автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Развитие методов численного моделирования процессов в камерах сгорания тепловых двигателей и энергоустановок

На правах рукописи

Демин Алексей Владимирович

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ЭНЕРГОУСТАНОВОК

05.07.05 - тепхивые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов 05.04.02 - тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Казань 2002

Работа выполнена в Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева

Научный консультант - доктор технических наук, профессор

Наумов Вячеслав Игоревич >

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Козлов Александр Александрович

доктор физико-математических наук, профессор Киреев Владимир Иванович

доктор технических наук, профессор Костерин Валентин Александрович

Ведущая организация - ФГУП «Конструкторское бюро химической

автоматики», г. Воронеж

Защита состоится 3!2002 г. в ч. на заседании диссертационного совета Д 212.079.02 в Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева по адресу: 420111, г. Казань, ул. К.Маркса, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева

Автореферат разослан 25 сентября 2002 г.

Ученый секретарь _

диссертационного советаА.Г. Каримова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Разработка ресурсосберегающих технологий сжигания топлив, повышение требований « надежности конструкций и увеличению их ресурса, снижение выбросов вредных и загрязняющих соединений в продуктах сгорания, получение оптимальных показателей рабочих процессов, повышение степени их завершенности приводит к необходимости теоретического анализа процессов, связанных с преобразованием энергии топлива в камерах сгорания (КС) тепловых двигателей (ТД) и энергоустановок (ЭУ).

Эффективным методом исследования рабочего процесса в КС является численное моделирование. Модели рабочих процессов широко ^Лтользуются для интерпретации измерений, оценки новых идей, исследования работоспособности двигателей и энергоустановок в области экстремальных режимных параметров, расширения представлений о протекании процессов, поиска новых и совершенствовании известных способов организации горения с целью достижения максимальных энергетических показателей при снижении вредных выбросов в окружающую среду. .

В настоящее время невозможно эффективно совершенствовать КС без детального представления химии горения, это приводит к необходимости создания моделей, учитывающих тепломассообмен и кинетику реакций. Разнообразие способов организации горения обуславливает необходимость создания базовых моделей, на основе которых могут быть оперативно сформированы комплексные модели для конкретных технических устройств. Важное значение имеет взаимосогласованность уровней детализации описания отдельных физико-химических процессов, составляющих рабочий процесс в целом. Применение топливных композиций, имеющих различный элементный состав, приводит к необходимости создания моделей, инвариантных относительно набора веществ и кинетического механизма. В определенной степени развитие моделей сдерживается недостатком

«Ьежных кинетических данных, например, для моделирования горения ожных углеводородных соединений, образования и разложения токсичных веществ, горения альтернативных топлив и т.д.

Непрерывно возрастающие требования к адекватности физических схем и математических моделей реальным процессам, необходимость решение множества задач при создании высокоэффективных ТД и ЭУ определяют высокую актуальность проблемы дальнейшего развития методов численного моделирования процессов в камерах сгорания.

Развитие методов численного моделирования процессов в КС на основе учета взаимосвязанных явлений тепломассообмена и кинетики горения. Развитие базового математического обеспечения, программная реализация методов расчета, разработка схем рабочих процессов и формирование, включая использование базового математического обеспечения, моделей и программ для численного исследования процессов в реальных КС различного назначения.

Научная новизна. '

1. Развитие подхода для моделирования реагирующих течений в камерах сгорания ТД и ЭУ, основанного на комплексном учете взаимосвязанных аэротермохимических явлений, составляющих рабочий процесс в целом. Основным отличием является детализация учац^ь тепломассообмена при неоднородности распределения параметр1^ состояния рабочего тела по объему КС.

2. Развитие принципов моделирования малоизученных сложных реагирующих сред. Дано обоснование подходов к представлению данных по многокомпонентным углеводородным горючим и формированию кинетических схем горения исходных компонентов, преобразования продуктов сгорания, образования токсичных соединений, образования и выгорания сажевых частиц. Разработана методика оценки скорости распространения ламинарного пламени в перемешанных смесях; методика основана на тепловой модели и представлении скорости распространения пламени как непрерывной функции времени химического преобразования исходных реагентов и продуктов горения, при определенных концентрациях которых значение функции соответствует действительной скорости распространения пламени.

3. Разработана комплексная математическая модель, алгоритм решения и программный комплекс для расчета реагирующего газожидкостного течения с учетом испарения капель многокомпонентной жидкости и наличии зон рециркуляции. Получены численные значения параметров продуктов сгорания для реальной конструкции КС, входящей в состав парогазогенераторной установки. Изучено влияние и определеа^ь диапазоны изменения режимных и конструкционных факторов, пр^Р которых сохраняются устойчивость развития горения и завершенность рабочего процесса в цел<эм.;

4. Для реальной КС, входящей в состав теплогенерирующей установки, получены численные значения параметров продуктов сгорания, в том числе при изменении соотношения горючего и окислителя, времени пребывания рабочего тела в объеме КС, при смешении продуктов сгорания с избыточным воздухом. Получены данные по содержанию токсичных

веществ (N0, СО, несгоревшие углеводороды) при различных условиях протекания рабочего процесса в КС.

5. Усовершенствована двухзонная модель процесса сгорания топливовоздушной смеси в ДВС с искровым зажиганием, отличающаяся учетом кинетики в зонах сгоревшей и несгоревшей смеси. Предложена методика расчета ионного тока (при использовелии свечи зажигания в качестве датчика для контроля развития горения) в продуктах сгорания, обусловленного процессами химической и термической ионизации. Получены для реальных ДВС численные данные, показывающие взаимосвязь явлений химической и термической ионизации с развитием горения и содержанием токсичных веществ (N0) в продуктах сгорания.

• Достоверность результатов и выводов диссертации обусловлена именением при разработке моделей фундаментальных положений теорий высокотемпературных, процессов, химической термодинамики, химической кинетики, темпломассообмена, а также подтверждена сравнением численных результатов с известными опубликованными экспериментальными данными и результатами измерений параметров продуктов сгорания в исследуемых КС.

Практическая ценность.

Созданное математическое и программное обеспечение, результаты численных исследований использованы при разработке, оптимизации режимных и конструкционных параметров, снижения токсичности продуктов сгорания КС, .входящих в состав парогазогенераторной и теплогенерирующей установок, созданных в КГТУ им.А.Н.Туполева и применяемых в следующих организациях: АО Татнефть, АО Коминефть, РАО Газпром, Пермырансгаз, Волгатрансгаз и др.

Базовое математическое и программное обеспечение, модели и методы расчета рабочих процессов могут найти применение при проектировании,..усовершенствовании КС и газогенераторов ЖРД,' КС ^М'Д, ДВС, ЭУ. Результаты, полученные при выполнении исследований ^^Гя ДВС, могут быть использованы при создании перспективных систем контроля горения и управления работой двигателя.

Материалы работы используются в учебном процессе в КГТУ им.А.Н.Туполева в лекциях по курсу «Математическое моделирование высокотемпературных процессов», а также при курсовом и дипломном проектировании.

1. Результаты работы по развитию и усовершенствованию базового математического обеспечения для расчета процессов в КС ТД и ЭУ.

2. Результаты работы по моделированию сложных реагирующих

сред.

3. Результаты по моделированию и численному исследованию, направленных на изучение и совершенствование организации рабочих процессов в реальных КС • с целью наибольшей эффективности преобразования энергии сжигаемого топлива и повышения экологических характеристик рабочих тел.

работа, отдельные ее разделы .и результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах:

- Научно-техническая конференция по итогам работы за 1992- мъ 1993г."НИЧ-50лет". Казань, КГТУ, 1994. Щ

- Международная НТК "Актуальные проблемы математического моделирования и автоматизированного проектирования в машиностроении" (МОДЕЛЬ-ПРОЕКТ 95). Казань: КГТУ, 1995.

- Научно-методическая конференция "Актуальные проблемы научных исследований и высшего профессионального образования". Казань, 1997.

- 2-й Международный симпозиум по энергетике, окружающей среде и экономике. Казань, 1998.

- Всероссийская научная конференция "Тепловые двигатели в XXI веке: фундаментальные проблемы теории и технологии", Казань, 1999.

- Научно-практическая конференция "Перспективы развития автомобилей и двигателей в Республике Татарстан", Наб.Челны, 1999.

- Научно-практическая конференция "Энергосбережение в химической технологии 2000", Казань, 2000.

- II Международная научно-практическая конференция "Автомобиль и техносфера" 1СATS'2001, Казань, 2001.

- CESA'96 IMACS • Multiconference (Computational Engineering in Sistems Application). Lille - France, July 9-12, 1996. ^^

- VI CONGRESO LATIOAMERICANO DE TRANSFERENCIA DE Щ CALOR Y MATERIA. Santa Catarina - Brazil, November 11-14,1996.

- CONFERENCE ON ENVIRONMETRICS IN BRAZIL, SAO PAULO, July 22-26,1996.

- SAE 2002 World Congress, Detroit, USA, March 2002.

Основные результаты работы отражены в 3 ] публикации, включая 1 монографию.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 6 глав, изложена на 245 стр., включая 115 рисунков, 9 таблиц и список литературы из 217 наименований.

Во введении обоснована актуальность и практическая значимость работы, сформулированы цели и задачи исследования, приведен краткий обзор содержания глав диссертации.

tB первой главе рассматривается состояние проблемы,

сводится анализ теоретических методов, применяемых для численного . моделирования и исследования процессов в КС ТД и ЭУ. .

Преобразование химической энергии компонентов топлива в тепловую энергию продуктов сгорания представляет сложный комплекс взаимосвязанных высокотемпературных аэротермохимических процессов, характеризующихся изменением параметров состояния

многокомпонентного рабочего тела вследствие химических превращений, конвективного и диффузионного переносов, волновых и колебательных двюкекий.

При организации'рабочего процесса по схемам «газ+жидкость» или «жидкость+жидкость>> картина процессов, по сравнению со схемой «газ+газ», осложняется наличием внутрифазного и межфазного тепло- и массообмена, химическим взаимодействием между фазами, динамическими различиями и пространственной распределенностью фаз.

Основную сложность при моделировании реагирующих систем представляет расчет состава и свойств продуктов сгорания. Решение этой проблемы для условий химического равновесия было достигнуто с помощью универсализации методов расчета для широкого круга систем, результаты работ в этой области объединены в известном многотомном ^кравочнике «Термодинамические и теплофизические свойства продуктов ^Жэрания», ведущим автором которого является академик РАН В.Е.Алемасов.

Основой моделирования газофазных реагирующих течений является общепринятая система нестационарных уравнений в частных производных, отражающих законы сохранения массы, импульса и энергии.

Единого подхода к моделированию многофазных реагирующих систем в настоящее время не существует, но разработаны и исследованы множество вычислительных моделей различного уровня и типа при определенных упрощениях решаемых задач. Для КС ТД и ЭУ характерно

преобладание несущей газовой фазы с постепенным исчезновением дисперсной фазы при испарении и сгорании капель жидкого компонента, или образованием конденсированной фазы (например, сажевых частиц). Для рассматриваемого типа многофазных течений получили развитие и находят применение модели, условно представленные тремя категориями: во-первых, модели локально однородных потоков несущей й дисперсной фаз, находящихся, по предположению, в динамическом и термодинамическом равновесии; во-вторых, модели, учитывающие раздельное течение фаз и влияние конечных скоростей переноса между фазами; в-третьих, модели, детально описывающие процессы развития отдельных капель в различных средах.

В свою очередь, известно несколько типов моделей раздельного' течения фаз: капли рассматриваются дискретно (конечное число групп капель, капли в каждой группе имеют одинаковые свойства ¿ш характеристики); для вычисления параметров капель вводятся функцйЩ распределения, описывающие число частиц в различных диапазонах их размеров, координат, скоростей в разные моменты времени. В обоих вариантах влияние капель на газовую фазу учитывается с помощью соответствующих источниковых и стоковых членов в уравнениях газовой фазы. В рамках моделей для разделенных потоков фаз разработаны модели, основанные на приближении сплошной среды. В таких моделях при выводе уравнений сохранения массы, импульса и энергии, учитываются взаимопроникающие потоки газа и частиц, входящих и выходящих из контрольного объема.

Решение полных систем уравнений представляет определенные общеизвестные затруднения. Частные решения определяются начальными и граничными условиями, набором учитываемых химических компонентов и кинетическим механизмом. Множество прикладных задач расчета процессов горения решается в одномерной либо в двумерной постановке, рассматриваются стационарные режимы, . учитываются сравнительно простые химические механизмы, или задача решается в предположении химического равновесия. Находят широкое применение модели, основанные на разделении рабочего объема КС на несколько реакционных зон — реакторов. ^т

Ключевую роль в моделировании процессов горения име^И детализированное представление химического преобразования исходных компонентов в продукты сгорания. Достаточно хорошо изученными являются кинетические механизмы горения простых углеводородных соединений, механизмы образования Т^Ох- Сложность состава традиционных жидких углеводородных топлив обусловила недостаточность систематического описания механизмов их сгорания, что приводит к ограничениям при выполнении вычислительных экспериментов, направленных на повышение экологических

характеристик ТД и ЭУ. Основными ограничениями, которые в настоящее время не дают возможности максимально полного учета всех характеристик реальных топлив при выполнении расчетов процессов преобразования топлива в продукты сгорания, являются: недостаток достоверной информации о свойствах высокомолекулярных веществ (особенно изомеров и промежуточных соединений, участвующих в химическом процессе); недостаток надежных данных о механизмах химического взаимодействия с участием указанных соединений; ограниченные ресурсы современной, широко доступной вычислительной техники. Несмотря на то, что известны и применяются наборы химических реакций горения углеводородов, включающие сотни веществ и тысячи реакций, существует устойчивая тенденция использования при численном моделировании горения компактных кинетических схем.

Основной тенденцией развития . численного моделирования ^^¡роцессов в КС ТД и ЭУ является создание универсального математического . и программного обеспечения, построенного на модульном принципе и обладающего открытостью и гибкостью, предоставляющего пользователю возможности модификации и усовершенствования моделей и алгоритмов решения, изменения начальных и граничных условий, применения средств представления и интерпретации результатов.

Результаты анализа состояния проблемы в целом позволили обосновать основные цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе приведены общие схемы физико-химических процессов в типичных КС ТД и ЭУ (ЖРД, газогенераторы, теплогенераторы, ДВС и др.), описан принятый подход к комплексному моделированию рабочих процессов, представлена основная система уравнений, описан алгоритм решения и даны сведения о программном обеспечении.

Для большинства КС, за исключением цилиндра ДВС, характерны течения, которые с некоторыми допущениями можно рассматривать как течения с преобладающей продольной составляющей скорости газовой ^КЬазы реагирующей смеси; развитие течения сопровождается образованием ^^стойчивых зон рециркуляции и зон смешения; в рабочем объеме существуют градиенты параметров рабочего тела (концентраций компонентов смеси, температуры и др.); возможно наличие в газовом потоке дисперсной испаряющейся жидкой фазы; характерны широкие диапазоны изменения температур в различных областях течения и рабочих давлений в зависимости от назначения КС; неравновесное изменение состава в одних областях (пристеночные слои, зоны интенсивного испарения и смесеобразования) и состояние смеси, близкое к химическому равновесию, в, других областях; значительная степень

турбулизации; в локальных объемах с избытком углеводородного горючего возможно появление в продуктах сгорания конденсированных частиц сажи и др. Для процессов горения в цилиндрах ДВС характерна нестационарность й существенная неоднородность распределения параметров в различных областях (зоны сгоревшей и несгоревшей смеси, пристеночные слои), в свою очередь, выделенные области также могут иметь неоднородное распределение параметров, главным образом, из-за Неравномерного смешения Горючего и окислителя.

В Конечном итоге характер протекания процессов в КС определяет энергетические и экологические параметры конкретных ТД и ЭУ.

Одной' из особенностей моделирования высокотемпературных процессов В различных КС, является то, что при некотором изменении способа организации рабочего процесса, даже для одной и той же К(1 могут потребоваться радикальные изменения физической схемы Я математического описания, трансформации программ расчета, Поэтому для моделирования высокотемпературных процессов был принят подход, основы которого изложены в работах [1, 2], а результаты последующих работ, в том числеи по теме диссертации, обобщены в работе [3].

Модульный принцип моделирования, согласно которому базовая модель может быть дополнена частными моделями отдельных физических процессов виден из рисунка 1. В качестве базовой модели принята кинетическая многореакторная модель. Рабочий объем КС на основе предварительного анализа и с последующи» уточнением условно разделяется на ряд взаимосвязанных реакционных объемов, в которых предполагается локальная, однородность рабочего тела. Изменение состояния реагирующей смеси в каждом реакционном объеме обусловлено: конвективным и диффузионным тепло- и массообменом с граничащими объемами и внешней средой; химическим взаимодействием между компонентами газовой смеси; тепло- и массообменом между газовой фазой и дисперсной фазой; организованным массоподводом идивидуальных компонентов.

Для определения химически равновесного состава продуктов сгорания используется метод расчета и алгоритм решения [4].

1. Математическое моделирование высокотемпературных процессов 1г энергоустановках/ А.Ф.Дрегалин, И.А.Згнуков, В.Г.Кркжов, В.И.Наумов/ Под ред. В.Е,Алемасова. Казань: Изд-во Казан, ун-та, 1985.-264с.

2. Математическое моделирование высокотемпературных процессов в энергосиловых установках/В.Е.Алемасов, А.Ф.Дрегалин, В.Г.Крюков, В.И.Наумов. -М.: Наука, 1989 -256с.

3. Горение и течение в агрегатах энергоустановок: моделирование, энергетика, экология / В.Г.Кркжов, В.И.Наумов, А.В.Демин, АЛ.Абдуллин, Т.В.Тринос.-М.:"Янус-К", 1997.-304 с. --

4. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания: Справочник: В Ют. /Под#*д. В.П.Глушко.-М.: ВИНИТИ, 1971. Т. 1.-266с.

Рис, I. Структура комплексной модели.

Вывод уравнений изменения параметров газовой смеси в реакционных объемах - нестационарных реакторах идеального смешения (НРИС) - основан на законе сохранения массы и первом начале термодинамики для открытой системы с переменными массой и объемом. Предполагается, что поступающие в систему реагенты: мгновенно перемешиваются с компонентами, уже находящимися в . системе;, химическое взаимодействие подчиняется основным ■ ■. положениям химической кинетики: закону действующих масс; все превращения происходят в виде независимых друг от друга элементарных реакций, и в целом представлены совокупностью таких элементарных реакций.

Базовая математическая модель описывает изменение состава, энтальпии, температуры я массы реагирующей газовой смеси.

Уравнение изменения состава имеют вид:

+ о г

4 1

где £}*.= к} (р2 /К0ТХ ехр(-1 п]}Г\);

Г[ = -1пг?и = 1,..., пг; /, 1, д = ],..., и5; г =1,..., гг

мольная

доля г'-го вещества в реакторе; — число индивидуальных веществ; пг — число химических реакций; п2- число реакторов; пу -

стехиометрические коэффициенты в химических реакциях; Т2 -температура газа; р2 - давление газа; Л„— универсальная газовая '

постоянная; к^ -константа скорости 7-ой химической реакции;

суммарные скорости подвода i - го вещества в реактор из различнь^^ источников и отвода, соответственно. ^^

Уравнение изменения энтальпии реагирующей смеси:

¿к . + . + , а ] . " к

сЬ ¿О '

2 * Л ¿г 2 . +

где т},2 - массовый расход газа в реактор от какого-либо источника

+ -

] (внешняя среда, ближайший реактор и др.); тк,г,>"к,2 - массовый подвод

и отвод дисперсной фазы в реактор и из него, соответственно; — удельная массовая энтальпия газа в реакторе; * энтальпия

дисперсной фазы на входе и выходе из реактора, соответственно; С2 ^^ комплекс, учитывающий обмен энергией реактора с другими реакторами и

внешней средой при подводе и отводе индивидуальных веществ; dQz/c¡т-количество тепла, получаемого (теряемого) реактором в результате

теплообмена; М2 ~ масса реагирующей газовой смеси в реакторе. Уравнение температуры реагирующей смеси:

■Гг ~ Т0п

(3)

где /-Ь - молекулярная масса газа; 1?п - удельная мольная энтальпия г-го вещества, С®" ~ мольная теплоемкость /-го вещества при опорном

значении температуры Топ, ближайшем к Тг и отличающимся от нее не более, чем на 100 К.

Уравнение изменения массы реагирующей смеси

■ = + -тг, (4)

] к '

где А^ - комплекс, учитывающий особенности обмена массой реактора с другими реакторами и внешней средой при подводе (отводе)

индивидуальных веществ; тг - суммарный массовый расход газовой смеси из реактора.

Базовая модель является открытой для дополнения другими уравнениями, описывающими какие-либо процессы, характерные для конкретных КС.

В общем виде комплексная модель представляет собой систему дифференциальных и алгебраических уравнений, для интегрирования которой применяется эффективный метод конечно-разностной аппроксимации дифференциальных уравнений У.Г. Пирумова с последующим использованием схемы Ньютона. '

: Дифференциальные уравнения (1), (2), (4) представляются в виде однородных конечно-разкостных уравнений

Ь --^ = ^Й1"1 - -С1 - 1 >» = 0. (5)

* где г, к - индекс неизвестного параметра; Л - шаг интегрирования; -параметр аппроксимации (5= 0,4 ...0,5); X"-- значения неизвестного

параметра в конце и начале шага интегрирования соответственно;

значения правых частей дифференциальных уравнений.

Для реализации схемы Ньютона соответствующее преобразование уравнений (3) и (5) приводит к следующей системе линейных алгебраических уравнений:

где [сГ? - матрица частных производных уравнений реактора

г по неизвестным реактора м>, включая и> = г.

Неизвестные величины вычисляются на каждом шаге интефирования по итерационной схеме

Х»+1>т+1 = х?+1'т + АХ?+1т, где т - номер итерации.

Матрица частных производных, в зависимости от взаимногсг расположения реакторов, может иметь различную структуру, но являет^® блочной разреженной. В частных случаях - блочной трехдиагональной. В^

базовом программном обеспечении для вычисления поправок

реализованы метод матричной прогонки и некоторые его вариации для решения системы уравнений (б). Для предельно простого случая -единичного реактора - используется метод Гаусса. Частные производные вычисляются по аналитическим выражениям.

Базовая математическая модель и алгоритм расчета реализованы в универсальный программный комплекс, который включает программы формирования универсальных рабочих массивов индивидуальных вешеств и химических реакций, .программы расчета констант диссоциации, равновесия, констант скорости прямых и обратных направлений, программы, реализующие интегрирование системы уравнений, программы определения величины шага интегрирования и экстраполяции неизвестных и ряд вспомогательных программ.

Особенностью программного обеспечения являются резервные рабочие массивы и шаблоны подпрограмм для оперативного дополнения базовой схемы частными моделями составляющих рабочего процесса в конкретных КС. В ряде случаев совместное решение всех уравнений полной задачи затруднительно, поэтому предложен итерационный споса^к решения, заключающийся в последовательном циклическом решений частных задач.

Третья глава посвящена моделированию реагирующей среды.

Приведен подход к представлению данных о многокомпонентных углеводородных горючих, рассмотрены механизмы горения простых углеводородных соединений, приведены сформированные кинетические схемы горения сложных углеводородных

соединений, приведены схемы химического взаимодействия в системах

Ы-С-Н-О, рассматриваются процессы образования и выгорания сажи и приведен разработанный механизм, использованный для прогнозирования концентрации сажевых частиц, представлены результаты расчетов, ориентиррванных на проверку и уточнение сформированных кинетических схем. •

Широко используемые в ТД и ЭУ жидкие топлива, полученные на основе переработки нефти, относятся к многокомпонентным жидкостям.. В связи с этим при проведении теоретических исследований параметров рабочих тел важное значение имеет способ представления данных об элементарном составе топлива. При проведении термодинамических расчетов элементарный состав, как правило, представлен условной химической формулой. Для кинетических расчетов, если не включать в механизм химических реакций односторонние брутго-реакции типа

«горючее + окислитель = продукты" или "сложное горючее = смесь ростых углеводородов", такой подход не пригоден. Одним из путей решения данного вопроса является представление конкретного топлива в виде его многокомпонентного аналога. В этом случае жидкое топливо принимается, состоящим из нескольких индивидуальных веществ. Для, подбора веществ используется информация о фракционном и групповом углеводородном составе товарных топлив.

Основными критериями формирования модельных аналогов являются соответствия следующих характеристик: условных химических формул, группового и фракционного состава, приведенных и средневзвешенных значений теплофизических и термодинамических параметров.

В качестве примеров сравнительно простых модельных аналогов приведены следующие смеси углеводородов:

- смесь только парафиновых углеводородов СпН2„+2

(для бензинов п=б,...,9; для керосинов п=9,..., 16; для дизельных топлив п=12,..., 19);

- смесь октана СВН,8, метилциклогексана С6НпСНз, толуола С6Н5СНз;

- смесь нескольких парафиновых углеводородов, метилциклопентана ^С5Н9СН3> этилциклопентана С5Н9С2Н5, метилциклогексана СбНцСН3, ^Вгилциклогексана СбН||С2Н5, толуола СбН5СНз, ксилола СбН5(СНз)2,

этилбензола СбН5С2Н5.

Принятый в данной работе подход к формированию кинетических схем основан на понятии субмеханизмов, описывающих протекание нескольких элементарных химических реакций, характерных для одного из реагентов или для «простых» реагирующих систем.

В результате детального анализа большого количества известных публикаций (например, В.Н. Кондратьев, П. Гларборг, Н. Маринов, В. Питц, К. Вестбрук, Дж. Варнатц, А.Буркат и др.) и выполнения расчетных

работ созданы компактные модельные кинетические схемы, описывающие горение типичных для жидких углеводородных горючих' соединений: бензола, толуола, метидциклогексана, циклогексан а. октана в смесях с воздухом (кислородом). В кинетические схемы включены субмеханизмы для ряда азотсодержащих веществ, описывающие три основных механизма образования Ж)х («термический», «быстрый», «ИгО-механизм), восстановление N0 при недостатке кислорода, химические преобразования топливного азота.

Для прогнозирования образования и выгорания сажевых частиц (С*) разработана модельная схема:

С2Н+С2Н=С*+Н2; С*+С2Н=С*+Н; С*+С2Н2=С*+Н2;

С*+С7Н8=С*+2Н2+СН<; С*+С6Н6=С*+ЗН2; С*+02=С*+С02; С*+С02=С*+2С0; С*+Н20=С*+С0+Н2

В предлагаемой схеме учитывается два вероятных пути образования сажи: через ароматические и ацетиленовые углеводороды. Выгорание сажи моделируется взаимодействием сажи с О2, С02, Н20.

Все сформированные кинетические схемы тщательно проверялись. Расчеты выполнялись с использованием созданного базового программного обеспечения. Одним из способов такой проверки было выполнение расчетов распространения ламинарного пламени в перемешанных смесях при нормальных условиях, так как скорость нормального горения является для каждой конкретной смеси величиной постоянной и хорошо определенной экспериментально. Предложен упрошенный способ расчета скорости нормального горения, который основан на методе теплового потока (Д.А. Франк-Каменецкий). Скорость ламинарного пламени в перемешанной смеси вычислялась как непрерывная функция и = р! , где - тепловая и

химическая толщины фронта пламени; р,ра- плотности продуктов сгорания и исходной смеси; т - текущее время. За искомое значение скорости нормального горения принимается величина, соответствующая моменту времени, при котором концентрации исходных реагентов ¡^^ основных продуктов горения принимают значения, характерные дл^В реакционной зоны, находящейся непосредственно за фронтом пламени.-Данный метод проверялся при вычислениях скорости распространения пламени при горении смеси метана с воздухом, поскольку механизм реакций для. таких смесей хорошо изучен и кинетические данные являются достаточно надежными. Получено практически полное соответствие вычисленных значений скорости нормального горения метановоздушной смеси известным экспериментальным данным.

С целью проверки сформированных кинетических схем выполнены расчеты скоростей нормального горения для смесей с воздухом толуола, бензола, метилциклогексака и октана. Расхождение полученных значений скорости . нормального горения с известными экспериментальными данными (например, Е!.М.Мальцнв и др.) составляло от 2 до 10 %.

Проведены расчеты для случая окисления толуола в среде кислорода в реакторе полного смешения; определялось время задержки воспламенения октана,, толуола и бензола. Полученные результаты сравнивались с экспериментальными данными (А.Буркат и др, Дж.Эмде и ДР-)-

Принятая схема образования и выгорания сажи проверялась для условий горения с.меси воздуха и паров керосина. Полученные зависимости массового выхода сажи от времени пребывания, ^коэффициента избытка окислителя, давления и начальной температуры ^^смеси качественно и количественно соответствовали экспериментальным данным (Ф.Г.Бакиров и др.).

Кинетические схемы горения сложных углеводородов и схема образования и выгорания сажи проверялись также на примере решения задачи расчета горения в газогенераторе ЖРД (ОоК = 0,11); горючее - смесь октана, толуола; окислитель - кислород (р = 8-12 атм). В результате получено весьма удовлетворительное совпадение расчетных значений с экспериментальными данными (Р. Фоелсч и др.), включая температуру и состав продуктов сгорания, в том числе и концентрации сажевых частиц.

Для тестирования кинетических схем образования и разложения азотсодержащих соединений выполнялись расчеты горения метановоздушной смеси в реакторе полного смешения с учетом ограниченного времени пребывания и тепловых потерь при различных коэффициентах избытка окислителя. Результаты сравнивались с известными данными (П.Гларборг и др.).

Выполнены численные эксперименты для химического метода очистки продуктов сгорания углеводородовоздушных смесей от оксидов азота, основанного на восстановлении N0 до и Н20 в присутствии кислорода и аммиака. ^^ В целом, после выполнения данного этапа работы был сделан вывод ^^о приемлемости принятого подхода к моделированию реагирующей среды и применимости базового математического, программного и информационного обеспечения для численного исследования процессов в камерах сгорания ТД и ЭУ. Сформированные кинетические схемы использовались при выполнении численных исследований, результаты которых приведены в главах 4,5,6.

В четвертой_главе приведены: описание разработанной

комплексной модели для расчета процессов в камере сгорания, входящей в

состав парогазогенератора; алгоритм решения задачи; результаты тестирования комплексной модели, включая модель испарения капель многокомпонентной жидкости в газовом потоке и модель двухфазной нёизотермйческой струи в канале с внезапным расширением при наличии зоны рециркуляции; результаты численных исследований, выполненных с целью изучения влияния режимных и конструкционных параметров на изменение параметров продуктов сгорания и завершенность рабочего процесса в целом/ Результаты численных исследований, выполненных автором диссертационной работы, были использованы при создании реальной высокоэффективной парогазогенераторной установки (ведущий автор Т.М.Магсумов).

Схема рабочего процесса - в КС представлена на рис.2.

Рециркуляционная зона

Подвод компонентов осуществляется через струйные газожидкостные форсунки. Для каждой форсунки предполагается идентичность происходящих в потоке процессов. Поэтому рассматривается течение, образуемое единичной форсункой.

Комплексная модель, разработаная в соавторстве с В.Г. Крюковым, Т.М.Магсумовым, состоит из моделей основных процессов: химически реагирующего течения «А»; развития двухфазной турбулентной неизотермической струи «Б»; испарения капель многокомпонентной! жидкости «В». Принятое разделение задачи позволяет достаточно! эффективно учитывать взаимовлияние определяющих процессов. Общий алгоритм решения заключается в последовательном итеративном решении отдельных задач (А, Б, В). Искомые параметры, получаемые при решении системы уравнений каждой отдельной модели, используются в качестве входных величин, необходимых для вычисления неизвестных в других моделях.

Базовой частью комплексной модели является модель химически реагирующего течения, характеризуемого неоднородностью

распределения параметров рабочего тела в объеме КС. Процессы тепломассообмена моделируются с помощью условного разделения расчетной области течения на группу НРИС. Расположение реакторов и их характеристики массообмена между ними определяются при решении задачи расчёта развития двухфазной струи. Осесимметричная струя, исходящая из единичной форсунки, идентифицируется рядом последовательно размещенных реакторов. Зона обратных токов представлена одним кольцевым реактором. Параметры массоподвода испаряющихся компонентов определяются при решении задачи «В».

Непосредственно цикл вычисления начинается с решения газодинамической задачи («Б»). Полученные данные используются. для расчета испарения нескольких групп, капель («В»). Затем осуществляется расчёт параметров в системе реакторов («А»), Необходимость повторного ЛЬшкла расчетов определяется относительным изменением температуры ^^газа и длины участка испарения групп капель между циклами.

Математическое , описание химически реагирующего течения представлено системой уравнений (1, 2, 3) для каждого реактора в расчетной области.

При разработке модели двухфазной струи использовался подход, принятый авторами работы [5] для моделирования однофазных струйных течений в каналах с внезапным расширением. Основные уравнения были модифицированы посредством введения дополнительных составляющих, учитывающих неизотермичность потока, обмен массы и количеством движения между фазами.

Система уравнений включает: интегральные уравнения сохранения расхода и количества движения; обыкновенное дифференциальное уравнение изменения осевой скорости струи; уравнения профиля скорости в поперечном сечении. Искомые параметры: осевая скорость; скорость возвратного течения; граница слоя смешения; профиль скоростей в поперечном течении. '

При разработке физической схемы и математической модели испарения капель многокомпонентной жидкости в газовом потоке предполагалось: капля и пограничный слой вокруг неё имеют

•сферическую форму; справедливо приближение центральной симметрии; пограничный слой моделируется приведенной пленкой; смесь компонентов идеальная; температура жидкости одинакова по объему капли и изменяется при нагреве капли; испарение всех компонентов происходит одновременно.

5. Алемасов В.Е., Глебов ГА., Козлов А.П., Щелков А.Н. Турбулентные струйные течения в каналах. - Казань: Казанский филиал АН СССР, 1998г.

Принято, что во время равновесного испарения какого-либо из компонентов температура капли не изменяется. Процесс испарения в целом характеризуется ступенчатым изменением температуры капли и последовательным исчезновением компонентов. Спектр распыла жидкости дискретный, параметры капель одной группы считаются одинаковыми.

Система уравнений включает: уравнения изменения массовой доли каждого компонента; уравнение изменения температуры капель; уравнение радиуса капель; уравнение скорости движения капли л газовом потоке.

С целью определения диапазонов устойчивой работы КС и разработки рекомендаций для наиболее рациональной организации рабочих процессов и оптимизации конструкции КС проведены численные эксперименты по изучению влияния на характеристики рабочего тела: коэффициент избытка окислителя; производительности спектра распыла капель; соотношения геометрических размеров КС и количества форсунок^к впрыска воды в зону горения с целью снижения N0 и СО. ^^

Основной рабочий режим КС: производительность - 0,28 кг/с (топливо: керосин + воздух); давление - 3,5 МПа; аж=1,0 (+0,05). Принятое в расчетах распределение капель по группам соответствует известному из экспериментов спектру распыла для применяемых смесительных элементов: основная масса капель (70%) имеет средний диаметр 20 мкм; 10% - 10 мкм; 20% - 70 мкм. Внутренний радиус проточного тракта КС гк= 37,5 мм; степень внезапного расширения условного канала, приходящегося на одну форсунку гк = /г„=3,825 {г0-радиус на срезе сопла форсунки).

На рис. 3-5 показаны некоторые из результатов расчетов для основного режима.

Изменение температуры газовой смеси отражает характер испарения капель жидкости и подвод продуктов сгорания из зоны обратных токов (рис.3). Основными лимитирующими процесс горения факторами являются параметры продуктов сгорания в зоне обратных токов и скорость испарения капель жидкого горючего.

Интенсификация процесса испарения при смешении вдуваемой газожидкостной струи с продуктами, подводимыми из зоны развитоп^^ горения обратными токами, отражена начальным возрастание14^^ концентрации исходных реагентов (рис.4), которое наблюдается на участке испарения основной массы капель. Последовательность испарения компонентов жидкого горючего отражена в характере изменения концентраций на стадии их практически полного догорания.

Химическое преобразование исходных реагентов приводит к образованию простых углеводородов С2Н4, С2Н2, СН4 и водорода Н2 (рис.5а). Содержание конечных продуктов Н20 и С02 на выходе из КС показывает высокую полноту сгорания исходных и промежуточных

г, к 2000

1500

1000

500

- --

у

'/ЛЛ/™* '/ Ух

X \ •"— ___

10

I 10"6

0,5

0,05

0,1 х, м

1^10" 22 1 ШчЛ^и^. га сынж

•С15Н32

С1бн:и

\\\\

Х,н

•Рис.З. Изменение температуры газа и Рис.4. Изменение содержания исходных

относительного расхода жидкости:

.....равновесный расчет;

- - кинетический расчет.

реагентов в продуктах сгорания.

н,о

СО;

1 ^

ЧЛ Ц/ сн< л «<»-'

а

10'

10'

10

10'

10

10

10 =

ОН (

чо

N. Н2СО

нсо

н\1 Оок"= 1

о/Г

0,1

х, м

Рис.5. Изменение состава продуктов сгорания.

углеводородов. Интенсивное сгорание испаряющихся компонентов обусловлено, главным образом, подводом высокотемпературной смеси с большим содержанием активных частиц ОН, О, Н из области развитого горения обратными токами (рис.5 б), что обеспечивает протекание первичных элементарных реакций горения с высокими скоростями и исключает стадию низкотемпературного медленного окисления углеводородов. '

В результате численных исследований влияния аок на характер рабочего процесса выявлено следующее.

Наибольшая устойчивость горения характерна для режима, при котором реализуются: максимально возможные температуры газа в зоне обратных токйв. При аок » 0,8 соотношение окислителя и горючего в этой зоне является близким к . стехиометрическому, что обусловлен^^ завершением испарения основной группы капель в пределах участкЦР • . течения с длиной, не превышающей длину зоны рециркуляции. Поэтому данный режим течения является наиболее благоприятным для обеспечения надежного запуска КС перед выходом на основной режим.

При эксплуатации КС возможно кратковременное нештатное отклонение от аок=1 в достаточно широком диапазоне. Выявлено, что устойчивость горения сохраняется в диапазоне аок= 0,6-1,4. Изменение аж приводит к появлению условий горения, при которых скорость испарения капель может интенсифицироваться (при аок< 1) или замедляться (при ат> 1). Например, при аок-0,6 общая длина участка испарения капель уменьшается на 8%, по сравнению с основным режимом; при аок—1,4 -увеличивается на 30%, что необходимо учитывать при выборе продольного размера КС.

При эксплуатации КС предусматривается регулирование производительности в достаточно широком диапазоне. Результаты численных исследований показали, что при десятикратном снижении расхода топлива, по сравнению с основным режимом, устойчивость горения сохраняется, но длина камеры сгорания, необходимая для завершения процессов рбразования топлива, увеличивается на 50%, обусловлено снижением скорости испарения капель при более низко)!^^ давлении.

Анализ результатов расчетов по изучению влияния на рабочий (

процесс спектра распыла показал: при более мелком распылении жидкости устойчивость горения повышается; при значительном увеличении размеров капель увеличивается длина участка их испарения, возрастает вероятность срыва горения вследствие снижения температуры газа в зоне обратных токов и ухудшения условий горения из-за повышения местных значений аок в области присоединения потока. Более низкий уровень

температур на значительной части длины КС при увеличении доли крупных капель приводит к снижению концентрации окислов азота (до 12% по сравнению с основным режимом) в выходном сечении.

При анализе влияния соотношения геометрических размеров КС рассматривалась два случая. В первом случае в качестве переменной величины принят внутренний диаметр КС и, соответственно, степень внезапного расширения, условного канала для одной форсунки гг. Во втором случае переменными параметрами были количество, форсунок и отношение радиусов на срезе сопла форсунки г0. Выявлены усло&ия, при которых возможен срыв горения вследствие увеличения времени испарения, снижения температуры в зоне обратных токов, замедления реакций горения и разложения исходных реагентов (рис.6, 7).

2200 1800 1400 1000

-Я- „

/

2

£т*

а

3> "С У

1 1 1 1

[ 1

■ ■ < ■ ; ..У

Рис.6. Зависимости температуры газа Тя в зоне обратных токов, относительных размеров з.о.т. (при горении), ЬХр (без горения), участка испарения основной группы капель Ьис„ от гк: ] - Р=3,5 МПа; 2 - 0,35 МПа.

2200 1800 1400

л

\ ч

1,5

2,0

а

2, / и-

4 У/ Г=-

А

2.0

Рис.7. Зависимости температуры газа Тй в зоне обратных токов, относительных размеров з.о.т. (при горении) и участка испарения основной группы капель Ьусп от г.: 1 - Р=3,5 МПа; 2 - 0,35 МПа.

В результате исследований по впрыску воды в зоне горения КС получено, что при увеличении Относительного массового расхода воды Ств = тн201 г"гоР Д° 1.0 снижение концентраций N0 и СО составляет 79%

и 82%, соответственно. При Св> 1 снижается полнота преобразования топлиза, ухудшаются условия воспламенения горючего из-за уменьшения температур продуктов горения, подводимых обратными токами, увеличивается время пребывания смеси в КС, необходимое для завершения процесса преобразования топлива.

Достоверность полученных результатов подтверждается при их сравнении с экспериментальными данными по составу продуктов сгорания, полноте сгорания, снижению токсичности при впрыске воды (Д.Н.Сафин, Т.М.Магсумсв).

В пятой главе приведены основные результаты по моделированию^ численному исследованию процессов в камере сгорания теплогенератора, входящего в состав установки для нагрева воздуха (тепловая мощность установки - 30...50 кВт; горючее - природный газ, окислитель - воздух). Основной целью исследований было определение. режимных и конструкционных параметров КС, при которых достигаются максимальная полнота преобразования химической энергии топлива и минимизируются вредные выбросы (N0.,, СО, СНХ). Результаты проведенных автором диссертационной работы исследований использовались при создании реальной установки для нагрева воздуха (ведущий автор разработки -Т.М. Магсумов).

Принципиальная схема организации рабочего процесса в КС показана на рис. 8.

I в» «Ь 3с1

Схема организации процессов в КС. ^

Смешение горючего и воздуха осуществляется с помощью фронтового устройства. Основная масса горючего (тг) предварительно смешивается с воздухом и подается з периферийную область КС. Для организации воспламенения небольшая доля смеси (т,) вдувается в центральную область КС. При развитии течения формируется первичная зона с приосевой зоной обратных токов (тя„) (или областью малых осевых скоростей, поскольку течение в первичной зоне является слабо

закрученным). Вторичный воздух подается в КС с помощью ряда отверстий, равномерно расположенных по окружности в четырех сечениях проточного тракта. При формировании расчетной схемы потока использовались основные закономерности развития закрученных течений (В.К.Щукин, А.А.Халатов; А.Гупта и др.), также использовались опубликованные результаты исследований, проведенных в ЦКТИ им. И.И. Ползунова.

. На начальном этапе исследований задача сводилась к определению оптимальной длительности пребывания реагирующей смеси в объеме КС

При проведении расчетов на этом этапе КС рассматривалась как одна реакционная зона. В результате получено следующее:

- длительность пребывания гя = /(т, + т.,), при которой полнота

•сгорания достигает 0,99, составляет около 50 мс;

| - концентрации СО снижаются до своих равновесных значений для ал = 1,0 при гя> 0,1 мс, а для ак = 1,4...2,0 -при ¡г„> 1 с;

-концентрации N0' не превышают уровня 50 млн'1 при гл<1 мс для ат -1,0, а также - при г„ < 6 мс для ам = 1,4;

- для «„„= 2,0 концентрации N0 не превышают уровня 8-10 млн"1 при г„< 50 мс.

Из анализа приведенных данных следует, что для ограничения эмиссии N0 целесообразно принять не более 5...7 мс. При данном времени пребывания ожидаемая полнота сгорания равна 0,97.

Следующий цикл расчетов выполнялся при разделении КС на несколько реакционных зон в первичной (сечения 0 - I) и вторичной областях течения (сечения I -II с1). Для первичной области рассматривалось 4 варианта для значений коэффициента избытка окислителя: =0,714; 0,833; 0.909; 1,0.

Анализ представленных на рис.9 зависимостей температуры смеси и содержания (в мольных долях) N0, СО. СН4 и несгоревших углеводородов СНХ дает основания предположить, что наиболее целесообразно ограничить время пребывания реагирующей смеси в

•первичной области 2...3 мс; для принятого в расчетах диаметра КС Ь=62мм и номинального расхода горючего 3,6 кг/ч рекомендуемые значения длины первичной области Ь|=(1,2...1,8)В.

На рис.10, II приведены некоторые результаты расчетов для вторичной области течения, в которой происходит смешение с избыточным воздухом продуктов сгорания, поступающих из первичной области. Предполагалось, что подвод избыточного воздуха во вторичной области осуществляется равномерно по каждому сечению расположения отверстий; конечные суммарные значения а„1 = 1,3и 1,4.

тт>к га ю-'

3 V I %,,мс

Рис.9. Зависимости температуры продуктов сгорания и содержания N0, СО, СН4, СНЛот времени пребывания: а0,714; б- «„¿=1,0,

НО^Ш^Г"1—1-1— хк

15 2100

2. ООО 1900

а.

I 1(1 1Ь 1с йА м

- I I V .1

V т

1 1 1 1

1 $ъ Ее ®

Рис. 10. Содержание N0, температура смеси, ат в различных сечениях КС и на выходе из теплообменника.

Наиболее интенсивный рост N0 характерен при дожигании обогащенной смеси («„¿=0,714). Однако более высокий уровень N0 на выходе из КС характерен для стехиометрического соотношения компонентов, реализованного в первичной области. Полнота сгорания составила 0,979 - 0,988.

СО — т -к

О.075 \ 3

0.050 - щ

ао*5 ¿Л 1 1 1

\ 2. 3 ;

< г. з хп

Рис. 11. Зависимости относительных концентраций N0 и СО от времени пребывания смеси в зоне подвода вторичного воздуха. 1- «„,=0,714; 2 - 0,833; 3 - 0,909; 4 - 1,0;.....«^=1,3;

При увеличении длины вторичных зон, соответственно - времени пребывания, наблюдается снижение прогнозируемых концентраций СО наряду с повышением концентраций N0; на рис.11 показано отношение концентраций N0 и СО в конечном сечении КС к их значениям на выходе из первичной -. зоны; относительное время пребывания, равное 1, соответствует г, при общей длине вторичной области Ьц=1,5В.

Анализ результатов численных экспериментов в целом позволил оценить эффективность разных вариантов стадийного сжигания топлива и смешения продуктов сгорания с избыточным воздухом, выбрать оптимальные размеры КС.

В шестой главе ■ приведены физическая схема и математическая модель процесса сгорания, топливовоздушной смеси в цилиндре ДВС с Л^скровым зажиганием. Дается описание и анализ результатов численных исследований процессов горения для различных двигателей, работающих на газообразном и жидком углеводородных топливах. Основное внимание уделяется проблеме образования вредных веществ при горении,. процессам химической и термической ионизации продуктов сгорания, взаимосвязи этих процессов с изменением параметров рабочего тела.

Модель процесса горения в ДВС основана на известном и широко используемом при численном моделирозании разделении рабочего тела на две зоны: несгоревшей смеси (зона 1) и сгоревшей смеси (зона 2). Развитие процесса горения представлено в модели следующим образом.

После зажигания смеси от искрового разряда формируется развитый фронт пламени - первая фаза. Вторая фаза состоит в распространении турбулентного фронта пламени по большей части камеры сгорания. Третья фаза представляет завершение сгорания топлива, оставшегося в зоне 2, и в пристеночных областях. Основные допущения: давление одинаково для обеих зон и изменяется по времени в соответствии с изменением объема камеры и развитием горения; справедливо уравнение состояния идеального газа; газовая смесь, поступающая в зону сгоревшей смеси через фронт пламени, мгновенно перемешивается с продуктами горения; фронт пламени имеет полусферическую форму. Система уравнений включает следующие ^»равнения для каждой из рассматриваемых зон: уравнения изменения ^^остава (1), уравнения изменения энтальпии (2), уравнения температуры (3), уравнения изменения массы рабочего тела (4). Замыкает систему уравнение, общее для обеих зон, используемое для расчета давления рабочего тела

р - оц + мг)/(?;+ кг /ягт}) = о.

Применение уравнений изменения состава (1) для зоны несгоревшей смеси, как для реагирующей, дает возможность прогнозирования начала самовоспламенения смеси в этой зоне, возникающего при определенных условиях работы двигателя.

Учитываются тепловые потери (для расчета ' коэффициента теплоотдачи используется уравнение Вошни для фазы горения), включая потери тепла за счет излучения из зоны сгоревшей смеси.

При разработке модели рассматривались два варианта представления характера выгорания топлива. Один из вариантов основан на использовании зависимости И.И. Вибе для доли выгоревшего топлива. Второй вариант предусматривает использование известных эмпирических зависимостей (или .справочных данных) для скорости распространения турбулентного фронта пламени в перемешанной однородной смеси горючего и окислителя. Тестирование проводилось для двигателя ВАЗ -2101; анализ результатов показал работоспособность модели при обоих вариантах, а также, что при отсутствии достоверных данных по скорости фронта пламени, целесообразнее использовать в качестве входных параметров данные, характеризующие зависимость доли выгоревшег^ топлива от угла п.к.в.

В настоящее время при разработке и эксплуатации современных двигателей все большее значение приобретают способы электронного контроля сгорания. Одним из них является измерение величины ионного тока с использованием свечи зажигания в качестве датчика. Образование ионов при горении является результатом химической ионизации в реакционной зоне (фронте пламени) и термической . ионизации в послепламенной области. Наибольший вклад в уровень ионного тока вносится электронами. Это объясняется чрезвычайно высокой мобильностью электронов благодаря их малой массе, по сравнению с атомами и молекулами ионов.

Предложена методика расчета величины ионного тока, разработанная совместно с В.И Наумовым. Продукты сгорания рассматривались как слабоионизованная среда, температуры электронов, ионов и нейтральных частиц равные. . Ионный ток рассчитывается по формуле /„ - г\ где г - радиус центрального электрода свечи зажигания. Плотность ионного тока: _/'„ = (;?_. «е'х Ц)/(т, х у1ы х 4), где и^ - напряжение, подаваемое на электроды свечи после завершения искрового разряда; Л - зазор между электродами; veN - частота столкновений^ электронов с нейтральными частицами; пг - концентрация электронов" е,т,- заряд и масса электрона, соответственно. Частота столкновений электронов с нейтральными частицами: Vм = (8 х сте>17'!ул.)/(1пЛ х г,/^) , где а„- осредненное по энергии сечение столкновения электрон-нейтральная частица; - осредненная частота столкновений электрон-электрон (V,, = 5и,7""® 1п Л); гс - мольная доля электронов; ^ - атомная масса электронов; 1пЛ - логарифм отношения дебаевского радиуса Аак параметру рассеяния . В некоторых измерительных системах регистрируется не

ионный ток, а его сигнал, соответствующий напряжению, и определяемый в виде: U = /г х R, где Л - сопротивление (измеряемая величина).

Созданная модель и программа расчета позволяют прогнозировать следующие характеристики процесса сгорания: изменение состава, температуры продуктов горения" и смеси горючего с окислителем с учетом содержания в ней остаточных газов; изменение давления рабочего тела в цилиндре; тепловые потери; текущее положение фронта пламени, изменение его поверхности и скорости распространения; величину ионного тока в продуктах горения.

С целью изучения протекания процессов ионизации при различных условиях работы двигателей были проведены численные исследования для двигателей, работающих на бензине и природном газе. Параметры

•двигателей; ход поршня 81,5 мм и 128 мм; диаметр цилиндра 79 мм и 115 ^м; отношение радиуса кривошипа к длине шатуна 0,295 и 0,288; степень . сжатия 10,5 и 11,34, соответственно. При выполнении расчетов жидкое горючее было представлено смесью октана (50%), метилциклогексана (1.0%), толуола (30%), гептена-1 (10%); условная формула C7,jH|4,2. Газообразное горючее было представлено смесью метана (96%) и пропана (4%); условная формула C1.0sH3.s52-

В составе продуктов сгорания учитывались: - Ar, О, Н, N, С, е, Н02, ОН, Н2, 02, Ы2, Н20, СО, С02, СН4, С2Н2, С2Н4, С2Н6, С6Н6, C6H5CHi, ц-С6НпСН3, CSHIS, CSH17, С7Н14, СН3, СН2, СН, С2Н, С2Н3, С2Н5, Н3СО, НСО, НС20, СбН5СН2, С6Н5СНО, СбН5ОН, С6Н5, С6Н,0, С6Н5СО, Ц-С5Н4ОН, n-C5HJO, ц-С5Н50, ц-С5Н5, ц-С6НиСН2, ц-С6Н)3, ц-С6Н,ь ц-СбН„СНО, ц-С6Н„СО, ц-С6Н„ОН, ц-С6Н)0О, С3Нб, N,H2, N2H, NH3, NH-, NH, HNO, HCN, CN, NCO, NO, NO,, N20, CHO", H30*, NÖ+, 02", ОН-(горючее C7.5H|4,2);

- Ar, О, H, N, С, e, H02, OH, H2, 02, N2, H20, CO, C02, CH4, C2H2, C.H4, C2H6, C3H8, C3H7, C3H6. CH3, CH2, CH, C2H, C2H3, C2H5, H2CO, HCO, + HC20, N2H2, N2H, NH3, NHj, NH, HNO, HCN, CN, NCO, NO, N02, NjO.HjO, CHO+yilO+, 02-, ОН- (горючее Сi.o8H3,852).

Сформированные для приведенных реагирующих компонентов

•кинетические схемы включают 250 и 184 реакции, соответственно. | Механизм химической ионизации представлен реакциями с участием электронов и ионов СНО+, Н30\ О/, ОН- . Термическая ионизация моделировалась реакцией NO <=> NO+ + е.

Константы скоростей реакций хемоионизации были выбраны на основе данных аналитического обзора по исследованиям ионов в пламенах (А.Б.Фиалков, 1997). Для константы скорости термической ионизации оксида азота энергия активации принималась равной потенциалу ионизации 9,25 эВ; температурный коэффициент в соответствии с уравнением Саха был принят равным 1,5. При выполнении тестовых расчетов было установлено, что значения предэкспоненты находятся в

области 1014 1/с., при этом прогнозируемые величины ионного тока на втором пике качественно и количественно соответствовали экспериментальным данным.

При выполнении численных исследований варьировались следующие основные параметры: частота вращения коленчатого вала, коэффициент избытка окислителя, угол опережения зажигания, количество остаточных газов, Некоторые из результатов показаны на рис.12 - 16.

На рисунке 12 приведены изменение давления смеси и напряжения ионного тока и (Вольт) для двигатели, работающего на газообразном топливе. Точками обозначены расчетные значения; сплошными линиями -осредненные (100 циклов) измеренные значения указанных параметров (МЕСЕЬ АВ, г. Омоль, Швеция).

Начальный наиболее интенсивный пик и (рис.12 б), регистрируемый в экспериментах, вызван остаточным зарядом поверхности электроде^ после искрового разряда. Два следующих, более плавных пика ч? соответствуют действительным, значениям напряжения ионного тока. Первый из них обусловлен процессами хемоионизации, второй -термической ионизацией.

Изменение содержания ионов и электронов в продуктах сгорания смеси является типичным для большинства исследованных режимов работы двигателя й показано для одного из режимов на рис.13. Наибольшие значения концентраций электронов и положительных ионов НзО+ соответствуют начальной стадии выгорания топлива и определяют величину ионного тока и положение его первого пика относительно угла поворота коленчатого вала. На величину первого пика ионного тока в значительной степени оказывают влияние температура и давление в начале фазы сгорания смеси, состав топливовоздушной смеси (соотношение окислителя и горючего, доля остаточных газов), соотношение С/Н в составе горючего. Положение первого пика определяется развитием турбулентного фронта пламени после воспламенения смеси.

Величина и положение второго пика соответствует углу п.к.в., при котором достигаются максимальные значения температуры продуктов сгорания и давления смеси в цилиндре; из числа всех ионов наиболее высокие концентрации имеют ионы МО+. При обеднении смйаЛ концентрация ЫО+ уменьшается и может быть ниже концентрации Н30* что приводит к существенному снижению величины второго пика ионного тока.

На рис.14 показано изменение концентраций N0, МО+, НО+(равн.), отнесенных к своим максимальным значениям. Абсолютные значения МО+(равн.), вычисленные с помощью уравнения Саха, как правило, меньше (на 2 порядка) значений ЫО+, вычисленных по кинетическому уравнению термической ионизации. Характер изменения этих относительных величин также является типичным для всех исследованных режимов.

О 10 20

Угол Л.К.В., гряд.

О 10 20

Угол п.к.е., град.

Рис.<2. Изменение давления в цилиндре и напряжения ионного тока в зависимости от углап.к.в.

Рис.11 Изменение содержания в Рис.^,Изменение содержания N0 и N0+

продуктах сгорания ионов и электронов. в зависимости от угла п.к.в.

На рис. 15а показаны расчетные и экспериментальные зависимости относительного напряжения ионного тока U/Urm как функции относительного содержания NO/NOmax; значения Umax и NQmax соответствуют режиму а,ж =1,153. Расчетные величины качественно и количественно удовлетворительно согласуются с экпериментальными.

На рис, 156 показано множество кривых, отражающих взаимосвязь между содержанием NO в продуктах сгорания и величиной напряжения ионного тока U при различных значениях температуры и давления. Кривая 1 показывает универсальную зависимость для любых значений температуры и давления при условии, что они постоянные. Ряд кривых 2-6 представляет возможные варианты зависимости при различном изменении температуры (при p=const); шаг изменения температуры между двумя ближними друг к другу расчетными точками (показаны символом «звездочка») составляет: 2 - AT =1,5 К; 3 - 2,5 К; 4 -5 К; 5- 10 К; 6 -20 ф Показанные на рис.156 зависимости могут быть использованы для интерпретации измеренных величин напряжения ионного тока (на втором Пике). Например, характер экспериментальной зависимости на рис.] 5а, приближенно соответствует характеру кривой 5 на рис.1!Г 6j разница., максимальных температур при значениях ат =1,433 и 1.251 составляет Д7"=173 К, при значениях а„ =1,251 и 1,153 - 54 К. Эти . значения удовлетворительно согласуются с температурными интервалами для кривой 5 (Д7'=160 К и 60 К, соответственно).

Таким образом, для разных условий протекания горения зависимость U/Uma* от NO/NOma?, отражающая эти условия, будет расположена в области, лежащей ниже кривой 1. Сравнительный анализ измеренных величин ионного тока (на втором пике) может дать информацию как об условиях горения, так и о содержании NO в продуктах сгорания.

Другим аспектом использования измеренных сигналов ионного тока является выявление характера сгорания смеси. Для разных двигателей на рис. 16 (а - топливо: «бензин», б —«природный газ») показано изменение напряжения ионного тока как функция доли сгоревшей смеси.. Из рисунков видно, что положение первого пика соответствует доле сгоревшей смеси Х=СН)4±О|02; положение второго пика - Х=0,8±0,1. ^^

Анализ полученных результатов в целом показал, что изменеь^^р прогнозируемых величин ионного тока удовлетворительно совпадает с известными экспериментально установленными закономерностями: при увеличении частоты вращения коленчатого вала возрастает уровень ионного тока; максимальные значения ионного тока наблюдаются при значениях коэффициента избытка окислителя в области 0,8 — 0,9; при увеличении соотношения С/Н в составе топлива значения ионного тока возрастают; при увеличении содержания остаточных газов уровень тока снижается.

Зч

0.2 0.4 0.6 N01 N0 тах

Рис 15. Зависимость относительного напряжения ионного тока (второй пик) от содержания N0 в продуктах сгорания.

1.4

1,2

1

0.8 и

0.6 0.4 0.2 О

п=140С о&'иш

\ .. !: . ..............

1,15г...........

0.2 04 . 08

о.е

а

Рис.{$- Напряжение ионного тока как функция доли сгоревшей смеси.

Таким образом, подтверждается достоверность результатов, получаемых с помощью разработанной модели процессов сгорания в цилиндре ДВС с искровым зажиганием, и обоснованность применения в расчетах сформированных кинетических схем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Главным итогом диссертационной работы является решение актуальной научной проблемы по развитию методов численного моделирования и исследования процессов в камерах сгорания тепловых двигателей и энергоустановок. Основные результаты работы: модели, алгоритмы, программные комплексы, результаты численных исследований предназначены для решения приоритетных хозяйственных задач энергосбережения, экономии топлива и защиты окружающей среды.

При выполнении работы получены следующие результаты:

1. Усовершенствовано базовое математическое и программное обеспечение, предназначенное для моделирования сложного комплекса высокотемпературных процессов в КС ТД и ЭУ, характеризующихся неоднородным пространственным распределением и изменение^ параметров состояния многокомпонентного рабочего тела, вследстви™ химических преобразований, конвективного и диффузионного переносов, межфазного тепломассообмена. Разработаны эффективные алгоритмы совместного решения системы уравнений базовой модели, дополняемой, при решении прикладных задач, уравнениями, описывающими отдельные физико-химические процессы, а также итерационный способ, заключающийся в последовательном циклическом решении частных задач для составляющих рабочего процесса.

2. Базовое математическое программное обеспечение позволяет оперативно формировать инвариантные, относительно компонентов топлива и механизмов химических реакций, модели и программы для расчета параметров продуктов сгорания в КС при различных схемах организации рабочего процесса в широком диапазоне изменения температур и давлений рабочего тела.

3. Выполнены работы по моделированию реагирующих сред с целью представления данных о составе, термодинамических и теплофизических свойствах компонентов, топлива, в том числе сложных углеводородных соединений, и создания кинетических моделей, адекватно отражающих химическое преобразование исходных реагентов, промежуточных соединений и продуктов горения, включая образование Л разложение токсичных соединений. ™

4. С целью апробации базовой модели, алгоритмов решения, тестирования программного обеспечения, проверки сформированных кинетических схем выполнен значительный объем расчетных работ и проведено сравнение результатов с данными экспериментальных теоретических исследований других авторов. Сравнительный анализ показал работоспособность модели, программного обеспечения и достоверность получаемых при их использовании результатов.

5. Базовое математическое и программное обеспечение использовались при разработке комплексных моделей и программ для расчета процессов в реальных КС, входящих в состав парогазогенераторной установки и теплогенерирующей установки для нагрева воздуха. Проведены вычислительные эксперименты, направленные на изучение рабочих процессов КС и влияния режимных и конструкционных факторов на эффективность преобразования топлива. Разработаны конкретные рекомендации по оптимизации энергетических и экологических показателей рабочих тел.

6. Базовое математическое и программное обеспечение использовалось для создания усовершенствованной двухзонной модели и программы расчета параметров рабочего тела при сгорании топлива в ¿шлиндре ДВС с искровым зажиганием. Выполнены численные Рсследования, направленные на развитие научных представлений о протекании горения, образовании вредных соединений и взаимосвязи этих процессов с химической и термической ионизацией продуктов сгорания.

ЛИССЕРТА Г ТИОННОЙ РАБОТЫ

1. Демин A.B., Зенуков И.А., Магсумов Т.М. Модель испарения капли жидкости многофракционного состава// Тепловые процессы в двигателях и энергоустановках летательных аппаратов. - Казань: КАИ, 1985. с.10-15.

2. Магсумов Т.М,, Крюков В.Г., Демин A.B. Моделирование химически реагирующих газожидкостных течений с рециркуляционнньгми токами// Рабочие тела и процессы в двигателях летательных аппаратов. -Казань: КАИ, 1986. с.11-18. .

3. Демин A.B. Исследование газожидкостных течений с рециркуляцией /Математическое моделирование высокотемпературных процессов в энергосиловых установках. - М.: Наука, 1989. с.225-227.

^ 4. Демин A.B., Потапов Г.П. Численное исследование процесса восстановления окислов азота в продуктах сгорания энергоустановок // Тез. докл. научно-технической конференции по итогам работы за 19921993г. "НИЧ-50 лет", - Казань: КГТУ, 1994.

5. Демин A.B., Потапов Г.П., Одинокова Г.Б. Физико-математическая модель механизма двигательной электризации летательных аппаратов // Тез. докл. научно-технической конференции по итогам работы за 1992-1993г. "НИЧ-50 лет",- Казань: КГТУ, 1994.

6. Демин A.B., Сафин P.C., Шкаликов В.А. О возможности контроля наступления перегрева стенки по изменению электрических свойств

продуктов сгорания// Тепловые процессы и свойства рабочих тел двигателей летательных аппаратов, - Казань: КАИ, 1982. - 5с.

■■! 7. A.c. (СССР) № 224832 / Алемасов BJE., Магсумов Т.М., Демин A.B., Шкаликов В.А., Кульжанов Ж.К., 1985.

8. A.c. (СССР) №1257490.1 Алемасов В.Е., Магсумов Т.М., Демин A.B., Потапов Г.П., Шкаликов В.А., Кульжанов Ж.К., 1986.

9. Абдуллин A.JI., Демин A.B., Крюков В.Г. и др. Опыт разработки математических моделей и численных . исследований высокотемпературных процессов в энергосиловых установках // Тез. докл. на международной НТК "Актуальные проблемы математического моделирования и автоматизированного проектирования в машиностроении" (МОДЕЛЬ-ПРОЕКТ 95), - Казань: КГТУ, 1995. - 2с.

10. Демин A.B., Кондрашева Л.В. Модель процессов в прист^^ ночных слоях в цилиндре ДВС // Тез.докл. . научно-методическо^^ конференции "Актуальные проблемы научных исследований и высшего профессионального образования", - Казань: КГТУ, 1997.

11. Демин A.B., Соколов Д.Б. Модель реагирующего газожидкостного течения // Тез.докл. научно-методической конференции "Актуальные проблемы научных исследований и высшего профессионального профессионального образования",-Казань:КГТУ, 1997.

12. Демин A.B., Соколов Д.Б. Математическая модель реагирующего газожидкостного течения. Казань, 1997 (Препринт/КГТУ; 97П1). - 16с.

13. Горение и течение в агрегатах энергоустановок: моделирование, энергетика, экология / В.Г.Крюков, В.И.Наумов, А.В.Демин, А .Л .Абдуллин, Т.В.Тринос..- М.: "Янус-К", 1997. - 304 с.

14. Наумов В.И., Демин A.B., Абдуллин А.Л., Крюков В.Г., Шайхиев Ф.Г. Универсальное моделирование химически неразновесного состава и численный анализ высокотемпературных процессов в энергетических установках // Материалы докладов 2-го международного симпозиума по энергетике, окружающей среде и экономике. Казань, 1998. с. 103-106

15. A.B. Демин, В.И.Наумов, Ф.Г.Шайхиев, Л.В.Кондрашева. Математическое моделирование процесса сгорания в ДВС с искровым зажиганием/ЛГезисы доклада на Всероссийской научной конференцш^^ "Тепловые двигатели в XXI веке: фундаментальные проблемы теории технологии", Казань,1999. с.25.

16. A.B. Демин. Моделирование реагирующей среды при прогнозировании- экологических характеристик тепловых двигателей// Тезисы доклада на Всероссийской научной конференции "Тепловые двигатели в XXI веке: фундаментальные проблемы теории и технологии", Казань, 1999. с.26

17. А.В.Демин, В.И.Наумов, Ф.Г.Шайхиев. Численные исследования методов повышения экологичности ДВС// Труды юбилейной научно-

практической конференции "Перспективы развития автомобилей и двигателей в Республике Татарстан", Наб.Челны, 1999. с.47-49.

18. А.Ф.Дрегалин, Т.М.Магсумов, А.В.Демин. Опыт разработки многофункциональных теплогенерирующих установок'/Материалы научно-практической конференции "Энергосбережение в химической технологии 2000", Казань, 2000. с.78-80

19. А.Ф.Дрегалин, Т.М.Магсумов, А.В.Демин. Оптимизация энергетических и экологических характеристик воздухонагревателя//Мате-риалы научно-практической конференции "Энергосбережение в химической технологии 2000", Казань, 2000. с.78-80.

20. А.В.Демин,. В.И Наумов, Л.А.Касаткина, Н.Щ. Гайнуллина. Численные исследования горения в ДВС с искровым зажиганием/ЛГруды II международной научно-практической конференции «Автомобиль и

•ехносфера» ICAT'S 2001, Казань, с.200-203.

21. Прогнозирование экологических характеристик рабочих тел двигательных и энергетических установок/ А.В.Демин, Методические указания к выполнению дипломного проекта, Казань:КГТУ, 1999. - 8с.

22. Алемасов В.Е., Демин А.В., Кравцов Я.И., Сергиевская М.Л., Шаихов Р.Б. Математическая модель процесса горения в продуктивном пласте// Изв. РАН, Энергетика, № 3, 2001. с. 68-72.

23. Иванов Б.Н., Кравцов Я.И., Демин А.В., Прощекальников Д.В., Харлампиди Х.Э. Определение изменения энтальпии нефтей// Изв. РАН, Энергетика, № 3, 2001. с. 120-127.

24. Демин А.В. Применение результатов научных исследований по повышению экологи moer и двигательных и энергетических установок в учебном процессе// Материалы научно-методической конференции «Совершенствование преподавания в высшей школе», Казань, 2001. с.202.

25. Установки малой тепловой энергетики на основе применения принципов организации рабочих процессов и технических решений двигателестроения летательных аппаратов/ Дрегалин А.Ф., Демин А.В,, Магсумов Т.М.// Юбилейный сборник избранных трудов членов АН РТ, Казань: Фолианть, 2002. с. 139-144.

26. Naumov V., Kxiukov V., Demln A., Abdulün A., Trinos Т., ^■Kondrasheva L. Modeling and Numérica! Anaíysis of High-Temperature ^^hemical Non-Equilibrium Processes in Rocket and Aircraft Units // CESA'96

IMACS Multiconference (Computational Engineering in Systems Application). Lille - France, July 9-12, 1996. pp.196-201.

27. Kriukov V.G., Demin A.V., Abdullin A.L. Modelagem de Processos Químicos Desequilibrados e da Emissao NOx em Camara de Combustao de Turbomotor // VI CONGRESO LATIOAMERICANO DE TRANSFERENCIA DE CALOR Y MATERIA. Santa Catarina - Brazil, November 11-14,1996. pp.281-286.

28. Kriukov V.G., Demin A.V., Abdullin A.L. Modeling of the Emission of Pollutants from a Turbojet Engine and Evoluation of Its Reduction by Means of Chemical Methods. // CONFERENCE ON ENVIRONMETRICS IN BRAZIL, SAO PAULO, July 22-26,1996. pp.123-124.

29. Kriukov V.G., Demin A.V., Abdullin A.L. Modelación de Procesos Químicos Desiquilibray de la Emisión de NOx en la Camara de Combustion de un Turbomotor // Información Tecnológica, Vol.9, No 6. La Serena, Chile, 1998.-8p.

30. Modelagem Matematika dos Processos da Combustao em Motores Aerotspaciais/V.G.Krioukov, V.I.Naumov, A.V.Demin//52 SEMINARIO BRASILERO DE ANALISE, ITA-Sao Jose dos Campos, Novembro 2000. -75p.

31. Naumov V., Demin A., Anderson I., Sokolov A. Modeling of Combustion and Non-equilibrium Ionization in Spark Ignition Engines// In th4 proceeding of the SAE 2002 World Cóngréss. Session "Modeling of SI Engine? and Multi-Dimensional Engine Modeling (SP-1702), March 2002, pp,97-104.

Формат 60 х 84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Печ.л.2,25. Усл.печл. 2,09. Усл.кр.-отт.2,09. Уч.-изд.л.2,0.

_Тираж 100. Заказ В147._

Типография Издательства Казанского государственного технического университета 420111 Казань, К.Маркса, 10.

Введение

1. Состояние проблемы моделирования сложных реагирующих течений

1.1. Принципы построения математических моделей

1.2. Двухфазные турбулентные течения

1.3. Испарение капель жидкости

2. Комплексное моделирование рабочих процессов в камерах сгорания

2.1. Схемы физико-химических процессов и структура комплексной модели

2.2. Кинетическая многореакторная модель и алгоритм решения

2.3. Краткое описание базового программного обеспечения

3. Моделирование реагирующей среды

3.1. Представление сложных углеводородных горючих в виде их многокомпонентных аналогов

3.2. Моделирование химического взаимодействия при горении углеводородов

3.3. Расчет скорости нормального горения перемешанной смеси

3.4. Апробация моделей реагирующих систем

4. Моделирование и исследование реагирующего газожидкостного течения при наличии зоны обратных токов и испарении капель многокомпонентной жидкости

4.1. Физическая схема процессов и структура математической модели

4.2. Апробация комплексной модели

4.3. Численные исследования реагирующего течения в камере сгорания парогазогенератора

5. Моделирование и исследование процессов в камере сгорания теплогенератора

5.1. Способы снижения выбросов вредных веществ при сжигании природного газа

5.2. Схема процессов в камере сгорания теплогенератора

5.3. Исследование влияния конструкционных и режимных параметров на эффективность рабочего процесса

6. Моделирование процесса сгорания в цилиндре ДВС

6.1. Физическая схема и математическая модель процесса горения

6.2. Результаты численных исследований 206 Заключение 230 Список литературы

Разработка ресурсосберегающих технологий сжигания топлив, повышение требований к надежности конструкций и увеличению их ресурса, снижение выбросов вредных и загрязняющих соединений в продуктах сгорания, получение оптимальных показателей рабочих процессов, повышение степени их завершенности приводит к необходимости теоретического анализа процессов, связанных с преобразованием энергии топлива в камерах сгорания (КС) тепловых двигателей (ТД) и энергоустановок (ЭУ).

Эффективным методом исследования рабочего процесса в КС является численное моделирование. Модели рабочих процессов широко используются для интерпретации измерений, оценки новых идей, исследования работоспособности двигателей и энергоустановок в области экстремальных режимных параметров, расширения представлений о протекании процессов, поиска новых и совершенствовании известных способов организации горения с целью достижения максимальных энергетических показателей при снижении вредных выбросов в окружающую среду.

В настоящее время невозможно эффективно совершенствовать КС без детального представления химии горения, это приводит к необходимости создания моделей, учитывающих тепломассообмен и кинетику реакций. Разнообразие способов организации горения обуславливает необходимость создания базовых моделей, на основе которых могут быть оперативно сформированы комплексные модели для конкретных технических устройств. Применение топливных композиций, имеющих различный элементный состав, приводит к необходимости создания моделей, инвариантных относительно набора веществ и кинетического механизма. В определенной степени развитие моделей сдерживается недостатком надежных кинетических данных, например, для моделирования горения сложных углеводородных соединений, образования и разложения токсичных веществ, горения альтернативных топлив и т.д.

Непрерывно возрастающие требования к адекватности физических схем и математических моделей реальным процессам, необходимость решения множества задач при создании высокоэффективных ТД и ЭУ определяют высокую актуальность проблемы дальнейшего развития методов численного моделирования процессов в камерах сгорания.

Основные цели диссертационной работы: развитие методов численного моделирования процессов в КС на основе учета взаимосвязанных явлений тепломассообмена и кинетики горения; развитие базового математического обеспечения, программная реализация методов расчета, разработка схем рабочих процессов и формирование, включая использование базового математического обеспечения, моделей и программ для численного исследования процессов в реальных КС различного назначения.

В первой главе рассматривается состояние проблемы, проводится анализ теоретических методов, применяемых для численного моделирования и исследования процессов в КС ТД и ЭУ.

Во второй главе приведены общие схемы физико-химических процессов в типичных КС ТД и ЭУ, описан принятый подход к комплексному моделированию рабочих процессов, представлена основная система уравнений, описан алгоритм решения и даны сведения о программном обеспечении.

Третья глава посвящена моделированию реагирующей среды. В этой главе: приведен подход к представлению данных о многокомпонентных углеводородных горючих; приведены сформированные кинетические схемы горения углеводородных соединений; приведены схемы химического взаимодействия в системах N-C-H-0; рассматриваются процессы образования и выгорания сажи; представлены результаты расчетов, ориентированных на проверку и уточнение сформированных кииетических схем.

В четвертой главе приведены: описание разработанной комплексной модели для расчета процессов в камере сгорания, входящей в состав парогазогенератора; алгоритм решения задачи; результаты тестирования комплексной модели; результаты численных исследований, выполненных с целью изучения влияния режимных и конструкционных параметров на изменение параметров продуктов сгорания и завершенность рабочего процесса в целом.

В пятой главе приведены основные результаты по моделированию и численному исследованию процессов в камере сгорания теплогенератора, входящего в состав установки для нагрева воздуха. Основной целью исследований было определение режимных и конструкционных параметров КС, при которых достигаются максимальная полнота преобразования энергии топлива и минимизируются вредные выбросы.

В шестой главе приведено описание схемы и математической модели процесса сгорания цилиндре ДВС с искровым зажиганием. Основное внимание уделяется процессам химической и термической ионизации, взаимосвязи этих процессов с изменением параметров рабочего тела.

Автор выражает благодарность академику РАН, доктору технических наук, профессору В.К.Алемасову за ряд замечаний и предложений, способствовавших улучшению качества работы.

Автор благодарен чл.-корр. АН РТ, доктору технических наук профессору А.Ф.Дрегалину за помощь в выборе научного направления и ценные рекомендации при выполнении работы.

Автор выражает искреннюю благодарность научному консультанту доктору технических наук, профессору В.И.Наумову.

Автор глубоко признателен доктору технических наук Т.М.Магсумову, принимавшему непосредственное участие в обсуждении основных результатов работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Главным итогом диссертационной работы является решение актуальной научной проблемы по развитию методов численного моделирования и исследования процессов в камерах сгорания тепловых двигателей и энергоустановок. Основные результаты работы: модели, алгоритмы, программные комплексы, результаты численных исследований предназначены для решения приоритетных хозяйственных задач энергосбережения, экономии топлива и защиты окружающей среды.

При выполнении работы получены следующие результаты:

1. Усовершенствовано базовое математическое и программное обеспечение, предназначенное для моделирования сложного комплекса высокотемпературных процессов в КС ТД и ЭУ, характеризующихся неоднородным пространственным распределением и изменением параметров состояния многокомпонентного рабочего тела, вследствие химических преобразований, конвективного и диффузионного переносов, межфазного тепломассообмена. Разработаны эффективные алгоритмы совместного решения системы уравнений базовой модели, дополняемой, при решении прикладных задач, уравнениями, описывающими отдельные физико-химические процессы, а также итерационный способ, заключающийся в последовательном циклическом решении частных задач для составляющих рабочего процесса.

2. Базовое математическое программное обеспечение позволяет оперативно формировать инвариантные, относительно компонентов топлива и механизмов химических реакций, модели и программы для расчета параметров продуктов сгорания в КС при различных схемах организации рабочего процесса в широком диапазоне изменения температур и давлений рабочего тела.

3. Выполнены работы по моделированию реагирующих сред с целью представления данных о составе, термодинамических и теплофизических свойствах компонентов топлива, в том числе сложных углеводородных соединений, и создания кинетических моделей, адекватно отражающих химическое преобразование исходных реагентов, промежуточных соединений и продуктов горения, включая образование и разложение токсичных соединений.

4. С целыо апробации базовой модели, алгоритмов решения, тестирования программного обеспечения, проверки сформированных кинетических схем выполнен значительный объем расчетных работ и проведено сравнение результатов с данными экспериментальных и теоретических исследований других авторов. Сравнительный анализ показал работоспособность модели, программного обеспечения и достоверность получаемых при их использовании результатов.

5. Базовое математическое и программное обеспечение использовались при разработке комплексных моделей и программ для расчета процессов в реальных КС, входящих в состав парогазогенераторной установки и теплогенерирующей установки для нагрева воздуха. Проведены вычислительные эксперименты, направленные на изучение рабочих процессов КС и влияния режимных и конструкционных факторов на эффективность преобразования топлива. Разработаны конкретные рекомендации по оптимизации энергетических и экологических показателей рабочих тел.

6. Базовое математическое и программное обеспечение использовалось для создания усовершенствованной двухзонной модели и программы расчета параметров рабочего тела при сгорании топлива в цилиндре ДВС с искровым зажиганием. Выполнены численные исследования, направленные на развитие научных представлений о протекании горения, образовании вредных соединений и взаимосвязи этих процессов с химической и термической ионизацией продуктов сгорания.

1. Абрамович Г.Н., Гиршович Т.А., Крашенинников С.Ю. и др. Теория турбулентных струй. 2 изд. -М.:Наука, 1984. -717с.

2. Абрамович Г.Н., Гиршович Т.А. Турбулентные струи, несущие твердые или капельножидкие примеси// Парожидкостные потоки.-Минск, 1977. с.155-175.

3. Алемасов В.Е., Глебов Г.А., Козлов А.П., Щелков А.Н. Турбулентные струйные течения в каналах. Казань: Казанский филиал АН СССР, 1988. - 172с.

4. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф.,Черенков А.С. Основы теории физико-химических процессов в тепловых двигателях и энергетических установках. -М.:Химия, 2000. -520с.

5. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., ТишинА.П. Теория ракетных двигателей. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1989. -464с.

6. Алемасов В.Е., Демин А.В., Кравцов Я.И., Сергиевская M.JL, Шаихов Р.Б. Математическая модель процесса горения в продуктивном пласте// Изв. РАН, Энергетика, № 3, 2001. с. 68-72.

7. Баев В.К., Головичев В.И., Ясаков В.А. Двухмерные турбулентные течения реагирующих газов. Новосибирск: Наука, 1976. -264с.

8. Басевич В.Я., Когарко С.М., Посвянский B.C. Кинетика реакций при распространении ацетилено-кислородного пламени// Физика горения и взрыва, 1976, №12, с.217-222.

9. Басевич В.Я., Когарко С.М., Посвянский B.C. Кинетика реакций при распространении этилено-кислородного пламени// Физика горения и взрыва, 1977, №2, с.193-200.

10. Басевич В.Я., Когарко С.М., Фурман Г.А. К вопросу о механизме горения метана//Изв. АН СССР, Физическая химия, 1972, №10, с.2139-2144.

11. Бенилов М.С., Рогов Б.В., Соколова И.А., Тирский Г.А. Химически неравновесный многокомпонентный пограничный слой плазмы молекулярных газов со щелочной присадкой// ПМТФ, №5, 1986. с.29-40.

12. Биберман JI.M., Воробьев B.C., Якубов И.Т. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы. М.;Наука, 1982. -375с.

13. Буевич Ю.А. О сопротивлении движению частицы, взвешенной в турбулизованной среде// Изв. АН СССР, МЖГ, 1966, № 6. с. 182-183.

14. Бусройд Р. Течение газа со взвешенными частицами.-М.:Мир, 1975.-378с.

15. Васильков А.П. Расчет турбулентной двухфазной изобарической струи// Изв.АН СССР, МЖГ, 1976, № 5, с. 57-63.

16. Варгафтик И.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей.-М.:Физматгиз, 1963. 708 с.

17. Вильяме Ф.А. Теория горения. М.: Наука, 1971.-616с.

18. Гаркуша В.И., Стасенко A.JI. Численное исследование парокапельиых потоков с учетом фазовых переходов, коагуляции и газодинамического дробления частиц// Изв. АН СССР, Энергия и транспорт, 1979,№ 9, с. 128-137.

19. Гафуров Р.А., Соловьев В.В. Диагностика внутрикамерных процессов в энергетических установках.-М.'.Машиностроение, 1991.-1991.-272с.

20. Гиневский А.С. Теория турбулентных струй и следов. -М. Машиностроение, 1969.-400с.

21. Головичев В.И. Учет химической кинетики и турбулентности в задачах неравновесной газовой динамики. В сб.: Процессы турбулентного переноса в реагирующих системах. - Минск: ИТМО АН БССР, 1985. С. 18-37.

22. Гонор А.Л., Ривкинд В.Я. Динамика капли. «Итоги науки и техн. ВИНИТИ. Сер. Механика жидкости и газа», 1982. с.86-159.

23. Горбис З.Р. Теплообмен и гидромеханика дисперсных сквозных потоков. -М.:Энергия, 1970. -424с.

24. Горение и течение в агрегатах энергоустановок: моделирование, энергетика, экология / В.Г.Крюков, В.И.Наумов, А.В.Демин,

25. A.Л.Абдуллин, Т.В.Тринос. М.: "Янус-К", 1997. - 304 с.

26. Гречко А.В. Об уменьшении выбросов оксидов азота в атмосферу при сжигании топлива// Промышленная энергетика, №2, 1999. с.45-48.

27. Гурвич Л.В., Карачевцев Г.В., Кондратьев В.Н. и др. Энергии разрыва химических связей. Потенциалы ионизации и сродство к электрону / Под ред. В.Н. Кондратьева. М.: Наука, 1974.-351с.

28. Гуреев А.А. Применение автомобильных бензинов. -М.: Химия,1972.-368с.

29. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 1.Теория рабочих процессов/ Луканин В.Н., Морозов К.А., Хачиян А.С. др.; Под ред.

30. B.Н.Луканина. -М.:Высш.шк.,1995.-368с.

31. Демин А.В. Исследование газожидкостных течений с рециркуляцией /Математическое моделирование высокотемпературных процессов в энергосиловых установках. М.: Наука, 1989. с.225-227.

32. Демин А.В., Зенуков И.А., Магсумов Т.М. Модель испарения капли жидкости многофракционного состава// Тепловые процессы в двигателях и энергоустановках летательных аппаратов. Казань; КАИ, 1985. с.10-15.

33. Демин А.В., Наумов В.И., Шайхиев Ф.Г. Численные исследования методов повышения экологичности ДВС// Труды юбилейной научно-практической конференции "Перспективы развития автомобилей и двигателей в Республике Татарстан", Наб.Челны, 1999. с.47-49.

34. Демин А.В., Наумов В.И., Касаткина JI.A., Гайнуллина Н.Ш. Численные исследования горения в ДВС с искровым зажиганием//Труды II международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера» ICAT'S 2001, Казань, с.200-203.

35. Демин А.В., Сафин Р.С., Шкаликов В.А. О возможности контроля наступления перегрева стенки по изменению электрических свойств продуктов сгорания// Тепловые процессы и свойства рабочих тел двигателей летательных аппаратов, Казань: КАИ, 1982. - 5с.

36. Демин А.В., Соколов Д.Б. Математическая модель реагирующего газожидкостного течения. Казань, 1997 (Препринт/КГТУ; 97П1). 16с.

37. Денисов Е.Т. Кинетика гомогенных химических реакций/ 2-е изд., М.: Высш.шк. 1988. -391с.

38. Дикий Н.А., Шевцов А.П. Тепло- и массообмен капель жидкости в потоке газа на участке их температурной релаксации //Физика аэродисперсных систем: Республ. Межведомственный сб. Киев, 1979. № 19. С. 78-85.

39. Дрегалин А.Ф., Магсумов Т.М., Демин А.В. Опыт разработки многофункциональных теплогенерирующих установок/Материалы научно-практической конференции "Энергосбережение в химической технологии 2000", Казань, 2000. с.78-80

40. Дрегалин А.Ф., Магсумов Т.М., Демин А.В. Оптимизация энергетических и экологических характеристик воздухонагревателя//Мате-риалы научно-практической конференции "Энергосбережение в химической технологии 2000", Казань, 2000. с.78-80.

41. Дрегалин А.Ф., Черенков А.С. Общие методы теории высокотемпературных процессов в тепловых двигателях.-М.:Янус-К, 1997.-328с.

42. Дубинкин Б.Н., Нотанзон М.С., Чамьян А.Э. О двух режимах горения в камере сгорания с зоной рециркуляции//ФГВ,1978. № 6.с.3-11.

43. Дунский В.Ф., Яцков Ю.В. Испарение капель в турбулентной газовой струе//Прикл. мех.и техн. физ., 1976, № 1, с.73-79.

44. Дэннис Дж., мл., Шнабель Р. Численные метод j безусловной оптимизации и решения нелинейных уравнений: Пер. с англ. -М.Мир, 1988. -440с.

45. Закрученные потоки: Пер. с англ./ Гупта А., Лилли Д., Сайред Н.-М.:Мир, 1987.-588с.

46. Зверев И.Н., Смирнов Н.Н. Газодинамика горения. М.: МГУ, 1987.-307с.

47. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания.-2-е изд.,перераб.-М. Машиностроение , 1981. -160с.

48. Зуев Ю.В., Лепешинский И.А. Математическая модель двухфазной турбулентной струи// Изв. АН СССР, МЖГ, 1981, №6,с.69-77.

49. Иванов А.А., Соболева Т.К. Неравновесная плазмохимия. М.:Атомиздат,1978. -264с.

50. Иванов Б.Н., Кравцов Я.И., Демин А.В., Прощекальников Д.В., Харлампиди Х.Э. Определение изменения энтальпии нефтей// Изв. РАН, Энергетика, № 3,2001. с. 120-127.

51. Иевлев В.М. Турбулентное движение высокотемпературных сплошных сред. М.: Наука, 1975.-257с.

52. Иевлев В.М. Численное моделирование турбулентных течений. -М.: Наука, 1990.-215с.

53. Ильяшенко С.М., Талантов А.В. Теория и расчет прямоточных камер сгорания. -М.: Машиностроение, 1964.-305с.

54. Калязин А.Л., Ламден Д.И. Учет переменности свойств газа при расчете испарения капель/ЛГеплофизика высоких температур, 1986, т.24, №2, с.307-312.

55. Камзолов В.Н., Пирумов У.Г. Расчет неравновесных течений в соплах. М.: Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа., 1966. № 6.с. 25-33.

56. Картушинский А.И. Перенос инерционной примеси в двухфазной турбулентной струе// Изв. АН СССР, МЖГ, 1984, №1, с.36-41.

57. Картушинский А.И., Фришман Ф.А. О миграционном переносе в двухфазной струе// Струйные течения жидкостей и газов. -Новополоцк, 1983., ч.З, с.22-28.

58. Киреев В.И., Вайновский А.С. Численное моделирование газодинамических течений.-М.:Изд-во МАИ, 1991 .-253с.

59. Компаниец В.З., Овсянников А.А., Полак Л.С. Химические реакции в турбулентных потоках газа и плазмы. М.: Наука, 1979.-240с.

60. Кондратьев В.Н. Константы скоростей газофазных реакций: Справочник. М.: Наука, 1974.-512с.

61. Кондратьев В.Н., Никитин Е.Е. Кинетика и механизм газофазных реакций. М.: Наука, 1974.-512с.

62. Кондратьев В.Н. Определение констант скоростей газофазных реакций. М.: Наука, 1971.-96с.

63. Кузнецов В.Р., Сабельников В.А. Турбулентность и горение.-М. .-Наука, 1986. -283с.

64. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие.-М.:Энергоатомиздат, 1990.-367с.

65. Лаатс М.К., Фришман Ф.А. О допущениях, применяемых при расчете двухфазной струи// Изв. АН СССР, МЖГ, 1970, №2, с. 186-191.

66. Ламден Д.И., Мостинский И.Я. Об испарении капли, тормозящейся в среде горячего газа// Теплофизика высоких температур, 1975, т.13, №6, с.1305-1308.

67. Леонтьев А.И., Цалко Э.А. Перенос частиц аэрозоля в неизотермическом турбулентном потоке//Теплофизика высоких температур, 1969, т.7, №4, с.715-722.

68. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987.-840с.

69. Лыков А.В. Тепломассообмен: Справочник. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1978.-480с.

70. Лушпа А.И. Основы химической термодинамики и кинетики химических реакций.- М.Машиностроение, 1981.-240с.

71. Магсумов Т.М., Крюков В.Г., Демин А.В. Моделирование химически реагирующих газожидкостных течений с рециркуляционнными токами// Рабочие тела и процессы в двигателях летательных аппаратов. Казань: КАИ, 1986. с. 11-18.

72. Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. Основные характеристики горения. М.: Химия, 1977.-320с.

73. Марчук Г. И. Методы вычислительной математики. -Новосибирск: Наука, 1973.-352с.

74. Математическое моделирование высокотемпературных процессов в энергоустановках /А.Ф. Дрегалин, И.А. Зенуков, В.Г. Крюков, В.И.Наумов /Под ред. В.Е Алемасова. Казань: Изд-во Казан, ун-та, 1985.-264с.

75. Математическое моделирование высокотемпературных процессов в энергосиловых установках /В.Е. Алемасов, А.Ф. Дрегалин, В.Г. Крюков, В.И. Наумов.- М.: Наука, 1989.-256с.

76. Методы расчета турбулентных течений: Пер. с англ./ Под ред. В.Колльмана.-М.:Мир, 1984. -464 с.

77. Образование и выгорание сажи при сжигании углеводородных топлив/ Ф.Г.Бакиров, В.М.Захаров, И.З.Полещук, З.Г.Шайхутдинов. -М. Машиностроение, 1989.-128с.

78. Образование и разложение загрязняющих веществ в пламени/ Н.А.Чигир, Р.Дж.Вейнберг, К.Т. Боуман, Л.С. Каретто и др.: Пер. с англ./ Под ред. Ю.Ф.Дитякина. М.Машиностроение, 1981. -407с.

79. Оран Э., Борис Дж. Численное моделирование реагирующих потоков. М.: Мир,'1990.-660с.

80. Основы практической теории горения /Померанцев В.В., Арефьев К.М., Ахмедов Д.Б. и др. Под ред. Померанцева В.В. Изд. 2-е, перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-е, 1986.-312с.

81. Основы механики гетерогенных сред/ Нигматуллин Р.И., -М.:Наука, 1978.-336с.

82. Пажи Д.Г., Галустов B.C. Основы техники распиливания жидкостей.- М.: Химия, 1984. -254с.

83. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоатомиздат, 1984.-152с.

84. Петров Ал.А. Углеводороды нефти. -М.:Наука, 1984.-264с.

85. Писсанецки С. Технология разреженных матриц: Пер. с англ. -М.:Мир, 1988.-410с.

86. Пирумов У.Г. Обратная задача теории сопла. М.: Машиностроение, 1988.-240с.

87. Раушенбах Б.В., Белый С.А., Беспалов И.В. и др. Физические основы рабочего процесса в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей. М.: Машиностроение, 1964.-522с.

88. Рознер Д.Е. Горение капель жидкости при высоких давлениях //Ракетная техника и космонавтика, 1967. № 1. С. 210-216.

89. Романовский Г.Ф. Плазменное воспламенение и сжигание топлив в судовых установках.-Л.:Судостроение, 1986.-84с.

90. Росляков П.В., Бэйцзин Чжун. Природа эмиссии быстрых оксидов азота при сжигании органических топлив//Теплоэнергетика, 1994. № 1. с.71-75.

91. Рид Р., Праустниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие. /Пер. с англ.под ред. Б.И.Соколова. -3-е зд., перераб. и доп. -Л.:Химия, 1982. -592с.

92. Самойлов Н.П., В.И. Игонин, О.А.Кашеваров,Самойлов Д.Н. Токсичность автотракторных двигателей и способы ее снижения. -Казань: Изд-во КГУ, 1997. -170с.

93. Самуйлов Е.В. О константе равновесия ионизации частиц //Теплофизика высоких температур, 1985. Т. 3. № 22. С. 216-222.

94. Сарнер С. Химия ракетных топлив//Пер. с англ. Под ред. В.А.Ильинского. -М.: Мир, 1969. -488с.

95. Сигал И.Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива, 2-е изд. -Л.: Недра, 1988.

96. Себиси Т., Брэдшоу П. Конвективный теплообмен. Физические основы и вычислительные методы. М.: Мир, 1987.-592с.

97. Coy С. Гидродинамика многофазных систем. М.:Мир, 1971.-536с.

98. Солдаткин А.В. Струйное перемешивание реагентов в химическом реакторе//Физика горения и взрыва, т.25, №4, 1989.с.67-71.

99. Сполдинг Д.Б. Горение и массообмен /Пер. с англ.; Под ред. Дорошенко В.Е. М.: Машиностроение, 1985.-240с.

100. Стернин Л.Е. Основы газодинамики двухфазных течений в соплах.-М.Машиностроение, 1974. -212с.

101. Теория тепломассообмена/ Под. ред. А.И.Леонтьева.-М.:Высш. Школа. 1979.-495с.

102. Термодинамические свойства индивидуальных веществ: Справочник в 2 т. /Под ред. акад. В.П. Глушко. М.: АН СССР, 1962.

103. Термодинамические свойства индивидуальных веществ: Справочник в 4 т, /Под ред. акад. В.П. Глушко. М.: Наука, 1978-1982.

104. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания: Справочник: В 10 т. /Под ред. В.П. Глушко. М.: ВИНИТИ, 1971- 1980.

105. Теснер П.А. Образование сажи при горении //ФГВ. 1979. № 2. с. 3-14.

106. Турбулентные двухфазные течения/Ч.П, Под ред. М.К.Лаатса, Таллин, 1979.

107. Турбулентные двухфазные течения и техника эксперимента/Ч.Н, Под ред. М.К.Лаатса, Таллин, 1985.

108. Турчак Л.И. Основы численных методов. М.: Наука, 1987.-320с.

109. Филипов В.В., Хантулева Г.А. Об определении времени жизни капли, быстроиспаряющейся в среде нагретого газаУ/Вестник ЛГУ, 1980, №1, с.85-90.

110. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука, 1988.-502с.

111. Химия горения: Пер. с англ. /Под ред. У.Гардинера, мл. -М.:Мир, 1988.-464с., ил.

112. Химическая термодинамика органических соединений/ Д.Сталл, Э.Вестрам, Г.Зинке.: Пер. с англ. -М.:Мир, 1971.-807.

113. Чертков Я.Б. Моторные топлива.-Новосибирск:Наука, 1987.-206с.

114. Чертков Я.Б., Большаков Г.Ф., Гулин Е.И. Топлива для реактивных двигателей. Л.: Недра, 1964. -226с.

115. Шенг Д.С. Обзор численных методов решения уравнений Навье-Стокса для течений сжимаемого газа//Аэрокосмическая техника, 1986, №2. с.65-92.

116. Шец Дж. Турбулентное течение. Процессы вдува и перемешивания. Пер. с англ. -М. Мир 1984. -247с.

117. Ши Д. Численные методы в задачах теплообмена: Пер. с англ. М.: Мир, 1988.-544с., ил.

118. Щербаков Н.Д., Кабичев Г.И., Серов В.В. Механизм первичных реакций хемиионизации в углеводородных пламенах// Физика горения и взрыва, т.25, № 4,1989. с.53-56.

119. Щукин В.К., Халатов А.А. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах. -М. Машиностроение, 1982.-200с.

120. Элементы системы автоматизированного проектирования ДВС: Алгоритмы прикладных программ/ Под общ. ред. Р.М.Петриченко. -Л.Машиностроение. Ленингр.отд-ние, 1990.-328с.

121. Эмануэль Н.М., Кнорре Д.Г. Курс химической кинетики. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1984.-463с.

122. Энергетическое топливо СССР: ископаемые угли, горючие сланцы, торф, мазут и горючий газ. Справочник/ Матвеева И.И., Новицкий Н.В., Вдовченко B.C. и др. -М.:Энергия,1979. -128с.

123. Ярин Л.П., Сухов Г.С. Основы теории горения двухфазных сред.-Л.:Энергоатомиздат. Ленинградское отд-ние, 1987. -240с.

124. А.с. (СССР) № 224832 / Алемасов В.Е., Магсумов Т.М., Демин А.В., Шкаликов В.А., Кульжанов Ж.К., 1985.

125. А.с. (СССР) №1257490. / Алемасов В.Е., Магсумов Т.М., Демин А.В., Потапов Г.П., Шкаликов В.А., Кульжанов Ж.К., 1986.

126. Agarrwal S., Tong A., Sirignano W. A comparison of vaporization models in spray calculation // AIAA Journal, 1984, 22, №10. pp. 1448-1457.

127. Allen M., Yetter R., Dryer F. The decomposition of nitrous oxide at 1,5<P<10,5 atm and 1103<T<1173 КУ/ Int. Journal of Chemical Kinetics, Vol.27, 1995. pp.883-909.

128. Basevich V.Ya. Chemical kinetics in the combustion processes: a detailed kinetics mechanism and its implementation/ Prog. Energy Combust.Sci.1987. Vol.13, pp. 199-248.

129. Bozelli J., Dean А. О + NNH: a possible new route for NOx formation in flames//Int. Journal of Chemical Kinetics, Vol. 27, 1995. pp.1097-1109.

130. Brezinsky K. The high-temperature oxidation of aromatic hydrocarbons// Progr. In Energy and Combustion Science, Vol. 12, 1986. pp. 1-24.

131. Bromly J., Barnes F., Muris S., You X., Haynes B. Kinetic and thermodynamic sensitivity analysis of the NO-sensitized oxidation of methane//Combust. Sci. Tech., Vol.115, 1996. pp.259-296.

132. Bromly J., Barnes F., Nelson P., Haynes B. Kinetics and modeling of the H2-02-N0x system// Int. Journal of Chemical Kinetics, Vol. 27, 1995. pp.1167-1178.

133. Burkat A., Pitz W., Westbrook C. Shock tube ignition of octane//Western States Section Meeting of Combustion Inst., Preprint UCRL-102001, 1989.

134. Calcote H. Ion and electron profiles in flames//9-th Simposium on Combustion, 1964. pp.622-637.

135. Calcote H., Kurzius S., Miler W. Negative and secondary ion formation in low-pressure flames//10-th Simposium on Combustion, 1965. pp.605-619.

136. Cathonnet M., Boettner I., James H. Experimental study and numerical modeling of high temperature oxidation of propane and n-butane//. 8-th Symposium on Combust., 1981. pp.903-913.

137. Caymay M., Peeters J. The reaction of ethane with atomic oxygen at T=600 1030 YJI 19-th Symposium on Combust., 1982. pp.51-59.

138. Chakir A., Belliman M., Boettner J. Cathonnet M. Kinetic study of n-heptane oxidation//Int. Journal of Chemical Kinetics, Vol.24, №4., 1992. pp.385-410.

139. Chang K.C., Chiu H.H. Cascade vaporization and group combustion of fuel sprays //AIAAPap., 1984. № 123. Pp. 1-12.

140. Chang K.C., Chiu H.H. Computational combustion model of thrust augmenter engines //AIAA Pap., 1985. № 87. pp. 1-9.

141. Chin J., Lefebvre A. Steady state evaporation characteristics of hydrocarbon fuel drops// AIAA Journal, 1983, Vol.21, № 10, pp.1473-1443.

142. Diau E., Halbgewachs M., Smith A., Lin M. Thermal reduction of NO by H2: kinetic measurement and computer modeling of the HNO+NO reaction// Int. Journal of Chemical Kinetics, Vol. 27,1995. pp.867-881.

143. Drake M., Correa S., Pitz R., Shyy W.> Fenimore C. Superequilibrium and thermal nitric oxide formation in turbulent diffusion flames//Combustion and Flame 69, 1987. pp.347-365.

144. Duo W., Dam-Johansen K., Stergaard K. Kinetics of the gas-phase reaction between nitric oxide, ammonia and oxygen//The Canadian Journal of Chemical Engineering, Vol.70,1992. pp. 1014-1020.

145. Dwyer H., Sanders B. Droplet heating and vaporization at high Reynolds and Peclet numbers//AIAA Pap., 1983. №1706, pp.1-9.

146. Emdee J., Brezinsky K., Glassman I. A kinetics model for the oxidation of toluene near 1200 КУ/ Journal of Physical Chemistry, Vol. 96, №5, 1992. pp.2151-2161.

147. Faeth G. Spray atomization and combustion// AIAA Pap., 1986. №136, pp.1-17.

148. Fialkov A.B. Investigations on ions in flames. Prog. Energy, Combust. Sci. Vol.23, pp.399-528.

149. Fialkov A., Kalinich K,, Fialkov B. Experimental determination of primary ions in flame//24-th Symposium on Combustion, 1992. pp.785-791.

150. Foelsche R., Keen J., Solomon W., Buckley P., Corporan E. Nonequilibrium combustion model for fuel-rich gas generators// Journal on Propulsion and Power, Vol.10, No. 4, 1994. pp.461-472.

151. Frenklach M., Taki S., Durgaprasad M.B., Matula K. Soot Formation in Shock-Tube Pyrolisis of Acetylene, Allene and 1,3-Butadiene /Comb, and Flame. 1983. № 54.

152. Glarborg P., Dam-Johansen K., Miller J., Kee R. Coltrin M. Modeling the thermal deNOx process in flow reactors. Surface effects and nitrous oxide formation//Int. Journal of Chemical Kinetics, Vol. 26, 1994. pp.421-436.

153. Glarborg P., Dam-Johansen K., Miller J. The reaction of ammonia with nitrogen dioxide in a flow reactor: Implications for the NH2+NO2 reaction //Int. Journal of Chemical Kinetics, Vol. 27, 1995. pp.1207-1220.

154. Glarborg P., Kubel D., Kristensen P., Hansen J., Dam-Johansen K. Interaction of CO, NOx and H20 under post-flame conditions// Combust. Sci. and Tech., Vols. 110-111, 1995. pp.461 -485.

155. Glarborg Pk, Miller J., Kee R. Kinetic modeling and sensitivity analysis of nitrogen oxide formation in well-stirred reactors// Combustion and Flame 65, 1986. pp. 177-202.

156. Gupta A., Lilley D. Combustion and environmental challenges for gas turbines in 1990s// Journal of Propulsion and Power, Vol. 10, №2, 1994. ppl37-147.

157. Hajireza S., Mauss F., Sunden B.Three-zone model for investigation of gas behavior in the combustion chamber of SI engine in relation to knock// SAE paper SP-1451,1999.

158. Harris S., Weiner A., Blint R. Formation of small aromatic molecules in sooting ethylene flame// Combustion and flame 72: 1988. pp.91-109.

159. Harsha P.T., Edelman R.B. Assessment of a modular ramjet combustor model //Journal Spacecraft and Rockets, 1982. V. 19.5. pp. 430-436.

160. Heywood J.B. Internal combustion engine fundamentals. McGraw-Hill, 1988. -930p.

161. Ни I., Correa S. Calculations of turbulent flames using a PSR microstructural library//26-th Int. Symposium on Combustion, 1996. -24p.

162. Hucknall D.J. Chemistry of hydrocarbon combustion. Chapman and Hall, London-New York, 1985.-415c.

163. Ionization of NO at high temperature/ Final report on phase I of NASA grant NAG-1-1211, 1991.-34p.

164. Jodal M., Lauridsen Т., Johansen K. NOx removal on a Coal-fired utility boiler by selective non-catalytic reduction//Environmental Progress, Vol.11, №4, 1992. pp.296-301.

165. Kalmar I., Mesena M. A two-zone combustion model for spark ignition engines// Proc. 1-st mini conf. on vehicle system dynamics, Budapest, 1988. pp.77-92.

166. Keer J., Parsonage M. Evaluated kinetic data on gas phase addition reactions; reactions of atoms and radicals with alkenes, alkynes and aromatic compounds//University of Birmingham, England, 1972. -100р.

167. Kriukov V.G., Demin A.V., Abdullin A.L. Modeling of the Emission of Pollutants from a Turbojet Engine and Evoluation of Its Reduction by Means of Chemical Methods. // CONFERENCE ON ENVIRONMETRICS IN BRAZIL, SAO PAULO, July 22-26,1996. pp. 123-124.

168. Kriukov V.G., Demin A.V., Abdullin A.L. Modelacion de Procesos Quimicos Desiquilibray de la Emision de NOx en la Camara de Combustion de un Turbomotor // Informacion Tecnologica, Vol.9, No 6. La Serena, Chile, 1998. 8p.

169. Law C. Effects of internal heat transfer on pure droplet vaporization//Lett. Heat and Mass Transfer, 1976. Vol.2, №6, pp.515-519.

170. Law C. Unsteady droplet combustion with droplet heating// Combustion and Flame, Vol.26, 1976. pp. 17-22.

171. Law C. Multicomponent droplet combustion with rapid internal mixing// Combustion and Flame, Vol.26, 1976. pp.219-233.

172. Law C. .Internal boiling and superheating in vaporizing multicomponent droplets// ASME Journal, 1978, 4, №24, pp.626-632.

173. Law C., Law H. Theory of quasi-steady one-dimensional diffusional combustion with variable properties including distinct binary diffusion coefficients// Combustion and Flame, Vol.29, 1977. pp.269-275.

174. Law C., Law H. A d2 -law for multicomponent droplet vaporization and combustion//AIAA Journal, Vol.20, №4,1982. pp.522-527.

175. Law C., Prakash S., Sirignano W. Theory of convective, transient, multicomponent droplet vaporization//16-th Symp.Combust.l976.pp.605-617.

176. Law C., Sirignano W. Unsteady droplet combustion with droplet heating 2: combustion limit// Combustion and Flame, Vol. 28, 1977. pp.175-186.

177. Lara-Urbaneo P., Sirignano W. Theory of transient multicomponent droplet vaporization in convective field//l 8-th Symposium on Combustion, 1981. pp.1365-1374.'

178. Lee D., Goto S., Honma H., Wakao Y., Mori M. Chemical kinetic study of chetane number enhancing additive for an LPG DI diesel engine//SAE paper 2000-01-0193, 2000. pp.23-35.

179. Levy J., Sarofim A. Higher hydrocarbon combustion: 2. Fuel-rich C1/C2 mechanism// Combustion and flame, № 53: 1983. pp.1-15.

180. Levy J., Taylor В., Longwell J., Sarofim A. CI and C2 chemistry in rich mixture ethylene-air flames//19-th Symposium on Comustion, 1982. pp.167-169.

181. Liang P., Fisher S., Chang M. Comprehensive modeling of liquid rocket combustion chamber //Jour. Propulsion and Power,Vol.2., 1986. №2. pp. 97-104.

182. Liu X., Wang C., Law C. Simulation of fuel droplet gasification in SI engines// Trans. ASME: J. Eng. Gas. Turbines and Power, Vol.106, №4, 1984. pp.849-853.

183. Munz N., Eisenklam P. The modeling of a high intensity spray combustion chamber//16-th Symposium on Combustion, 1976. pp.593-602.

184. Marinov N., Malte P. Ethylene oxidation in a well-stirred reactor// Int. Journal of Chemical Kinetics, Vol.27, 1995. pp.957-986.

185. Marinov N., Pitz W., Westbrook C., Castaldi M., Senkan S. Modeling of aromatic and polycyclic aromatic hydrocarbon formation in premixed methane and ethane flames// Combust. Sci. and Tech., Vols. 116117, 1996. pp.211-287.

186. McEnally C., Pfefferle L. Aromatic and hydrocarbon concentration measurements in non-premixed flame// Combust. Sci and Tech., 1996. Vols. 116-117, pp.181-209.

187. Modelagem Matematika dos Processos da Combustao em Motores Aerotspaciais/V.G.Krioukov, V.I.Naumov, A.V.Demin//52 SEMINARIO BRASILERO DE ANALISE, ITA-Sao Jose dos Campos, Novembro 2000. 75p.

188. Mitchel M., Charles IT, Kruger J. Partially ionized gases/ A Willey-Intrscience Publication, John Wiley & Sons, 1973. —519p.

189. Notzold D., Algermissen J. Chemical kinetics of the ethane -oxigen reaction. Part 1: high temperature oxidation at ignition temperatures between 1400 К and 1800 K//Combustion and Flame, 1981. №40, pp.293-313.

190. Panagiotou Т., Levendis Y., Carlson Jf, Dunayevskiy Y., Vouros P. Aromatic hydrocarbon emission from burning poly(styrene), poly(ethylene) and PVC particles at high temperatures// Combust. Sci and Tech., 1996. Vols. 116-117,pp.91-128.

191. Patnaik G.; Sirignano W., Dwyer H., Sanders B. A numerical tecnique for the solution of a vaporizing fuel droplet// Dyn. React. Syst. Techn. Pap., 1986. pp.253-266.

192. Pitz R., Dayli J. Combustion in a turbulent mixing layer formed at a rearward-facing//AIAA Journal, Vol. 21, №11, 1983. pp. 1565-1570.

193. Prakash S., Sirignano W. Theory of convective, transient, multicomponent droplet vaporization//AlAA Pap., 1979. -13p.

194. Prakash S., Sirignano W. Theory of convective droplet vaporization with unsteady heat transfer in the circulating liquid phase//Int.Journal of Heat and Mass Transfer, Vol.23, №3, 1980. pp.253-268.

195. Przekwas A.J., Singhal A.K., Tam L.T., Davidian K. Computational simulation of liquid rocket injector anomalies //AIAA Pap., 1986. № 1424. pp. 1-9.

196. Reinman R., Saitzkoff A., Mauss F., Glavmo M. Local air-fuel measurements using the spark plug as an ionization sensor, SAE paper 970856, 1997.

197. Saitzkoff A., Reinmann R., Berglind Т., Glavmo M. An ionization equilibrium analysis of the spark plug as an ionization sensor, SAE paper 960337,1996.

198. Saitzkoff A., Reinmann R., Mauss F., Glavmo M. In-cylinder pressure measurements using the spark plug as an ionization sensor, SAE paper 970856,1997.

199. Sangiovani J., A model for nonsteady ignition and combustion of a fuel droplet//Evaporation Combust. Fuels. Symp., 1978. pp.27-53

200. Shuen J., Chen L., Faeth G. Prediction of the structure of turbulent, particle-laden, round jets//AIAA Pap., №66, 1983. -Юр.

201. Sirignano W. Theory of multicomponent fuel droplet vaporization// Arch. Of Thermodynamics and Combustion, Vol.9., №2, 1978. pp.231-247.

202. Sirignano W., Law C. Transient heating and liquid phase mass diffusion in fuel dropler vaporization //Evaporation Combust. Fuels Symp. 172-nd Meet. Amer. Chem. Soc., San Francisco (Cal.), 1976. Wash. (D.C.), 1978. pp. 3-26.

203. Smith G., Giel Т., Catalano C. Experimental investigation of reactive, turbulent, recirculating jet mixing in dump combustor flowfield//AIAA Pap., 1981. №1122, -Юр.

204. Smyth K. NO production and destruction in a methane/air diffusion flame// Combust. Sci. Tech., Vol.115, 1996. pp.151-176.

205. Stark M., Waddington D., Oxidation of propene in the gas phase// Int. Journal of Chemical Kinetics, Vol.27, 1995. pp.123-151.

206. Tong A., Sirignano W. Analytical solytion for diffusion and circulation in a vaporizing droplet// 19-th Symposium on Combustion, 1982. pp.1007-1020.

207. Vanka S., Craig R., Stull F. Mixing, chemical reaction and flowfield development in ducted rockets //J. Propulsion and Power, V. 2. 1986. №4. pp. 331-338.

208. Warnatz J. Chemistry of high temperature combustion of alkanes up to octane//20-th Symposium on Combustion, 1984. pp.845-856.

209. Warnatz J., Bockhorn H., Moser A., Wenz H. Expelimental investigations and computational simulation of acetilene-oxigen flames from near stoichiometric to sooting conditions// 19-th Symp. On Combust., 1982. pp. 197-209.

210. Westbrook C., Dryer F. Chemical kinetics and modeling of combustion processes//18-th Symp. On Combust, 1981. pp749-767.

211. Westbrook C., Pitz W., Thornton M., Malte P. A kinetic modeling study of n-pentane oxidation in a well-stirred reactor// Combustion and Flame, №72, 1988. pp.45-62.

212. Ventura J., Suzuki Т., Yule A., Ralph S., Chigier N. The investigation of time dependent flame structure by ionization probes//18-th Symposium on Combustion, 1981. pp. 1543-1551.

213. Williams F. Ingition and burning of single liquid droplets //Astra Astronautica. 1985. V. 12. № 7-8. pp. 547-553.

214. Ying S.-J. Reduced chemical kinetics for propane combustion //AIAA Pap, 1990. № 0546. pp. 1-9.