных веществ в окружающую среду за счет расширения режимов эффективной работы нейтрализатора, но и провести процессы очистки с минимальными экономическими затратами.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Приложение теории гармонического анализа к аппроксимированию кривых, образующих профили лопаток турбин // Авиационная промышленность. 1973. № 6. С. 22-24.

2. Теоретическое и экспериментальное исследование вдува воздуха в воздушный поток в криволинейном канале //Отчет о НИР по теме №0881 /МАИ. М. 1974.180 с.

3. Исследование гидравлического сопротивления тракта охлаждения дефлекторных лопаток газовых турбин (Емин О. Н., Шебакпольский Ф. Я.) // Теплоэнергетика 1975. № 4. С. 82-85.

4. Исследование характеристик сопловой решетки высокотемпературной турбины с выпуском воздуха в области входной кромки (к задаче пленочного охлаждения) // Отчет о НИР по теме № 0881 / МАИ. М. 1975.103 с.

5. Тезисы доклада по спецтеме на Всесоюзной научно-технической конференции «Современные проблемы двигателей и энергетических установок летательных аппаратов». М.: Изд-во МАИ. 1976.

6. Экспериментальное исследование газодинамических характеристик сопловой решетки с выдувом воздуха на поверхность лопаток (Емин О. Н., Шварцман П. И.) // ИВУЗ «Авиационная техника». 1978. № 3. С. 46-53.

7. Определение основных параметров газотурбинной установки на расчетном режиме с использованием ЭВМ (Барский П. А., Евтеев И. В.) // Учебное пособие. М.: Изд-во МГУ им. П. Лумумбы. 1981.64 с.

8. К вопросу огтгамизации турбин (Крылов Б. А.) // Тезисы доклада на Всесоюзной межвузовской конференции «Газотурбинные и комбинированные установки». М.: Изд-во МВТУ. 1983.

9. Метод определения результирующих характеристик агрегата при последовательном соединении компрессоров // Тезисы доклада на Всесоюзной межвузовской конференции «Газотурбинные и комбинированные установки». М.: Изд-во МВТУ. 1983.

10. К вопросу восстановления функций, описывающих профили лопаток турбомашин методом Фурье // Тезисы доклада на 8-ых тучных чтениях, посвященных разработке научного наследия и развитию идей Ф. А. Цандера. Харьков: Изд-во ХАИ. 1983.

11. Теоретическое и экспериментальное исследование токсичности стенда по испытанию ВРД // Отчет о НИР по теме № 1874 / МАИ. М. 1984.238 с.

12. Математическое моделирование релаксационных процессов подавления окислов вота и углерода в турбинах ГТД водо-воздушной охлаждающей смесью//Рабочие процессы г воздушно-реактивных двигателях: Тем. сб. науч. тр. / MAR М.: Изд-во МАИ. 1985. С. 61- 67.

13. Теоретическое и экспериментальное исследование токсичности стенда по испытанию ВРД // Отчет о НИР по теме № 1874/МАИ.М. 1985.130 с.

14. Построение равномерно сходящихся рядов Фурье для сеточных функций // Некоторые задачи и методы исследования динамики механических систем: Тем. сб. науч. тр. / МАИ. М.: Изд-во МАИ. 1985. С. 68-75.

15. Восстановление функций, использующихся в теории и расчетах авиационных ГТД, методом Фурье // Исследование рабочего процесса, характеристик ВРД и их лопаточных машин: Тем. сб. науч. тр. / МАИ. М.: Изд-во МАИ. 1985. С. 66-71.

16. Математическое моделирование релаксационных процессов синтеза окислов азота и углерода три взаимодействии выхлопной струи ВРД со с путным потоком // Струйные течения в элементах авиационных двигателей: Тем. сб. науч. тр. / МАИ. М.: Изд-во МАИ. 1985. С. 61-67.

17. Каталитический реактор (Гаврилов JL И., Литвинова М. В. и др.) // Авт св. СССР № 1327951. Бюл. №29.1987.

18. Математическое моделирование процессов тепло-массообмена применительно к задачам создания авиационных двигателей // Огчет о НИР по теме № 25420 (этап № 2) / МАИ. М. 1987.77 с.

19. Пакет прикладных программ «АСОИ» // Информационный листок о начно-техни-ческом достижении № 88-2983. М.: Изд-во ВИМИ. 1988.

20. Метод построения гармонических рядов Фурье (Крылов Б. А.) // Газовая динамика элементов ВРД: Тем. сб. науч. тр. / МАИ. М.: Изд-во МАИ. 1988. С. 69 - 75.

21. Математическое моделирование процессов тепло-массообмена применительно к задачам создания авиационных двигателей // Отчет о НИР по теме № 25420 (этап № 3, № 4) / МАИ.М. 1988.109 с.

22. Расчет траектории плоской струи в сносящем потоке, ограниченном круговым каналом И Методы математической физики и задачи механики сплошной среды: Тем. сб. науч. тр. / МАИ. М: Изд-во МАИ. 1988. С. 33-40.

23. Способ очистки отработавших газов // Авт. св. СССР на изобретение № 1719673.

1989.

24. Пакет прикладных программ «АСОИ» // Информационный листок № 19-89. М: Изд-во МосгорЦНТИ. 1989.

25. Метод Фурье в задачах газодинамики // Газовая динамика лопаточных машин и других элементов ВРД: Тем. сб. науч. тр. / МАИ. М.: Изд-во МАИ. 1989. С. 35 -41.

26. К вопросу восстановления функций, описывающих профили лопаток турбомашин, методом Фурье// Труды восьмых чтений, посвященных разработке научного наследия и раз-

витию идей Ф. А. Цандера М.: Изд-во ИИЕТ АН СССР. 1989. С. 58 -63.

27. Способ очистки отработавших газов от вредных веществ // Патент РФ на изобретение №2053383.1989.

28. Приложение метода Фурье к расчету отрывных течений // Тезисы доклада на Межвузовской конференции «Математические проблемы аэрогидродинамики». М.: Изд-во МАИ. 1989.

29. Спектральный метод решения дифференциальных уравнений // Тезисы доклада на Всесоюзной конференции «Математическое моделирование и экспериментальные исследования физико-химических процессов в сплошных средах». Пос. Рыбачий Крымской обл. 1989. Харьков: Изд-во ХАИ. 1989.

30. Метод Фурье в задачах математического моделирования геометрических поверхностей // Методы конструирования новых форм поверхностей и их модификации: Тем. сб. науч. тр. / МАИ. М.: Изд-во МАИ. 1990. С. 73 - 77.

31. Разработка макета устройства очистки отработавших газов дизелей от Ж)х путем ввода химически активных веществ // Отчет о НИР / НИИ «ЭКОЛОГИЯ». М 1990.95 с.

32. Организация тепловой защиты теплонапряженных элементов устройства очистки отработавших газов ДВС от вредных веществ и ее математическое моделирование (Совершенный В. Д) // Тезисы доклада на П Республиканской конференции «Совершенствование теории и техники тепловой защиты энергетических устройств». Житомир. Сент. 1990. Киев: Изд-во НТК "ИТГФ" АН УССР. 1990. С. 88 - 89.

33. Математическое моделирование и численный расчет процессов образования вредных веществ при горении углеводородных топлив // Тезисы доклада на Всесоюзной конференции «Автомобильные двигатели». М.: Изд-во МАДИ. 1990.

34. Приложение метода Фурье к решению уравнений Эйлера и Навье-Стокса // Качественные методы теории дифференциальных уравнений и их приложения: Тем. сб. науч. тр. / МАИ. М.: Изд-во МАИ. 1991. С. 62-74.

35. Аппроксимация решений дифференциальных уравнений и сходимость метода Галер кипа // Газодинамика элементов ВРД: Тем. сб. науч. тр. / МАИ. М.: Изд-во МАИ. 1991. С. 91-97.

36. Спектральный метод решения одномерных уравнений газовой динамики реагирующих сред // Некоторые задачи динамики механических систем: Тем. сб. науч. тр. / МАИ. М.: Изд-во МАИ. 1991. С. 67-77.

37. Решение задач теплообмена спектральным методом Фурье // Тепло - и массообмен в двигателях летательных аппаратов: Тем. сб. науч. тр./МАИ. М.: Изд-во МАИ. 1991. с. 61-70.

38. Устройство для очистки отработавших газов от вредных веществ //Патент РФ на

изобретение № 1710793. Бюл. № 5.1992.

39. Способ очистки отработавших газов // Патент РФ на изобретение № 1749502. Бюл. №27.1992.

40. Экологически чистый дизель для города. // Экология городов: Инф. сб. Секция «Экология города». М:Изд-воСРП 1993. С. 52-55.

41. Способ каталитической очистки отработавших газов И Патент РФ на изобретение №2049242. Бюл. №33.1995.

42. Способ очистки запыленных отработавших газов от вредных веществ // Патент РФ на изобретение№ 2052139. Бюл. № 1.1996.

43. Способ очистки отработавших газов от окислов азота // Патент РФ на изобретение №2062140. Бюл. № 17.1996,

44. Способ очистки отработавших газов от твердых частиц // Патент РФ на изобретение № 2070972. Бюл. № 36.1996.

45. Способ очистки отработавших газов от твердых частиц и газообразных вредных веществ//Патент РФ на изобретение №2064595. Бюл. №21.1996.

46. Способ смешивания жидкости и газа // Решение от27.06.97 г. о выдаче патента РФ на изобретение по заявке № 96110362.1996.

47. Способ очистки отработавших газов дизельных двигателей от твердых частиц // Патент РФ на изобретение № 2076215. Бюл. № 9.1997.

48. Фильтрующий элемент с петлевым движением отработавших газов // Патент РФ на изобретение № 2094623. Бюл. № 30.1997.

I