автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Моделирование процессов горения и управление экологическими и энергетическими характеристиками тепловых двигателей и энергоустановок

На правах рукописи

АБДУЛЛИН Айрат Лесталевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИМИ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ЭНЕРГОУСТАНОВОК

05.07.05 - тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Казань2004

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

Научный консультант - доктор технических наук, профессор Крюков Виктор Георгиевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Денисов Константин Петрович

доктор технических наук, профессор Данилов Юрий Михайлович

доктор технических наук, профессор Костерин Валентин Александрович

Ведущая организация - ФГУП «Конструкторское бюро химической

автоматики», г. Воронеж

Зашита состоится 20 октября 2004 у. в 10 часов 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

Ученый секретарь диссертационного совета

А.Г. Каримова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Агрегаты, использующие в качестве рабочего тела высокотемпературные реагирующие течения типа «газ-газ» и «газ-жидкость», широко распространены в энергосиловых установках, применяемых на транспорте и в энергетике.

Все возрастающие требования к экологичности и энергоресурсоэффективности этих изделий могут быть реализованы в условиях . оптимальной организации- процессов горения и течения продуктов сгорания в рабочих объемах и трактах энергоустановок. Вместе с тем, распространенные до недавнего времени экспериментальные методы проектирования и доводки изделий вследствие высокой стоимости, невозможности рассмотрения всего спектра альтернативных вариантов, а также по ряду иных причин все в большей степени дополняются и замещаются математическими моделями. Так по результатам математического моделирования, численным экспериментом зарубежные двигателестроительные фирмы получают сегодня более 80 % новой информации и лишь около 20 % в результате натурного эксперимента. И эта тенденция сохраняется.

В качестве центрального объекта исследования в настоящей диссертации рассматриваются процессы горения, которые и сегодня являются основным способом преобразования энергии и служат основой рабочего процесса в камерах сгорания тепловых двигателей и энергоустановок. При прогнозировании эмиссионных характеристик камер сгорания тепловых двигателей определяющим фрагментом теоретического обеспечения является модель процессов горения, учитывающая кинетику химических реакций. Однако развитие этого направления сдерживается недостаточно эффективными методами решения систем «жестких» уравнений изменения состава, а также отсутствием инвариантных программ расчета химически неравновесных процессов.

Необходима разработка новых, более простых и вместе с тем универсальных и корректных методов моделирования рабочих процессов в камерах сгорания тепловых двигателей и энергоустановок.

Цель работы.

Развитие методов моделирования химически реагирующих течений в высокотемпературных агрегатах энергоустановок, реализующих стационарные и квазистационарные рабочие процессы (камеры сгорания газотурбинных установок, газогенераторы, топки и т.п.); разработка и использование новых высокоэффективных вычислительных алгоритмов с целью повышения экономичности математического и программного

обеспечения при достаточной корректности результатов расчета; разработка физических схем, математических моделей и инвариантных программ расчета характеристик рабочих процессов в агрегатах тепловых двигателей и проведение численных исследований с целью оптимизации их экологических и энергетических характеристик.

Научная новизна.

1. Для решения задач интегрирования уравнений химической кинетики предложен и подробно исследован метод сплайн-интегрирования и две его версии: с коррекцией (СК) и без коррекции ^К).Проведен подробный анализ обеих версий и даны рекомендации по использованию метода.

2 Разработана физическая схема, оригинальная математическая модель, базирующаяся на тепловой модели фронта пламени, алгоритм и универсальная программа для расчета параметров фронта пламени (нормальная скорость распространения фронта, состав, температура и т.д.) при высоких давлениях.

3. Разработана физическая схема, математическая модель, алгоритм и инвариантная программа для расчета параметров реагирующего течения в камере сгорания ГТД, учитывающая неравновесное изменение состава рабочего тела с учетом образования конденсированной фазы, в т.ч. сажеобразование, переменность геометрии канала и возможность подвода произвольного компонента в произвольных сечениях канала.

4. Развита физическая схема, математическая модель, алгоритм и инвариантная программа для расчета параметров реагирующего газожидкостного течения в камере сгорания газогенератора, которая учитывает химическую неравновесность в газовой фазе, полидисперсность распыла капель, скоростную неравновесность капель, переменность профиля канала, нестационарный прогрев и испарение, в т.ч. равновесное и сверхкритическое, образование конденсированной фазы, в т.ч. сажеобразование, учет теплообмена со стенкой камеры сгорания.

5. Разработаны детальные кинетические схемы образования токсичных веществ (в том числе - оригинальная схема сажеобразования) при реализации рабочего процесса в высокотемпературных агрегатах тепловых двигателей и энергоустановок.

6. С использованием созданного программного обеспечения проведены вычислительные эксперименты, в результате которых получены данные по влиянию режимных и конструкционных параметров на экологические и энергетические характеристики реагирующих потоков в реальных энергоустановках, в частности:

a) при горении бикомпонентного горючего (ацетилен+аммиак) в воздухе определены режимы, на которых наблюдаются две взаимодействующие зоны горения;

b) установлены режимы повышенного образования токсичных веществ (N0», СО) в камере сгорания ВРД;

^ определен режим повышенного сажеобразования в восстановительном газогенераторе, работающем на топливе «метан-кислород»; <3) определены режимы стабильного горения смеси (N204 + С2Н8Ы2)газ+ (N204)* в камере газогенератора.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждена сопоставлением полученных результатов численных исследований с экспериментальными данными, а также обусловлена применением при разработке моделей фундаментальных положений теории горения, термогазодинамики, тепломассообмена, химической кинетики и прикладной математики.

Практическая ценность.

Разработанное в рамках диссертационного исследования математическое и программное обеспечение, модели и методы расчета рабочих процессов, позволят значительно ускорить проектирование перспективных, экологически чистых тепловых двигателей и энергоустановок при сохранении высокой точности результатов. Инвариантные модели реальных процессов и устройств могут быть использованы также при разработке перспективных систем диагностики, контроля и управления экологическими и энергетическими характеристиками этих агрегатов.

С использованием разработанных моделей проведены численные исследования экологических и энергетических характеристик отдельных агрегатов тепловых двигателей, выполненные в рамках хозяйственных договоров с Государственным ракетным центром «КБ им. Ак. В.П. Макеева» (г. Миасс), ФГУП «Исследовательский центр им. М.В.Келдыша» (г.Москва), НПО «Сатурн» (г.Москва), ФГУП «Конструкторское бюро химической автоматики» (г.Воронеж), Научно-исследовательским институтом химического машиностроения (г.Сергиев Посад), Государственным институтом прикладной химии (г. Санкт-Петербург).

Результаты исследований используются также в учебном процессе подготовки инженеров-двигателистов в КГТУ им.А.Н.Туполева по следующим курсам: «Токсичность ДВС», «Математическое

моделирование высокотемпературных процессов», «Процессы горения в ДВС», «Основы химической кинетики», а также при курсовом и дипломном проектировании.

На защиту выносятся:

1. Результаты работы по разработке и использованию новых высокоэффективных методов расчета реагирующих систем.

2. Результаты работы по развитию базового математического и инвариантного программного обеспечения для расчета процессов в тепловых двигателях и энергоустановках.

3. Модель расчета характеристик фронта пламени при высоких давлениях.

4. Модель прогнозирования эмиссии вредных выбросов из камеры сгорания ГТД.

5. Модель расчета характеристик реагирующего газожидкостного течения в газогенераторе.

6. Результаты работы по моделированию и численному исследованию экологических и энергетических характеристик реагирующих потоков в тепловых двигателях и энергоустановках.

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах:

1. III Всесоюзная конференция (спецтема), Москва, МАИ, 1985.

2. IX Всесоюзная научно-техническая конференция(спецтема), Куйбышев, 1987.

3. Международная научно-техническая. конференция «Механика машиностроения» (ММ-95), КамПИ, г.Наб.Челны, 28-30марта 1995.

4. Всероссийская научно-практическая конференция «ГТД наземного применения. Проблемы конструирования камер сгорания и турбин». Пермь, 28-30ноября 1995.

5. Международная НТК «Актуальные проблемы математического моделирования и автоматизированного проектирования в машиностроении». (МОДЕЛЬ-ПРОЕКТ 95). г.Казань:КГТУ, 31.0503.06.1995.

6. Международный семинар «Экологически чистые камеры сгорания», г.Москва, фирма СНЕКМА, 14.10.1998.

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

8. Международная НПК «Автотранспортный комплекс. Проблемы и перспективы развития». Москва, МАДИ, 11.12.2000.

9. V Международная конференция по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ - 2004), Самара,5-10.07.2004.

10.Intemational symposium heat transfer enhancement in power machinery / HTEPM 95. MSTU, Moscow, Russia, 1995.

11. II Congresso ibero-americano de engenharia mecanica. Belo-Horizonte, MG, Brasil, Dezembro, 1995.

12. International scientific and technical seminar on power plant installations, aerodynamics and problems of aircraft instrument making. Kazan, Russia. 1995.

13.CESA'96 1MACS Multiconference (Computational Engineering in Systems Application). Lille - France, July 9-12,1996.

14.VI Congreso latinoamericano de transferencia de calor у materia. Santa Catarina - Brazil, November 11-14,1996.

15.Conference on environmetrics in Brazil. Sao Paulo,SP, Brazil, July 2226,1996.

16.XIV-th Brazilian congress of mechanical engineering. Bauru, SP, Brazil. 12. 1997.

17.XVII Congresso ibero-latinoamericano de metodos computacionais para engenharia. Brasilia, DF, Brazil. 1997.

18.XX Congresso nacional de matematica aplicada e computacional CNMAC, Gramado, RS, Brazil. 1997.

19.1nternational symposium COBEM-2003, San-Paulo, SP, 2003. 20.XLI-st Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, Nevada, 6-9 January 2003.

Кроме того, материала: диссертационной работы обсуждались на ряде региональных семинаров и конференций.

Публикации. Результаты исследований отражены в 38 публикациях, включая 1 монографию.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 254 наименований. Общий объем работы составил 309 страниц машинописного текста, включая 137 рисунков, 15 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе обоснована актуальность численного моделирования высокотемпературных реагирующих течений и практическая значимость работы, рассматриваются основные принципы математического моделирования и методы расчета высокотемпературных реагирующих течений.

Известно, что процессы горения, протекающие в агрегатах тепловых двигателей и энергоустановок, представляют собой сложный комплекс физико-химических взаимодействий, таких как конвективный и диффузионный массообмен, фазовые переходы, химические реакции в газовой и жидких фазах, межфазные теплообменные процессы, турбулентность и т. п. Характерным является также значительная неоднородность рабочих тел в реакционных объемах энергоустановок.

Применительно к энергоустановкам в настоящее время сформировалось два подхода к моделированию процесса горения, которые условно можно обозначить, как «газодинамический» и «реакторный» (рис.1)

Рис. I. Модели преобразования веществ

При газодинамическом подходе формируются модели, для которых характерна многомерность течений, детальный учет газодинамики потока и эффектов турбулентности с привлечением одной из моделей преобразования веществ. Большой вклад в развитие этого направления внесли Агафонов В.П., Пирумов У.Г., Полянский О.Ю., Головичев В.И., Зверев И.Н., Иевлев В.М., Киреев В.И., Глебов Г.А.,Черный Г.Г, Лосев С.А., Кузнецов В.Р., Стрелец М.Х., Гришин AM., Фомин В.М., Овсянников А.А., Рычков А.Д., Boris J.P., Jiang T.L., Chiu Huei-Huang, Eaton A.M., Smoot L.D., Blom J.G., Verwer J.G. и др.

В подавляющем большинстве разработок, выполненных на базе этого подхода, используются модели «мгновенного реагирования» или «суммарно-кинетические». Кроме того, если, например, реагирующая среда является газожидкостной, то модели тепломассообмена между фазами также существенно упрощаются. Процессы при газодинамическом подходе описываются уравнениями в частных производных и для их решения используются соответствующие численные схемы, базирующиеся на конечно-разностном или конечно-элементном представлении рабочего объема. Как правило, используются неявные схемы расчета, что приводит к необходимости вовлечения матриц большой размерности, но в случаях применения моделей «мгновенного реагирования» или «суммарных реакций» объем расчета не является столь значительным.

Вместе с тем известно мало работ, где при 2-х, 3-х мерном моделировании течений вовлекается формальная химическая кинетика.

В итоге представляется проблематичным применение этого подхода, например, для корректного прогнозирования экологических характеристик в энергоустановках.

При реакторном подходе основное внимание уделяется моделированию физико-химических явлений, включая более сложные, чем

«мгновенного реагирования» или «суммарные реакции» модели химического взаимодействия (рис.1). Однако при этом предполагается обычно однородное распределение параметров по объему или одномерность течения реагирующей смеси.

Весомый вклад в развитие этого направления внесли Франк -Каменецкий ДА, Зельдович Я.Б., Алемасов В.Е., Пирумов У.Г., Дрегалин А.Ф., Полак Л.С., Наумов В.И., Гидаспов В.Ю., Демин А.В., Spalding D.B., Coffee T.P., Kotlar A.J., Oran E.S., Miller M.S., Frenklach M, Taki S., Gupta A., Kee R.J., Gardiner W.C., Warnatz J., Glarborg P., Westbrook C, Dryer F., Pratt D.T., Kregel M.D. и др.

В этом подходе наибольшее распространение получила модель формальной химической кинетики, т.к. она позволяет решать практически все задачи горения в энергоустановках (включая экологические). При этом реактор рассматривается как гомогенная реагирующая среда переменного объема, которая может обмениваться теплом и массой с внешней средой, изменять по времени параметры состояния (температура, масса, давление) и даже двигаться.

Равновесные и суммарно-кинетические модели широко используются для прогнозирования энергетических характеристик теплонапряженных агрегатов, но мало пригодны для описания химически неравновесных систем и прогнозирования экологических характеристик продуктов сгорания.

Модели неравновесной химической кинетики, используемые для условий нарушения равновесного распределения энергии по степеням свободы, несмотря на высокую точность получаемых результатов, как правило, реализованы в программы, недостаточно эффективные для практических приложений, что проявляется в: длительности времени счета, неустойчивости вычислительного процесса, значительных ограничениях по области применения (малый набор веществ и реакций, невысокие давления и температуры и т.д.).

Следует отметить, что настоящая диссертационная работа выполнена в рамках реакторного подхода и использует модель формальной химической кинетики. В этом случае процесс горения описывается системой дифференциально-алгебраических уравнений, которая в зависимости от состава реагирующей среды и схемы процессов моделируемого агрегата может быть чрезвычайно сложной и включать сотни «жестких» уравнений. Среди методов, уже применяемых для решения уравнений этого типа, можно отметить экспоненциальные, асимптотические, неявные методы экстраполяции, а также методы, использующие формулы дифференцирования назад.

Однако эти методы требуют большого количества вычислительных операций и с увеличением количества реакторов, имитирующих реагирующую среду, их объем существенно возрастает (пропорционально

кубу числа реакторов) и поэтому проблема разработки и применения новых, более экономичных методов решения «жестких» уравнений является актуальной.

Далее приводится подробный анализ существующих на сегодняшний день моделей высокотемпературных реагирующих течений, на основе которого формулируются цели и задачи диссертационного исследования.

Вторая глава посвящена численным методам решения задач химической.кинетики и развитию базовой модели, положенной в основу пакета NERCHEM [1], разработанной для моделирования сложных аэротермохимических процессов в высокотемпературных средах. На основе этой модели создан ряд инвариантных программ, используемых как в России, так и за рубежом. Центральным элементом для моделирования в этой методике является нестационарный -реактор идеального смешения (НРИС), который представляет собой безградиентное пространство переменного объема с несбалансированным массоподводом и массоотводом.

Этот подход представляется вполне обоснованным при моделировании стационарных. одномерных течений, характерных для большинства высокотемпературных агрегатов энергетических установок. НРИС, заключенный между двумя, близко расположенными поперечными сечениями канала, движется со скоростью газа. При этом его основные термодинамические параметры (V, р, М, I, Т, г,) существенно изменяются.

В базовой модели, кроме представления реагирующего потока в виде НРИС, используются также следующие положения: справедливы основные закономерности формальной химической кинетики, для газовой фазы принимается уравнение состояния идеального газа, массоподвод в реагирующую газовую среду моделируется реакциями массообмена, конденсированная фаза гетерогенных продуктов сгорания представляется «большими молекулами», справедливо правило предельного перехода (сопряжение с химически равновесным состоянием).

При моделировании рабочих процессов в конкретных агрегатах физическая схема дополняется соответствующими явлениями и допущениями.

Основой базовой модели являются уравнения изменения состава в экспоненциальной форме:

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

где: = Л="1п(г,),

г, - мольная доля /-го вещества; р - давление; Лй - универсальная газовая постоянная; х - время; т1 - индекс участия ву-й реакции каталитической частицы М (т; = 1 если частица М участвует в у-й реакции; от, = 0 - при отсутствии частицы Л/); уу, - стехиометрические коэффициенты химических реакций; п, - число рассматриваемых веществ- ; /и, -количество реакций в кинетическом механизме; ^ - константа скорости у-й реакции.

Система уравнений изменения состава реагирующей смеси (1) является жесткой и для ее решения в базовой модели используется предложенный Пирумовым У.Г. 0-метод.

При этом используются следующие параметры: количество итераций на п-ом шаге интегрирования тп\ максимальное относительное изменение значения неизвестной между итерациями на данном шаге интегрирования

тах|Дх;"/х;|; максимальное относительное изменение значения

неизвестной на шаге интегрирования число шагов

интегрирования, рассчитанных без перевычисления элементов матрицы Якоби /у.

Величина шага интегрирования, а, следовательно, объем и точность вычислений, определяются следующими параметрами контроля: допустимое относительное изменение значения неизвестной на шаге интегрирования Дт; допустимая погрешность приближений на шаге интегрирования допустимое максимальное количество приближений на шаге интегрирования допустимое количество приближений без пересчета матрицы частных производных т„; допустимое минимальное количество шагов интегрирования, пройденных без пересчета матрицы частных производных

Итерации на шаге завершаются, если: тщ > тр или

т®х|Дх""/*.' | < еы •

Длительная апробация математической модели на различных типах задач и наборах исходных данных позволила установить следующие значения параметров: Д, =0,005; £и=10"5; «/>= 12; = 3; т= 7.

Наиболее трудоемкой частью алгоритма является вычисление элементов матрицы Якоби:

где ¡Лр= 1.....и,;/ = I,..., 2тс; 5- символ Кронекера.

а) у", (1) = гГ'(0\

Ь)

(4)

При этом аналитическое определение частных производных эффективней численного и требует меньшего объема вычислений.

В настоящей работе для решения уравнений (1) параллельно с 0-методом был использован метод сплайн-интегрирования.

В соответствии с этим методом значения у1 на каждом шаге интегрирования (т„,..., г„+/) аппроксимируются квадратичным полиномом:

гГ'(*)=<*'+ (3)

где: ?=(г-0/й„и; 0 2 г < 1; а также гГ'(о)=г."; гГ'{0=хГ" -значения у, в начале и в конце п+1 -го шага интегрирования; а"'1, А,"*'. с,"" - коэффициенты полинома.

В данной работе проанализированы две версии метода сплайн-интегрирования.

В версии метода сплайн-интегрирования без коррекции (БК-версии) предполагается равенство значений искомого параметра у, и его производной на границе шагов интегрирования, т.е. справедливы равенства:

Эг: (0 _ дуг (о).

дт дт '

т.е. в начале итераций на интервале (г„ ,..., гя*/) значения коэффициентов я,"*1, ¿"'однозначно определены, неизвестными остаются только коэффициенты с,"*' и уравнения (1) приводятся к следующей системе:

ГГ' = ЬГ + 2сГ' - к, /,(< сГ' >) = о (5)

для дальнейшего решения которой также используем метод Ньютона. При-этом частные производные матрицы Якоби будут выглядеть следующим, образом:

|^ = 2£+А,Ле'< и ^Пу-ЕЕ^а] (6)

ОСь I р 1

В методе сплайн-интегрирования с коррекцией (СК-версия) после определения значений а"', с"', у"' по методу БК проводится коррекция коэффициентов Ь"'1 по формулам:

К'1 +ОН.1- (7)

где:*,=^-Л' (уГ'-г;)-г; +гГ^ +/,.>„); ч,={у: -уГ -*Дг)М„.

Сопоставление метода сплайн-интегрирования с 0-методом проводилось для условий адиабатного реактора.

Для этого были выбраны две топливные композиции:

a) «О2+Н2» с набором компонентов: Н, О, Нг, Ог, Н20, ОН, НО2 и кинетическим механизмом из 10 элементарных реакций;

b) обогащенный воздух (02(60%) и N2(40%)) в качестве окислителя и горючее из смеси газов: С2Н2 (10%) + СН4 (80%) + NH3 (10%). Учитывается 30 компонентов, среди которых: N, N2, NO, NO2, NH, NH2, NH3, HNO, Н, Н2, О, Ог, н2о, О, СО, ОН, НСО, Н2СО, Н02, С02 Кинетический механизм включает 121 элементарную реакцию.

Для сравнения методов были приняты: индикаторы погрешности

параметры химически неравновесной среды; е - параметры равновесия, а/а -число /- ых атомов в к - ой молекуле, а также суммарный индикатор погрешности 8rt =]Ti5r,. В качестве индикаторов объема вычислений рассматриваются следующие параметры : Np - общее количество итераций на шагах интегрирования; Nj - количество перевычислений матрицы Якоби.

Две версии (SK и СК) сплайн-интегрирования были апробированы в рамках инвариантного программного комплекса ADIABAT (p,I=const) наряду с традиционным для подобных расчетов 9- методом. Исследовалось влияние на точность и экономичность математических моделей следующих параметров: допустимое относительное изменение значения неизвестной на шаге интегрирования- Л,; допустимая, погрешность приближений на шаге интегрирования е„ и интервал интегрирования tf.

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

- в сравнении с традиционным 0- методом метод сплайн-интегрирования с коррекцией (СК) обладает лучшей экономичностью (более, чем в 2 раза) и более высокой точностью независимо от «жесткости» системы (см.рис.2);

- схема без коррекции SK , которая в целом предпочтительнее 6- метода, допускает осцилляции при больших значениях что приводит к существенному увеличению объема вычислительных операций.

В процессе выполнениям данного диссертационного исследования наряду с изменениями и дополнениями в базовую математическую модель существенной трансформации подверглось и программное обеспечение.

Эта модернизация выполнена в рамках стандарта FORTRAN 95 и обеспечила дружественный интерфейс при работе с пользователем, улучшила лингвистический анализ символьных переменных, применяемый при обработке наборов веществ и химических реакций.

атомарного состава смеси <5г =-т—-

где : d -

9000]

4300

Рис.2. Зависимость индикатора погрешности и количества итераций от допустимой погрешности приближений на шаге интегрирования ец для трех расчетных схем: 0-метод (метод Пирумова), БК- и СК-версии сплайн-интегрирования

Апробация численных- методов» проводилась путем сопоставления расчетов, полученных по программе ADIABAT, с данными Kee, R.J., Rupley, F.M., Meeks, E., Miller J.A., определенными по аналогичной программе из пакета CHEMKIN при идентичных начальных условиях: горючее - Н2, окислитель - переобогащенный воздух (96,77 % 02, 3,23% Мл),/? = 1 атм, Т = 1000К, kmúaM = 49,01.

Реагирующая среда H-N-0 в обоих вариантах включает 35 химических реакций и следующий набор веществ: Н, О, N, ОН, NNH, NH, NO, HNO,

о2, н2, н2о2, н2о, но2, n2o, n2> nh3, nh2, no2.

Сравнение расчетных данных показало очень хорошее совпадение, как по молекулярным соединениям, так и по радикалам. Таким образом, несмотря на различные формы уравнений, различные методы решений, различные базы данных (ТТИ - для программы ADIABAT, и TERM - для программы CHEMKIN) результаты, полученные по обеим программам, хорошо согласуются.

В третьей главе обобщены результаты работы по анализу и обработке данных о термодинамических и термохимических свойствах индивидуальных веществ.

В настоящее время известно несколько баз данных, различающихся компонентной специализацией," формой представления термодинамических свойств веществ, используемой размерностью. В диссертации подробно проанализированы известные базы данных BURCAT, TERMO, IVTANTHERMO и отмечено, что они включают информацию о большом количестве веществ и поэтому необходимо создать некоторый инструмент

для конвертирования этой информации из указанных баз данных в базу данных пакета NERCHEM.

Математические . модели, реализованные в пакете NERCHEM, используют следующие архивы данных: INDAW - содержит информацию о реагирующих средах, а также INDIW- содержит информацию о свойствах газообразных и INDIWK- о свойствах конденсированных веществ, основой для которых послужила база данных ТТИ.

Для расширения нашей рабочей базы данных был разработан алгоритм и автономный программный модуль (версии APPRF1 и APPRF2) конвертирования информации из различных баз данных, в частности: BURCAT, TERMO, IVTANTHERMO. Принципиальная идея этого конвертирования заключается в трансформации полиномов базы-донора в табличный вид с последующей аппроксимацией в форму, принятую в рабочей базе.

По результатам серии тестовых расчетов погрешность реаппроксимации функций находится в допустимых

пределах на всем температурном интервале и для всех типов веществ (как газообразных, так и конденсированных). Максимальная погрешность отмечается для конденсированных веществ в интервале от 300К до 400К. В целях большей однозначности определения коэффициентов реаппроксимации рекомендуется использовать версию программного модуля с двойной точностью (APPRF2).

Апробация разработанного программного обеспечения и модернизированной базы данных INDAW, INDIW, INDIWK проводилась при детальном исследовании процесса восстановления N0 в присутствии NHj для реагирующей среды N-H-O, для чего была сформирована собственная кинетическая схема.

Сравнение экспериментальных (Roby R.J. и Bowman C.T.) и расчетных значений концентраций N0 по длине канала дает погрешность в пределах 10-15%, что вполне приемлемо при прогнозировании столь малых концентраций, характерных для токсичных компонентов, а эпюры концентраций основных продуктов сгорания демонстрируют практически полное совпадение результатов.

В четвертой главе приведена разработанная автором математическая, модель процессов во фронте ламинарного пламени в условиях предварительно перемешанной смеси.

Физическая схема базируется на тепловой модели фронта, т.е. не учитывает диффузию активных частиц в свежую смесь, а предполагает, что горение поддерживается за счет передачи тепла теплопроводностью от продуктов сгорания к свежей смеси.

Как показано в работе, это предположение представляется вполне корректным при моделировании процессов в условиях повышенных давлений.

При формировании физической схемы необходимо учитывать, что использование традиционной формы модели ламинарного фронта горения с простым отбрасыванием диффузионного члена в уравнении изменения состава не позволит значительно сократить объем вычислений, т.к. приводит к известной конечно-разностной схеме с последующим решением огромного числа жестких дифференциальных уравнений.

Поэтому в данной диссертации тепловая модель представляется в новой форме, позволяющей существенно сократить объем вычислений, увеличить устойчивость счета, расширить область исследуемых топливных композиций и режимов.

Рис.3. Потоки энергии в элементарном объеме фронта пламени

Для этого уравнение энергии записывается исходя - из анализа потоков энергии, проходящих через п+1- элементарный, объем фронта пламени (рнс.З) на стационарном режиме:

и, пренебрегая влиянием слагаемого £//,/)„ С окончательно

/// - массовые энтальпии (текущая и свежей смеси соответственно),/1 индекс принадлежности к свежей смеси. Кроме выражения (10) в систему уравнений входит уравнение изменения скорости газовой смеси:

уравнение взаимозависимости состава, энтальпии и температуры смеси:

и уравнения изменения состава реагирующей смеси (1).

Граничные условия на холодной границе включают следующие величины: состав г,, энтальпия // и температура 7/ свежей смеси. Необходимо задавать небольшое превышение начальной температуры То над Tf , чтобы исключить условие-Значение AT-=T0~Tf целесообразно задавать в пределах 5...30 К (так, чтобы- не внести значительную погрешность в результаты расчета). На горячей границе должно реализовываться соотношение: I - If = 0,что позволяет исключить dT dr, п

традиционные условия

dx dx

Соответствующий данной модели программный комплекс FRONT инвариантен относительно набора веществ и совокупности химических реакций, позволяет вести учет малых концентраций и, как показала практика, обладает хорошей устойчивостью расчета. При тестировании математической модели и комплекса FRONT проведены численные эксперименты по определению нормальных скоростей горения различных топливных композиций, прогнозированию их экологических и энергетических характеристик.

Сопоставление полученных результатов с экспериментальными данными Andrews, G.E., Bradley D.; Coffee T.P., Kotlar A.J. and Miller M.S., (рис.4) позволяет сделать вывод о значительном влиянии диффузионных процессов на характеристики метано-воздушного пламени при давлении до 4-5 атм., но с ростом давления начинает доминировать тепловой механизм, что объясняет хорошее соответствие экспериментальных и расчетных данных в диапазоне р = 5 + 50 атм (рис.4).

"„(м/с) 0,5 0.4" 0,3"

0,2" 0,1" 0"

2

3

0

10

20

30

40 р (атм)

Рис.4. Зависимость нормальной скорости пламени стехиометрической метано-воздушиой смеси от давления при 7/ =300К: 1 - речультаты Andrews, G.E., Bradley D., 2 - результаты Coffee Т.Р., Kotlar A.J. and Miller M.S., 3 - результаты расчета по программе FRONT.

В связи с этим дальнейшие подробные исследования характеристик ламинарного пламени метано-воздушной смеси проводились в условиях повышенных давлений при р=10 атм.

В следующей серии численных экспериментов исследовались характеристики горения- аммиачно-воздушной смеси. Выбор этой топливной композиции обоснован возможным применением аммиака в энергетических установках. Так из анализа литературных источников известно, что одним из эффективных способов нейтрализации оксидов азота в продуктах сгорания является восстановление оксидов азота в присутствии аммиака. При моделировании реагирующей системы H-N-0 был использован кинетический механизм, включающий 64 обратимые химические реакции.

В ходе численных экспериментов определялись характеристики фронта пламени аммиачно-воздушной смеси в зависимости от содержания аммиака в воздухе, которое варьировалось от 10 до 50 %.

Из рис.5 видно, что расчетные значения нормальных, скоростей пламени в зависимости от содержания аммиака в воздухе хорошо согласуются с экспериментальными данными В.Ф. Заказнова, Л.А. Куршевой, З.И. Фединой. В результате численных исследований установлен интервал возможного горения предварительно перемешанной аммиачно-воздушной смеси при нормальных условиях.. Минимальная концентрация аммиака определена в пределах 10-12%, а максимальная -около 45%.

Рис.5 Нормальная скорость пламени в зависимости от содержания NHj в воздухе; Д-результаты экспериментов В.Ф. Заказнова, JI.A. Куршевой, З.И. Фединой, о - результаты расчета по программе FRONT

В целом результаты тестовых расчетов по исследованию различных топливных композиций показали, что разработанная модель адекватно описывает процессы во фронте пламени предварительно перемешанных смесей и при высокой экономичности и точности может найти применение в научных исследованиях и в практике.

Среди большого числа публикаций практически не встречаются теоретические исследования горения бикомпонентного горючего во фронте пламени, когда один компонент горючего имеет высокую скорость горения, а другой - низкую (например, "Нг + СО" + воздух или "С2Н2 + воздух, т.к. сложный характер изменения концентраций продуктов сгорания негативно сказывается на устойчивости вычислительного процесса.

С помощью же программы FRONT проведение подобных численных экспериментов для достоверных интервалов давлений не вызывает трудностей. Так в очередном расчетном, цикле были исследованы характеристики реагирующей смеси, в которой окислителем является воздух, а горючее представляет собой смесь ацетилена и аммиака. Относительное содержание ацетилена в составе горючего определяется варьируемым параметром z и в целом бикомпонентное горючее представляется формулой:

Расчеты проводились для стехиометрической смеси при следующих начальных условиях : при изменении z в интервале

z = 0 - 1. Кинетический механизм состоит из 124 обратимых химических реакций. В набор реагирующих компонентов входят следующие индивидуальные вещества: N, N2, NO, NO2, NH, NH2, NH3, HNO, Н2О2, N20, H, H2, O, 02, С, H20, CO, OH, CH2, CH3, CH4, HCO, H2CO, C2H, HO2, СгНл, C2H5, C2Hj, C2H4, C2H2, C02. При этом нормальная скорость фронта ип изменялась от значения скорости пламени аммиачно-воздушной смеси (при z = 0) до значений, характерных для ацетилено-воздушной смеси (при z = 1). Вследствие более высокой .теплоты сгорания ацетилена по сравнению с аммиаком отмечался рост температуры продуктов сгорания в зависимости от z более, чем на 500К. Кроме того для смесей с высокой концентрацией аммиака характерен повышенный всплеск

энтальпии во фронте пламени.

Установлено, что при z = 0,45 , когда концентрация СгН2 в составе горючего значительна, происходит активное окисление ацетилена с образованием промежуточных компонентов и радикалов, способствующих в свою очередь интенсивному разложению аммиака NH3. В этой связи поведение бикомпонентного горючего во фронте пламени при можно характеризовать, как горение монокомпонентного горючего.

На рис. 6-7 приведены характеристики реагирующей среды при z = 0,05 ( 5% С2Н2 + 95% NH3) при стехиометрическом соотношении горючего и окислителя.

2500

2000

■3 1500

1000

500

NH3

02 у \\

о \

........СгНг

0,25

0.20

0,15

0,10

0,05

0,00

0.0

0,2

0,4

0,6

х(мм)

Рис. 6 . Изменение Т, /у^, , rfjWi во фронте пламени стехиометрической смеси "(7C2H2 + (1-z) NHj) +воздух" (р=6атм, 7)=ЗООК, z = 0,05)

Очевидно, что ацетилен С2Н2 полностью разлагается на длине х = 0,3 мм, тогда как интенсивное разложение аммиака ЫНз начинается при х = 0,4 мм (рис.6).

В результате внутри фронта пламени формируются две зоны горения:

a) первая - в интервале х = 0,25...0,30 мм - зона горения ацетилена;

b) вторая - в интервале х - 0,30...0,50 мм - зона горения аммиака.

Эти зоны испытывают взаимное влияние. Так горение С2Н1 в первой зоне приводит к возникновению отдельных промежуточных компонентов и незначительному росту концентраций активных радикалов О, Н, ОН, ИНг , инициирующих начало горения ЫН}. В свою очередь горение ЫНз во второй зоне вызывает дополнительный рост температуры реагирующей среды и усиливает тепловой поток в первую зону разложения С2Н2. В результате подобного взаимодействия нормальная скорость фронта пламени для горючего, на 95% состоящего из аммиака, значительно превосходит известные значения для чистого NHз.

При анализе характеристик на рис.7 интересным является изменение концентрации Н2, который образуется в результате пиролиза компонентов горючего. Как правило, подобные вещества имеют максимум, характеризуя интенсивность горения. В данном случае эпюра изменения

Н,

имеет два выраженных пика (рис.7), соответствующих 2-м зонам

горения с отдельным сгоранием каждого

компонента. Таким образом, несмотря на то, что нормальные скорости фронта пламени для существенно различаются, в смеси оба

компонента горят с одинаковой скоростью, т.к. даже незначительная концентрация нестабильного компонента при горении генерирует

дозу радикалов, инициирующих быстрое сгорание более стабильного вещества КЫ3. Раздельное горение наблюдается также при г = 0,1; 0,15 .

В пятой главе рассматриваются вопросы моделирования реагирующего гомогенного потока в камере сгорания газотурбинного двигателя. Для прогнозирования основных эмиссионных характеристик реагирующих потоков с подводом газа разработана математическая модель, алгоритм расчета, а также программа ЕЯБ основанные на представленном в диссертации формально-кинетическом подходе.

При разработке физической схемы допущения базовой модели дополнены следующими: давление по длине канала постоянно, смешение горючего и окислителя происходит мгновенно, жидкий компонент испаряется до фронта пламени, охлаждение рабочей смеси пристеночным потоком воздуха не учитывается, керосин представляется смесью сложных углеводородов, которые разлагаются при повышенных температурах.

Необходимо подчеркнуть, что предлагаемая модель является одним из первых приложений формально-кинетического подхода к задаче прогнозирования эмиссионных характеристик камер сгорания. На данном этапе приведенные выше допущения вполне приемлемы.

С учетом принятых допущений физическая схема, описывающая реагирующие газовые потоки в характерных зонах камеры сгорания, будет состоять из уравнений изменения скорости смеси, температуры и химического состава газовой смеси, а также уравнения неразрывности.

Подвод дополнительных веществ в основной поток моделируется реакциями массоподвода, например, для воздуха:

Разработанная математическая модель является инвариантной по отношению к рассматриваемым компонентам топлива и подводимым в поясах подвода газовым смесям, т.е. вместе или вместо воздуха может подводиться любой газ. Начальные условия включают следующие известные величины: состав энтальпия температура и скорость свежей смеси, а также состав и расход подводимого в поясах подвода газа.

Модель учитывает такие факторы как: химическое взаимодействие (в рамках формальной химической кинетики); горение во фронте пламени; комплексное прогнозирование газообразных и конденсированных веществ (в том числе прогнозирование эмиссионных характеристик); подвод компонентов в поясах подвода и химическое взаимодействие основного и подведенного потоков; изменение профиля канала.

Тестирование программного комплекса ЕЯБ, а также сформированных кинетических схем образования токсичных веществ, проводилось, в частности, для условий экспериментов, выполненных А.В.Талантовым, В.А.Щукиным, И.Н.Дятловым. В результате проведенных расчетов можно отметить, что: сравнение с экспериментами (рис.8) подтверждает правильность выбранного подхода для расчета эмиссионных характеристик.

ю1

10"

10»|-,---i-,-

13 1.4 1.5 16 1.7 1.8

ALFA

Рис.8. Зависимость концентрации N0, от коэффициента избытка воздуха

* - расчетные значения по программе ERD, □ - экспериментальные значения, полученные А.В.Талантовым, В.А.Щукиным, И.Н.Дятловым

В диссертации- приведены результаты вычислительных экспериментов по определению" влияния отдельных конструктивных и режимных параметров на экологические характеристики камеры сгорания. В частности, созданный программный комплекс ERD позволяет оценить влияние конечности процессов смешения на экологические характеристики путем замены одного сечения подвода воздуха несколькими с мгновенным смешением в каждом сечении.

Кроме того, приводятся результаты численных исследований влияния режимов полета на токсичность продуктов сгорания. Получены зависимости, позволяющие оценить характер изменения концентраций токсичных веществ (N0,, СО) и интенсивность процесса горения по длине камеры для различных л;,*, высот полета и чисел Маха.

На рис. 9 приведены эпюры Тцо~/(Щ на выходе из камеры сгорания для Как видно, с увеличением скорости полета и степени

повышения давления к„* концентрация N0 в продуктах сгорания существенно возрастает.

Представленная серия вычислительных экспериментов демонстрирует принципиальную пригодность созданной модели для определения эмиссионных характеристик проектируемых камер ВРД в различных условиях полета и дросселирования

Рис.9. Зависимость эмиссии N0 от Рис.10. Изменение rso по длине камеры

числа М(Н= 20км) сгорания для различных топлив:

1 -Н2 + воздух; 2 - керосин + воздух;

3 - СН4 + воздух

В диссертации приведены также сравнительные исследования эмиссионных характеристик таких перспективных топлив воздушно-реактивных двигателей, как метан и водород (рис.10), анализ которых позволяет сделать следующие выводы:

В условиях базового режима использование водородо-воздушного топлива энергетически наиболее выгодно. Вместе с тем концентрация NО в продуктах сгорания водородо-воздушной смеси для исследуемой камеры и режимов существенно выше, чем у традиционного топлива керосин + воздух.

При использовании метано-воздушного топлива температура продуктов сгорания несколько ниже, чем у традиционного топлива при более высоких экологических характеристиках.

В шестой главе приводится описание и модификация исходной математической модели процессов в реагирующем газожидкостном потоке, а также описание программного комплекса GAZGEN и результаты численных исследований. Математическая модель учитывает такие явления, как: полидисперсность спектра распыла капель, скоростную и температурную неравновесность капель жидкости и газа, конечность скоростей протекания химических реакций в газовой фазе, переменность геометрии канала, нестационарный и неравновесный прогрев капли по радиусу, газификацию капли жидкости при до- и сверхкритических давлениях, реальные свойства паров испаряющейся жидкости. Приняты

следующие допущения: газожидкостныи, поток является одномерным, спектр распределения капель по размерам принимается дискретным, капли жидкости имеют сферическую форму, а пограничный слой вокруг них моделируется приведенной пленкой, испарение жидкости моделируется «реакциями массоподвода». При р>ркр испарение капли моделируется, как процесс, идущий в два этапа: 1- нестационарный прогрев поверхности до некоторой температуры Т„р (близкой к Т^,)', 2- прогрев внутренних слоез капли при постоянной температуре

С учетом принятых допущений, базовая, модель реагирующего газожидкостного течения представляет собой систему обыкновенных дифференциальных и алгебраических уравнений, состоящую из уравнений: изменения скорости газа и жидкости, сохранения энергии для всей смеси, изменения температуры и состава газовой фазы, изменения массы, температуры и теплосодержания капель. Искомые величины: у, ,т„ Ф» аь ^пУцЫ^Т/, И/-, ¡г, где 5, Г - индексы принадлежности к жидкой и газовой фазе соответственно (5 = 1...п, где п- количество групп капель).

Автором данной диссертации были выполнены следующие изменения в исходной математической модели. Для обеспечения возможности учета конденсированных частиц, необходимого при моделировании процесса сажеобразования, характерного для восстановительных газогенераторов, работающих на углеводородном топливе, в физическую схему была внедрена концепция «больших молекул» (БМ) и система уравнений изменения состава была дополнена соотношениями для концентраций «больших молекул»: 1/

с1с &

(13)

Г I

-где - число молекул в «большой молекуле»

Также в целях повышения устойчивости счета, особенно при сверхкритических давлениях и при переходе ко второму этапу испарения, организован более корректный расчет температуры поверхности капли, которая является определяющим параметром при переходе ко второму этапу испарения. Для этого в модель для каждой группы капель были включены уравнения:

ах

= (2ГЬ + С + Оа)-'

-Т-'-^ЬО, 2Еа)£ Ф ах т; ах ах

(14)

Кроме того, по заданию Государственного института прикладной химии (г. Санкт-Петербург) модель была дополнена модулем расчета теплообмена со стенкой камеры сгорания.

Наряду с указанными изменениями и дополнениями физической схемы и математической модели, в рамках данного диссертационного

исследования проведена модернизация программного комплекса GAZGEN, который переведен на новый стандарт FORTRAN- 95, существенно расширена его база данных. Кроме этого GAZGEN дополнен модулем термодинамического расчета, позволяющим проводить расчеты первой зоны двухзонного газогенератора в условиях химического равновесия и оценить влияние химической неравновесности на процессы во второй зоне газогенератора.

Для расчета характеристик восстановительных рабочих тел (Н-С-О) предложена кинетическая схема, дополненная оригинальным механизмом образования сажевых частиц через полиацетилены и их радикалы. При этом предполагалось, что БМ полиацетиленов имеют термодинамические свойства сажи независимо от их состава. Процесс сажеобразования описывался следующими реакциями с участием БМ:

где в одной большой молекуле предполагается 100 обычных; * - индекс БМ (конденсированной фазы); с - индекс принадлежности к саже.

Реакции типа (15) описывают рост сажевых частиц путем конгломерации полиацетиленов на поверхности активной частицы, тогда как реакции типа (16) характеризуют гетерогенное разложение тяжелых углеводородов на поверхности этих частиц. В условиях избытка полиацетиленов и их радикалов сажеобразование идет интенсивно и реакции (15),(16) протекают в прямом направлении, но в условиях дефицита "строительных материалов" сажеобразование останавливается и начинается обратный процесс, когда реакции (15),(16) протекают в обратном направлении.

Как показали предварительные расчеты, непосредственный акт коагуляции (15) либо гетерогенного разложения на поверхности частицы (16) происходит практически мгновенно, а лимитирующими для процесса сажеобразования являются реакции образования полиацетиленов и их радикалов С2Н2, СзН, С4Н2, С4Н, С^Нг, СбН, С^Нг, СяН. В механизм химических реакций могут быть также добавлены реакции выгорания сажи, однако в условиях существенного недостатка окислителя, характерных для восстановительных газогенераторов, реакциями выгорания частиц сажи можно пренебречь.

В диссертации приведены результаты численных исследований характеристик метано-кислородной смеси в двухзонном газогенераторе. В настоящее время применение этих высокоэффективных и перспективных агрегатов ограничено из-за повышенного содержания сажи в продуктах сгорания, которая, осаждаясь на поверхности различных агрегатов

С4Н — 0,01 (С4Н)\; С6Н—0,01 (С6Н)\;

С6Н2-0,01(Сб)'с+Н2; С4Н2- 0,01(С4)>Н2

(15)

(16)

(например, на лопатках турбонасосных агрегатов), приводит к значительным отклонениям от расчетных режимов работы.

В результате численных экспериментов определена зависимость сажеобразования от суммарного коэффициента избытка окислителя, который варьировался в диапазоне (Хм — 0,07—4,0. Концентрация сажи изменяется здесь с максимумом в интервале а,*, =0,25+0,35. Кроме того, на режимах максимального сажеобразования наблюдается также и максимальное превышение неравновесной температуры продуктов сгорания над равновесной ЛТ « 400 К. В то же время, на режимах минимального сажеобразования (ам <0,1, а также стот>0,6) эта разница не превышает 20 градусов. Это подтверждает тот факт, что сажа является продуктом химической неравновесности, а прогнозирование характеристик рабочих процессов при интенсивном сажеобразовании с использованием химически равновесных моделей может привести к заметной ошибке по составу и температуре (до 15 %).

В диссертации приведены также результаты численных исследований реагирующих течений (N20« + С2Н8Ы2)газ+ (N204),, в газогенераторе ЖРДУ. Была смоделирована ситуация, когда в первой зоне газогенератора вырабатывается равновесная рабочая смесь продуктов сгорания азотного тетроксида и несимметричного диметилгидразина с избытком горючего Во второй зоне в газовую смесь подводится

балластирующий жидкий компонент N2(1)4 в количестве, необходимом для достижения коэффициента избытка окислителя а01С =7,0.

т,к 3000

2000

1000

0,001 0.01 0,1 1.м

Рис. 1.1. Влияние относительных скоростей газа и жидкости на процесс горения смеси: а«, 1 = 0.3, 7,0.<3|=25мкм, d2="200 мкм,1 - Ur= u,= 10 м/с, 2 - ur=100 м/с,иж= 50 м/с

Очевидно, что при таком высоком расходе балластирующего компонента и относительно низкой температуре газа возникает опасность прекращения процесса горения. Для предотвращения этого явления были подобраны соответствующие скорости газа и капель жидкости, определен начальный спектр распыла и относительный расход по каждой группе капель (рис. 11,12).

Т.К

3000 2000 1000

0,001 0.01 0,1 и

Рис.12. Влияние спектра распыла капель на процесс горения смеси: Оо, ! = 0,3, Оо,цх = 7,0, иг= 11«= 10 м/с, 1- с1|=25мкм, <Ь=75 мкм, 2 - с1|=25мкм, <1г= 200 мкм, 3 - <1|=7мкм, ¿2=300 мкм

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

В результате проведенного диссертационного исследования решены следующие задачи:

1. Получила дальнейшее развитие базовая математическая модель и программное обеспечение для моделирования высокотемпературных реагирующих потоков, базирующаяся на понятии нестационарного реактора идеального смешения:

а) Для решения задач химической кинетики предложен метод сплайн-интегрирования. Подробно исследованы две версии метода: с коррекцией (СК) и без коррекции выполнено их сравнение с 0-

методом, в результате чего получены следующие результаты:

- метод сплайн-интегрирования с коррекцией (СК) является более экономичным (примерно в 2 раза), чем метод и обеспечивает высокую точность независимо от «жесткости» системы;

- при больших интервалах времени интегрирования решение задач прогнозирования характеристик реагирующих течений целесообразно проводить методом сплайн-интегрирования с

Произошло затухание смеси

коррекцией (СК), т.к. схема без коррекции (SK) в этом случае допускает осцилляции, что приводит к существенному увеличению объема вычислительных операций.

b) Существенно дополнена и модернизирована в соответствии со стандартами FORTRAN 95 базовая часть пакета NERCHEM, создан дружественный интерфейс, существенно облегчающий работу пользователя, повышая, тем самым, конкурентоспособность пакета.

c) Проведена модернизация базы данных и разработан инструментарий для конвертирования информации о свойствах индивидуальных веществ из различных баз данных, что значительно расширяет спектр исследуемых реагирующих сред.

2. Разработаны физические схемы, математические модели, алгоритмы и инвариантные программы для решения задач:

a) расчета характеристик ламинарного фронта пламени при высоких давлениях - программа FRONT;

b) прогнозирования эмиссионных характеристик в камере сгорания ВРД - программный комплекс ERD, где учитывается неравновесное изменение состава рабочего тела с учетом образования конденсированной фазы, изменение - параметров рабочего тела во фронте пламени, переменность, геометрии канала и возможность подвода произвольного компонента в произвольных сечениях канала;

3. Модифицирован программный комплекс GAZGEN для расчета параметров реагирующего газожидкостного течения в камере сгорания газогенератора, который учитывает химическую неравновесность в газовой фазе, полидисперсность распыла капель, скоростную неравновесность капель, переменность профиля канала, нестационарный прогрев и испарение, в т.ч. равновесное и сверхкритическое, образование конденсированной фазы, в т.ч. сажеобразование, учет теплообмена со стенкой камеры сгорания, обладает хорошей устойчивостью расчета.

4. Тестирование разработанных математических моделей и программных комплексов подтвердило их достоверность, показало хорошее качественное и количественное совпадение с результатами экспериментальных исследований.

5. Разработаны детальные кинетические схемы образования токсичных веществ, в том числе: механизм образования NO в присутствии NH3, а также оригинальная схема сажеобразования.

6. В результате численных исследований горения во фронте стехиометрической смеси "z-CjHj + (1 - z)-NHj + воздух" установлено:

- При горение бикомпонентного горючего

реализуется по типичной схеме монокомпонентного горючего с соответствующим изменением температуры, энтальпии, концентраций продуктов сгорания и активных радикалов.

При z < 0,2 наблюдаются две зоны горения: в первой происходит сгорание ацетилена, а во второй - сгорание аммиака. В результате распределение характеристик по длине фронта пламени имеет некоторые особенности, такие как наличие пиков на эпюре изменения Н2 и характерных прогибов на эпюре изменения энтальпии и концентрации промежуточных веществ.

7. При расчете эмиссионных характеристик камеры сгорания ВРД установлено:

a) с увеличением скорости полета и степени повышения давления л,* концентрация N0 в продуктах сгорания существенно возрастает, в то время как для оксида углерода наблюдается обратная зависимость.

b) Сравнительное исследование по использованию в качестве горючих для ВРД водорода, керосина и метана позволило сделать следующие выводы:

- водородо-воздушное топливо энергетически является наиболее выгодным. Концентрация в его продуктах сгорания для исследуемой камеры и режимов существенно выше, чем у традиционного топлива «керосин + воздух»;

- при использовании метано-воздушного топлива температура продуктов сгорания несколько ниже, чем у традиционного топлива при более лучших экологических характеристиках.

8. В результате численных исследований параметров реагирующих газожидкостных течений в камере сгорания газогенератора установлено:

- сажа является продуктом химической неравновесности и прогнозирование характеристик рабочих процессов при интенсивном сажеобразовании с использованием химически равновесных моделей может привести к заметной ошибке по составу и температуре (до 15%);

- режим максимального сажеобразования в восстановительном газогенераторе, работающем на топливе «метан-кислород», определен в области а« я 0,3;

- определены режимы стабильного горения смеси (Ыг04 +

в камере газогенератора.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Абдуллин А.Л. Исследование свойств газожидкостного течения смеси (СН4+02)г+СН4ж / Математическое моделирование высокотемпературных процессов в энергосиловых установках. - М.: Наука, 1989. с.218-220.

2. Абдуллин А.Л. Математическое моделирование процессов во фронте пламени с использованием методологии НРИС / Авиационная техника, № 4.2003.С.41-44

3. Лбдуллин А.Л. Численное исследование процессов во фронте ламинарного пламени однородной смеси. Казань, 2003 (Препринт/КГТУ; 03П7). - 43с.

4. Лбдуллин A^. Моделирование процессов нейтрализации токсичных продуктов ДВС // Труды Международной НПК «Автотранспортный комплекс. Проблемы и перспективы развития». Москва, МАДИ, П.12.2000.-1с.

5. Абдуллин А.Л., Пегусов A.M. Математическая модель физико-химических процессов в «закрытом» фронте пламени камеры сгорания ВРД // Тез. докл. Международной научно-технической конференции «Механика машиностроения» (ММ-95) , КамПИ, г.Наб.Челны, 28-ЗОмарта 1995,2 с.

6. Абдуллин А.Л. Численные исследования параметров рабочего тела в камере сгорания ГТД //Тез. докл. Всероссийской научно-практической конференции «ГТД наземного применения. Проблемы конструирования камер сгорания и турбин». Пермь, 28-30ноября 1995.-1с

7. Абдуллин А.Л., Фишман В.Н. Численные. исследования параметров рабочего тела в камере сгорания // Тез. докл. Международной научно-технической конференции «Механика- машиностроения» (ММ-95), КамПИ, г.Наб.Челны, 28-30марта 1995, 2 с.

8. Алемасов В.Е., Крюков В.Г., Абдуллин А.Л. Формирование механизма сажеобразования на основе метода «больших молекул»// Рабочие, тела и процессы в ДЛА.- Казань: КАИ, 1986. с. 1-6.

9. Алемасов В.Е., Крюков В.Г., Абдуллин А.Л. Спецтема//Тез. докл. 3 Всесоюзной конференции,-Москва: МАИ, 1985.-2с

10. А.с. (СССР) № 1041891 / Абдуллин Л.З., Ржевский Е.В., Абдуллин А.Л.,1984.

11. Абдуллин А.Л., Демин А.В., Крюков В.Г. и др. Опыт разработки математических моделей и численных исследований высокотемпературных процессов в энергосиловых установках // Тез. докл. Международной НТК "Актуальные проблемы математического моделирования и автоматизированного проектирования, в машиностроении" (МОДЕЛЬ-ПРОЕКТ 95), - Казань: КГГУ, 1995. - 2с.

12. 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.

13. Крюков В.Г., Абдуллин А.Л., Дуригон А. Применение метода сплайн-функции для решения задач химической кинетики/ Вестник КГТУ, №3,2004. с.41-48.

14. Крюков В.Г., Абдуллин А.Л. Математическое моделирование реагирующих газожидкостных потоков с использованием методологии нестационарного реактора идеального смешения // Тез. докл. V Между-

народной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ-2004),CaMapa,5-10.07.2004.cl30-131.

15. Крюков В.Г., Наумов В.И., Демин А.В., Абдуллин А.Л. Программная система для расчета физико-химических процессов в энергетических установках // Тез. докл. V Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ - 2004), Самара, 5-10.07.2004. с.131-132.

16. Крюков В.Г., Абдуллин А.Л. Спецтема // Тез. докл. IX Всесоюзной научно-технической конференции, - Куйбышев:КуАИ,1987.-2с

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

18. Abdullin A.L., Fishman V.N. Numerical modeling of chemical nonequilibrium flows in combustion chambers of aircraft gas turbine engines. International symposium heat transfer enhancement in power machinery / HTEPM 95. MSTU, Moscow, Russia,1995. pp.38-41

19. Abdullin A.L., Fishman V.N. Modeling of chemical reacting flows in gas turbine combustor with pollutant formation // Тез. докл. на международной НТК «Актуальные проблемы математического моделирования и автоматизированного проектирования в машиностроении». (МОДЕЛЬ-ПРОЕКТ 95). г.Казань: КГТУ, 31.05-03.06.1995. - 2с.

20. Abdullin A.L., Iskhacova R.L. Frente de chama: modelagem e pesquisa das caracteristicas detalhadas / XlV-th Brazilian Congress of mechanical engineering, Brazil. 1997.-8 pp.

21. Abdullin A.L., Iskhacova R.L., Knorst D. Frente de chama: uma abordagem para a simulacao numerica / XX Congresso nacional de matematica aplicada e computacional CNMAC, Brazil. 1997.-2 pp.

22. Abdullin A.L., Iskhacova R.L., Knorst D. Pesquisa computacional da formacao de poluentes em frente de chama / XVIII Congresso Ibero Latinoamericano de Metodos Computacionais Para Engenharia. Brazil. 1997.-7 pp.

23. Gortyshov Yu.F. , Tarasevich S.E., Abdullin A.L. etc. Mathematical and physical simulation of heat exchange processes in energy plant elements and cryogenic evaporators/ International Scientific and Technical Seminar on Power Plant Installations, Aerodynamics and Problems of Aircraft Instrument Making. Kazan, Russia. 1995. pp.4-17

24. Kriukov V.G., Abdullin A.L. Modelagem e pesquisa dos processos de combustao nos fluxos / II Congresso ibero-americano de engenharia mecanica. Brazil, 1995.-4 pp.

25. V.Kriukov, A. Abdullin, Durigon A. Method of spline-interpolation: application in chemical kinetic equations / In proceedings of COBEM-2003, San-Paulo, SP, Brazil. 2003.- 10 pp

26. V.Naoumov, V.Kriukov, A. Abdullin Chemical kinetics software system for the propulsion and power engineering/AIAA Paper 2003-854.pp 1-11.

27. V.Naoumov, V.Kriukov, A. Abdullin, ADemin. Modeling of combustion and flow in the combustors of rocket gas generators / AI AA Paper 2003-126. pp 1-11.

28. Naumov V.,Kriukov V.,Demin A Abdullin A.,Trinos T.,Kondrasheva L. Modeling and numerical analysis of high-temperature chemical non-equilibrium processes in rocket and aircraft units // CESA'96 IMACS Multiconference (Computational Engineering in Systems AppJication). Lille -France, July 9-12, 1996. pp. 196-201.

29. Kriukov V.G., Demin AV., Abdullin A.L. Modelagem de processos quimicos desequilibrados e da emissao NOX emcamara de combustao de turbomotor // VI Congreso latino-americano de transferencia de calor у materia. Santa Catarina, Brazil, November 11-14,1996. pp.281-286.

30. Kriukov V.G., Demin AV., 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, SP, San-Paulo, July 22-26,1996. pp. 123-124.

31. 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 // Information tecnologica, Vol.9, No 6. La Serena, Chile, 1998-8p.

Кроме того, отдельные результаты диссертационной работы опубликованы в материалах региональных конференций и семинаров.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ.л. 20 Усл.печл. V. ^&Усл.кр.-отт. ^.Уч.-изд.л. 2.0 . Тираж 100. Заказ

Издательство Казанского государственного технического университета

Типография издательства Казанского государственного Технического университета 420111 Казань, К. Маркса, 10

ч 1 68 83

Введение

1. Состояние вопроса и задача исследования

1.1. Актуальность математического моделирования 7 процессов горения

1.2. Модели химического взаимодействия и подходы 10 к моделированию процессов горения

1.3. Модели, методы и программное обеспечение расчета 17 высокотемпературных процессов

1.4. Постановка задачи

2. Инвариантная математическая модель химически 29 неравновесных процессов и ее модификации

2.1. Краткое описание исходной базовой математической 29 модели и алгоритма

2.2. Решение уравнений изменения состава методом 38 сплайн-интегрирования

2.3. Сравнение 9-метода с СК и SK версиями сплайн- 49 интегрирования при численном исследовании топлива «О2+Н2»

2.4. Сопоставление 0-метода и СК-версии сплайн- 62 интегрирования для топлива «обогащенный воздух + (С2Н2 +

CH4 + NH3)»

2.5. Модификация программного комплекса и сравнение с 84 CHEMKIN

3. Модификация архивов и разработка инструмента 91 для расширения базы данных

3.1. Характеристика основных баз данных

3.2. Методика конвертирования информации из различных 100 баз данных

3.3. Формирование кинетического механизма образования 106 N0 в присутствии NH

4. Математическое моделирование процессов во фронте 127 пламени с использованием методологии НРИС

4.1. Математическая модель процессов во фронте пламени

4.2. Алгоритм решения и описание программного 136 комплекса «FRONT»

4.3. Апробация математической модели процессов во фронте пламени

4.4. Численное исследование параметров фронта пламени 161 смеси «(С2Н2 + NH3) + воздух».

5. Моделирование реагирующего гомогенного потока в 177 камере сгорания

5.1.Математическая модель реагирующего гомогенного 177 потока в камере сгорания

5.2. Краткое описание программного комплекса "ERD"

5.3.Тестирование математической модели при 195 прогнозировании эмиссионных характеристик

5.4.Исследование влияния темпа смешения воздуха с 209 продуктами сгорания на эмиссионные характеристики

5.5. Исследование влияния режимов полета на эмиссионные 215 характеристики камеры сгорания ВРД

5.6.Исследование эмиссионных характеристик 222 перспективных топлив воздушно-реактивных двигателей

6. Моделирование реагирующих газожидкостных потоков

6.1. Исходная математическая модель

6.2.Дополнения модели реагирующего газожидкостного 241 течения

6.3. Описание программного комплекса "GAZGEN"

6.4. Кинетическая схема процесса сажеобразования

6.5. Апробация и исследование режимов сажеобразования 262 при течении метано-кислородной смеси в двухзонном газогенераторе

6.6. Численные исследования течений «(N2O4 + C2H8N2)raJ+ 275 (N204),k » в камере газогенератора ЖРДУ

Агрегаты, использующие в качестве рабочего тела высокотемпературные реагирующие течения типа «газ-газ» и «газ-жидкость», широко распространены в энергосиловых установках, применяемых на транспорте и в энергетике.

Все возрастающие требования к экологичности и энергоресурсоэффективности этих изделий могут быть реализованы в условиях оптимальной организации процессов горения и течения продуктов сгорания в рабочих объемах и трактах энергоустановок. Вместе с тем, распространенные до недавнего времени экспериментальные методы проектирования и доводки изделий вследствие высокой стоимости, невозможности рассмотрения всего спектра альтернативных вариантов, а также по ряду иных причин все в большей степени дополняются и замещаются математическими моделями. Так по результатам математического моделирования, численным экспериментом зарубежные двигателестроительные фирмы получают сегодня более 80 % новой информации и лишь около 20 % в результате натурного эксперимента [70]. И эта тенденция сохраняется.

При прогнозировании эмиссионных характеристик камер сгорания тепловых двигателей определяющим фрагментом теоретического обеспечения является модель процессов горения, учитывающая кинетику химических реакций.

Вместе с тем разработанное на базе математических моделей программное обеспечение, должно быть максимально удобным при практической реализации, инвариантным по отношению к набору веществ, реакций и конструктивным особенностям конкретного реактора. Кроме того, математическая модель и программное обеспечение должны быть открытыми для дальнейших дополнений и модификаций.

Предметом исследования настоящей диссертации является развитие методов математического моделирования процессов горения и управления экологическими и энергетическими характеристиками высокотемпературных агрегатов энергоустановок.

В первой главе рассмотрено современное состояние вопроса, актуальность моделирования процессов горения, представлен обзор моделей, методов и программного обеспечения для расчета высокотемпературных реагирующих течений, выполнен анализ библиографии по моделированию процессов: во фронте пламени, камерах сгорания ВРД, газогенераторах, определена задача исследования.

Вторая глава посвящена математическому моделированию химически неравновесных процессов на базе реакторного подхода. Здесь представлены: исходная физическая схема и уравнения химической кинетики в экспоненциальной форме, приведено описание метода Пирумова (9-метода) и алгоритма решения. Предложен и подробно анализируется метод сплайн -интегрирования с коррекцией (СК) и без коррекции (SK), описана модификация базового программного обеспечения.

В третьей главе обобщены результаты работы по анализу и обработке данных о термодинамических и термохимических свойствах индивидуальных веществ, описан состав и структура используемых архивов, представлен инструментарий для расширения базы данных, а также результаты тестовых исследований.

В четвертой главе приведена математическая модель процессов во фронте ламинарного пламени предварительно перемешанной смеси. Данная модель реализована в программном комплексе "FRONT". Здесь же представлены результаты апробации модели и программного комплекса, а также результаты численного исследования характеристик фронта пламени реагирующей смеси "(С2Н2 + NH3) + воздух".

В пятой главе рассматриваются вопросы моделирования реагирующего гомогенного потока в камере сгорания газотурбинного двигателя.

Приводится алгоритм решения и описание программного комплекса "ERD". Представлены результаты тестирования математического и программного обеспечения, а также сформированных кинетических схем образования токсичных веществ. Приведены результаты вычислительных экспериментов по определению влияния отдельных конструктивных и режимных параметров на экологические характеристики камеры сгорания, а также исследование эмиссионных характеристик перспективных топлив воздушно-реактивных двигателей.

В шестой главе приводится математическая модель, алгоритм и описание программного комплекса "GAZGEN" для расчета параметров реагирующего газожидкостного потока в газогенераторе. Сформирована кинетическая схема процесса сажеобразования. Приведены результаты численных исследований характеристик метано-кислородной смеси в двухзонном газогенераторе, а также реагирующих течений (N2O4 + C2H8N2)raj+ (Ы204)ж в камере газогенератора ЖРДУ.

Автор выражает глубокую признательность научному консультанту, доктору технических наук, профессору Крюкову В.Г. за постоянную помощь и ценные замечания, высказанные им при подготовке настоящей диссертации.

Автор искренне благодарен академику РАН, доктору технических наук, профессору В.Е.Алемасову , чл.-корр. АН РТ, доктору технических наук профессору А.Ф.Дрегалину, доктору технических наук, профессору В.И.Наумову, доктору технических наук Т.М.Магсумову, доктору технических наук, профессору А.В.Демину за поддержку данной работы.

Выход

Рис. 4.4. Блок-схема управляющего модуля FMAIN ПК «FRONT»

Формирование вспомогательных массивов веществ

Формирование вспомогательных массивов реакций

Считывание и обработка исходных данных

Подготовка расчета при очередном приближении ы/д

Интегрирование системы уравнений на текущем шаге

Определение следующего шага интегрирования

Проверка необходимости следующего шага интегрирования

Определение очередного приближения и/и

Проверка необходимости очередного приближения ир

Рис. 4.5. Блок-схема кинетического модуля БКШЕТ

Вход

Проверка на необходимость вычисления термохимических параметров веществ.

Вычисление констант диссоциации веществ

Вычисление термохимических параметров обратных направлений химических реакций

Определение «консервативных» величин

Вычисление правых частей дифференциальных уравнений

Проверка на необходимость вычисления элементов матрицы частных производных

Вычисление частных производных уравнений химической кинетики

Вычисление частных производных уравнений сопутствующих процессов

Преобразование матрицы частных производных (Ш-декомпозиция)

Вычисление неизвестных на шаге интегрирования

Рис. 4.6. Блок-схема подпрограммы РБУМ!

4.3. Апробация математической модели процессов во фронте пламени

При тестировании математической модели и программного комплекса "FRONT" проведены численные эксперименты по определению нормальных скоростей горения различных топливных композиций, прогнозированию их экологических и энергетических параметров.

В первой серии численных экспериментов исследовались параметры метано-воздушной среды. Выбор этой топливной композиции объясняется широким распространением метана и все более активным его применением в тепловых двигателях, предусмотренным федеральной целевой программой перевода техники на газомоторное топливо. Исследованию процессов горения метана посвящено значительное количество работ [2123,101,102,109,111,113,117,124,190208,222,225,226]. Кроме того, метан открывает ряд предельных углеводородов и основные закономерности, выявленные для него, характерны для всей группы предельных углеводородов.

Кинетический механизм для системы C-H-N-0 , сформирован на основе анализа работ [15-17, 40-42,102,120,121,124,184,185,193,201,235,248] и после оптимизации составил 340 элементарных химических реакции, прямые направления которых приведены в табл. 4.1. Характерной особенностью данного механизма является то, что он описывает химическое взаимодействие предельных углеводородных соединений, образующих топливо-воздушные смеси, близкие к стехиометрическим. Поскольку образование сажи для подобных смесей не характерно, то реакции сажеоб-разования не включены в кинетический механизм. В набор реагирующих компонентов вошли следующие индивидуальные вещества О, Н, N, С, Н02, ОН, Н2, 02, Н20, СО, С02, СН4, С2Н2, С2Н4, С2Н6, СНЗ, СН2, СН,

С2Н, С2НЗ, С2Н5, Н2С0, НСО, ШЗ, ЫН2, ЫН, ШО, НСЫ, СЫ, N00, НС20, СЗН6, N21-12, N2H, N0, N02, N20, СЗН8, СЗН7, N2.

Заключение

В результате проведенного диссертационного исследования решены следующие задачи:

1. Получила дальнейшее развитие базовая математическая модель и программное обеспечение для моделирования высокотемпературных реагирующих потоков, базирующаяся на понятии нестационарного реактора идеального смешения: a) Для решения задач химической кинетики предложен метод сплайн-интегрирования. Подробно исследованы две версии метода: с коррекцией (СК) и без коррекции (SK), выполнено их сравнение с 0-методом, в результате чего получены следующие результаты:

- метод сплайн-интегрирования с коррекцией (СК) является более экономичным (примерно в 2 раза), чем 0- метод и обеспечивает высокую точность независимо от «жесткости» системы;

- при больших интервалах времени интегрирования решение задач прогнозирования характеристик реагирующих течений целесообразно проводить методом сплайн-интегрирования с коррекцией (СК), т.к. схема без коррекции (SK) в этом случае допускает осцилляции, что приводит к существенному увеличению объема вычислительных операций. b) Существенно дополнена и модернизирована в соответствии со стандартами FORTRAN 95 базовая часть пакета NERCHEM, создан дружественный интерфейс, облегчающий работу пользователя, повышая, тем самым, конкурентоспособность пакета. c) Проведена модернизация базы данных и разработан инструментарий для конвертирования информации о свойствах индивидуальных веществ из различных баз данных, что значительно расширяет спектр исследуемых реагирующих сред.

2. Разработаны физические схемы, математические модели, алгоритмы и инвариантные программы для решения задач: a) расчета характеристик ламинарного фронта пламени при высоких давлениях - программа FRONT; b) прогнозирования эмиссионных характеристик в камере сгорания ВРД - программный комплекс ERD, где учитывается неравновесное изменение состава рабочего тела с учетом образования конденсированной фазы, изменение параметров рабочего тела во фронте пламени, переменность геометрии канала и возможность подвода произвольного компонента в произвольных сечениях канала;

3. . Существенно модифицированы математическая модель и программный комплекс GAZGEN для расчета параметров реагирующего газожидкостного течения в газогенераторе, в которых учитывается химическая неравновесность в газовой фазе, полидисперсность распыла капель, скоростная неравновесность капель, переменность профиля канала, нестационарный прогрев и испарение, в т.ч. равновесное и сверхкритическое, образование конденсированной фазы, в т.ч. сажеобразование, учет теплообмена со стенкой камеры сгорания.

4. Тестирование разработанных математических моделей и программных комплексов подтвердило их достоверность, показало хорошее качественное и количественное совпадение с результатами экспериментальных исследований.

5. Разработаны детальные кинетические схемы образования токсичных веществ, в том числе: механизм образования N0 в присутствии NH3, а также оригинальная схема сажеобразования.

6. В результате численных исследований горения во фронте стехиометрической смеси "г-СгРЬ + (1 - z)-NH3 + воздух" установлено:

- При z > 0,2 горение бикомпонентного горючего С2Н2 + NH3 реализуется по типичной схеме монокомпонентного горючего с соответствующим изменением температуры, энтальпии, концентраций продуктов сгорания и активных радикалов.

При ъ < 0,2 наблюдаются две зоны горения: в первой происходит сгорание ацетилена, а во второй - сгорание аммиака. В результате распределение характеристик по длине фронта пламени имеет некоторые особенности, такие как наличие пиков на эпюре изменения Н2 и характерных прогибов на эпюре изменения энтальпии и концентрации промежуточных веществ.

7. При расчете эмиссионных характеристик камеры сгорания ВРД установлено: a) с увеличением скорости полета и степени повышения давления кк* концентрация N0 в продуктах сгорания существенно возрастает, в то время как для оксида углерода наблюдается обратная зависимость. b) Сравнительное исследование по использованию в качестве горючих для ВРД водорода, керосина и метана позволило сделать следующие выводы:

- водородо-воздушное топливо энергетически является наиболее выгодным. Концентрация N0* в его продуктах сгорания для исследуемой камеры и режимов существенно выше, чем у традиционного топлива «керосин + воздух»;

- при использовании метано-воздушного топлива температура продуктов сгорания несколько ниже, чем у традиционного топлива при более лучших экологических характеристиках.

8. В результате численных исследований параметров реагирующих газожидкостных течений в камере сгорания газогенератора установлено:

- сажа является продуктом химической неравновесности и прогнозирование характеристик рабочих процессов при интенсивном сажеобразовании с использованием химически равновесных моделей может привести к заметной ошибке по составу и температуре (до 15%);

- режим максимального сажеобразования в восстановительном газогенераторе, работающем на топливе «метан-кислород», определен в области аок ~ 0,3;

- определены режимы стабильного горения смеси (Ы204 + С2Н8М2)газ+ (^Г204)ж в камере газогенератора.

1. Абдуллин A.JL Исследование свойств газожидкостного течения смеси (СН4+02)г+СН4ж /Математическое моделированиевысокотемпературных процессов в энергосиловых установках. М.: Наука, 1989. с.218-220.

2. Абдуллин A.JI. Численное исследование процессов во фронте ламинарного пламени однородной смеси. Казань, 2003 (Препринт/КГТУ; 03П7). 43с.

3. Абдуллин A.JL, Решедько С.Д. Информационное обеспечение для программ расчета характеристик процессов горения. Казань.: КАИ, 1992.-24с.

4. Алемасов В.Е., Крюков В.Г., Абдуллин A.JL Формирование механизма сажеобразования на основе метода «больших молекул»// Рабочие тела и процессы в ДЛА.-Казань: КАИ, 1986. с. 1-6.

5. Алемасов В.Е., Даутов Э.А., Дрегалин А.Ф. Номографическая аппроксимация термогазодинамических параметров энергоустановок /Казань, "ФЭН", 1994.-185с.

6. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Черенков A.C. Основы теории физико-химических процессов в тепловых двигателях и энергетических установках /М.: "Химия", 2000.-520с.

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

8. Ахметзянов A.M. Информационное «запирание» в технологии проектирования авиационных ГТД (к вопросу о научно-техническом заделе двигателей шестого поколения) // Изв. вузов. Авиационная техника.2002.№1. С.35-39.

9. Ахметзянов A.M., Кривошеев И.А. Информационная технология разработки авиационных двигателей: состояние и перспективы // Изв. вузов. Авиационная техника.2000.№2. С.70-73.

10. Ахметзянов A.M., Алексеев Ю.С., Гумеров Х.С. Проектирование авиационных газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 2000.454 с.

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

12. Бартеньев О.В. Современный Фортран. М.:ДИАЛОГ-МИФИ, 1998.-397с.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. Белов Г.В., Иориш B.C., Юнгман B.C. Моделирование равновесных состояний термодинамических систем с использованием IVTANTHERMO для Windows. // Теплофизика высоких температур. -2000.-Т. 38,No. 2.-С. 191 196.

17. Белов Г.В. Термодинамическое моделирование: методы, алгоритмы, программы. М.: Научный Мир, 2002.-184с.

18. Боглаев, Ю.П. Вычислительная математика и програмирование М. : Высш. шк., 1990 - 544с.: ил

19. Бочков М.В., Захаров А.Ю., Хвисевич С.Н. Численное моделирование образования N0 при горении метановоздушных смесей в условиях совместного протекания процессов химической кинетики и молекулярной диффузии // Мат. моделирование. 1997. Т. 9. №3. С. 1328.

20. Бочков М.В., Ловачев J1.A., Хвисевич С.Н., Четверушкин Б.Н. Образование оксида азота (NO) при распространении ламинарного пламени по гомогенной метановоздушной смеси. ФГВ. 1998. №1. С. 919.

21. Бочков М.В., Ловачев Л.А., Четверушкин Б.Н. Химическая кинетика образования NOx при горении метана в воздухе // Мат. моделирование. 1992. Т.4, №9. С. 3-36.

22. В.А.Волков, В.Ю.Гидаспов, У.Г.Пирумов, В.Ю. Стрельцов. (МАИ) Численное моделирование течений реагирующих газокапельных и газовых смесей в экспериментах по воспламенению метанола // ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 1998,ТОМ 36,№ 3, С.424-434

23. В.А.Волков, В.Р.Мусин, У.Г.Пирумов и др. Численное моделирование процесса нейтрализации окиси углерода дозированным впрыском воды в высокотемпературную смесь продуктов сгорания // Изв. РАН МЖГ.1993. № 6. С.96.

24. Горение и течение в агрегатах энергоустановок: моделирование, энергетика, экология. / Крюков В.Г., Наумов В.И., Абдуллин А.Л., Демин A.B., Тринос T.B. М.: Янус, 1997. 304с.

25. Гиршфельдер Дж., Кертис Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. М.:ИЛ, 1961.929с.

26. Демин A.B. Развитие методов численного моделирования процессов в камерах сгорания тепловых двигателей и энергоустановок./ Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук.- Казань.:КГТУ-КАИ,2002.-36с.

27. Дрегалин А.Ф., Черенков A.C. Общие методы теории высокотемпературных процессов в тепловых двигателях. М.: «Янус-К», 1997.328 с.

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

29. Заказнов В.Ф., Куршева Л.А., Федина З.И. ФГВ, 1978,т.14,№6,с.22.

30. Зезин В.А. и др. Техническое описание прикладных программ "BANIA". ОФАП, 1989 г.

31. Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.И., Либрович В.Б. и др. Математическая теория горения и взрыва.М.:Наука,1980.

32. Зенуков И.А., Крюков В.Г., Магсумов Т.М. Методика расчета физико-химических параметров двухфазных потоков,- В кн.: Тепловые процессы и свойства рабочих тел двигателей летательных аппаратов. Казань, 1980, с.71-77.

33. Зуев Ю.В., Лепешинский И.А. Система уравнений, описывающих двухфазную газокапельную струю. В сб.: Турбулентное двухфазное течение. - Таллин, 1979, с. 119-126.

34. Ильяшенко С.М., Талантов A.B. Теория и расчет прямоточных камер сгорания. М.: Машиностроение, 1964. - 305 с.

35. Калиткин H.H. Численные методы.-М.:Наука, 1978.-512с.

36. Киреев В.И., Вайновский A.C. Численное моделирование газодинамических течений.-М.:Изд-во МАИ, 1991.-253с.

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

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

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

40. Котов В.Ю. Моделирование и исследование процессов в пограничном слое при испарении диспергированного топлива в условиях химической неравновесности. Автореф. дис. канд. техн. наук. Казань, 2003. - 20 с.

41. Крюков В.Г., Абдуллин A.J1. Некоторые результаты численных исследований по эмиссионным характеристикам камер ВРД. -Казань. :КАИ, 1991.-32с.

42. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. Новосибирск, «Наука», 1970.-659с.

43. Лыков A.B. Тепломассообмен: Справочник. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Энергия, 1978.-480 с.

44. Льюис Б.,Пиз Р.Н., Тэйлор Х.С. Процессы горения. М. :Физ-мат.лит., 1961.542 с.

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

46. Математическое моделирование высокотемпературных процессов в энергоустановках. / В.Е. Алемасов, А.Ф. Дрегалин, В.Г. Крюков, В.И. Наумов. Казань: КГУ, 1985. - 263 с.

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

48. Мошкин E.K. Нестационарные режимы работы ЖРД. М.: Машиностроение, 1970.-336с.

49. Мухамедзянов P.A. Исследование процессов преобразования топлива в газогенераторе с учетом неидеальности и химической неравновесности продуктов сгорания. НТО № 329- Казань: КАИ, 1975,-138с.

50. Наумов В.И., Котов В.Ю. Моделирование и исследование процессов в пограничных слоях при испарении жидкого компонента // Изв. РАН. Энергетика, 2001. №3. С. 92-98.

51. Наумов В.И., Котов В.Ю., Максимов A.B. Горение диспергированных топлив в высокотемпературных газовых потоках // В сб.: Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении. -Казань: КГУ, 2000. С. 107-108.

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

53. Образование и разложение загрязняющих веществ в пламени/ Н.А.Чигир, Р.Дж.Вейнберг, К.Т. Боуман, J1.C. Каретто и др.: Пер. с англ./ Под ред. Ю.Ф.Дитякина. М.Машиностроение, 1981. -407с.

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

55. Ортега Дж., Пул У. Введение в численные методы решения дифференциальных уравнений / Пер. с англ. Под ред. A.A. Абрамова. -М.: Наука, 1986.-288 с.

56. Основы практической теории горения / Померанцев В.В., Арефьев K.M., Ахмедов Д.Б. и др. JL: Энергоиздат, Ленингр. отд-ние, 1986. -312 с.

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

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

59. Пчелкин Ю.М. Камеры сгорания газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1984.280 с.

60. 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.

61. Рыжиков Ю.И. Программирование на Фортране powerstation для инженеров. Практическое руководство. М.:ДИАЛОГ-МИФИ, 1998.

62. Самарский A.A. Теория разностных схем.-М.:Наука, 1983

63. Самойлов Н.П., Игонин Е.И.,Кашеваров ОА., Самойлов Д.Н. Токсичность автотракторных двигателей и способы ее снижения -Казань.КГУ, 1997.-169с.

64. Сиразетдинов Т.К., Иванов В.В. Моделирование процесса горения в камере ВРД // Изв. вузов. Авиационная техника.2002.№2. С.45-48.

65. Сиразетдинов Т.К., Костерин В.А. Одномерная динамическая модель процесса горения в камере ВРД.1 // Изв. вузов. Авиационная техника. 1999. № 3. С.59-63.

66. Сиразетдинов Т.К., Костерин В.А. Одномерная динамическая модель процесса горения в камере ВРД.Н // Изв. вузов. Авиационная техника.2000.№2. С.48-50.

67. Скибин В.А., Соломин В.И., Цховребов М.М. Перспективы авиационных двигателей в развитии транспорта и энергетики // Конверсия в машиностроении. 1999. № 2.

68. Сыченков В.А. Влияние геометрии фронтового устройства на интегральные характеристики высокотемпературной камеры сгорания. / НТО № Н-3 59, Казань, 1991.

69. Талантов A.B. Основы теории горения.Казань.КАИ, 1975.252 с.

70. Талантов A.B., Щукин В.А., Дятлов И.Н. и др. НТО №Н-214 , Казан, авиац.ин-т., Казань, 1980, 229 с.

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

72. Термодинамические свойства индивидуальных веществ: Справочное издание в 4-х т.// JI.B. Гурвич, И.В. Вейц, В.А. Медведев и др.-М.:Наука, 1982.

73. Термические константы веществ: Справочник /Под ред. акад.В.П. Глушко. М.: ВИНИТИ АН СССР, вып. I. 1965, вып. II. 1966, вып. III. 1968, вып. IV. 1970.

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

75. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сго-рания:Справочник: В 10 т. /Под ред. В.П. Глушко. М.: ВИНИТИ, 1971. Т. 1.266с.

76. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания: Справочник: В 10 т. /Под ред. В.П. Глушко. М.: ВИНИТИ,1972. Т. 2. -266с.

77. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания: Справочник: В 10 т. /Под ред. В.П. Глушко. М.: ВИНИТИ, 1972. Т. 3. -623с.

78. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания: Справочник: В 10 т. /Под ред. В.П. Глушко. М.: ВИНИТИ, 1973. Т. 4. -527с.

79. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания: Справочник: В 10 т. /Под ред. В.П. Глушко. М.: ВИНИТИ, 1973. Т. 5. -544с.

80. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания: Справочник: В 10 т. /Под ред. В.П. Глушко. М.: ВИНИТИ, 1973. Т. 6. -748с.

81. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания: Справочник: В 10 т. /Под ред. В.П. Глушко. М.: ВИНИТИ, 1974. Т. 7. -656с.

82. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания: Справочник: В 10 т. /Под ред. В.П. Глушко. М.: ВИНИТИ, 1974. Т. 8. -719с.

83. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания: Справочник: В 10 т. /Под ред. В.П. Глушко. М.: ВИНИТИ, 1978. Т. 9. -634с.

84. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания: Справочник: В 10 т. /Под ред. В.П. Глушко. М.: ВИНИТИ, 1980. Т. 10, ч.1. -380с.

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

86. Тишин А.П., Хайрутдинов Р.И. К расчету коагуляции частиц конденсата в соплах Лаваля.- Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа. 1971; №5, с.181-185.

87. Тунаков А.П. Кризис в САПР и пути выхода из него // Изв. вузов. Авиационная техника. 1998. №3. С.85-91.

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

89. Уонг X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров: Пер. с англ. / Справочник. М.: Атомиздат, 1979. - 216 с.

90. Физико-химические процессы в газовой динамике. Справочник в 2-х томах. Под ред. Черного Г.Г., Лосева С.А. М.:Научно-издательский центр механики. 2002

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

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

93. Червински А. Горение жидких капель при сверхкритических условиях в неподвижной среде //Ракетная техника и космонавтика.1969. № 8. С. 1815-1817.

94. Ширяев A.A. Физические аспекты проблемы численного моделирования течений с горением. М.: Наука, 1986. - 404 с.

95. Щукин В.А. Явление флуктуационного реагирования в газах // Рабочие процессы в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей (Межвузовский сборник), Казан, авиац. ин-т., Казань, 1987.

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

97. J. Andrae,P. Bjornbom, L. Edsberg Numerical Studies of Wall Effects with Laminar Methane Flames. Combustion and Flame, 128, 2002,165-180

98. Andrews, G.E., Bradley D., 1972, Combustion and Flame, n. 19, pp. 275288.

99. ANSYS, Inc., http://www.ansys.com

100. Bader G., Deufihard P., A Semi-Implicit Mid-Point Rule for Stiff Systems of Ordinary Differential Equations, Numer. Math., 41, 373-398 1983.

101. M. Balthasar, F. Mauss, H. Wang A Computational Study of the Thermal Ionization of Soot Particles and Its Effect on their Growth in Laminar Premixed Flames. Combustion and Flame, 129, 2002,204 -216

102. M. Balthasar, F. Mauss, A. Knobel, M. Kraft Detailed Modeling of Soot Formation in a Partially Stirred Plug Flow Reactor. Combustion and Flame, 128,2002,395- 409

103. M. Balthasar, M. Kraft. A stochastic approach to calculate the particle size distribution function of soot particles in laminar premixed flames. Combustion and Flame, 133,2003, 289-298

104. S. Barlow, N. S. A. Smith, J.-Y. Chen, and R. W. Bilger. Nitric Oxide Formation in Dilute Hydrogen Jet Flames: Isolation of the Effects of Radiation and Turbulence-Chemistry Submodels. Comb, and Flame, 117,1999,pp.4-31

105. R. S. Barlow, A. N. Karpetis, J. H. Frank, J.-Y. Chen Scalar Profiles and NO Formation in Laminar Opposed-Flow Partially Premixed Methane/Air Flames. Combustion and Flame, 127,2001,2102-2118

106. Belov G.V., Iorish V.S., Yungman V.S. IVTANTHERMO for Windows -database on thermodynamic properties and related software. // CALPHAD.-1999. V.23, No. 2. P. 173-180.

107. A. Beltrame, P. Porshnev, W. Merchan-Merchan, A. Saveliev,A. Fridman, L. A. Kennedy,O. Petrova ,D S. Zhdanok, F. Amouri, O. Charon Soot and NO Formation in Methane-Oxygen Enriched Diffusion Flames. Combustion and Flame, 124,2001,295-310

108. Bittner J.D.,Howard J.B. Mechanism of hydrocarbon decay in fuel-rich secondary reaction zones. 19-th Symposium on Combustion. Pittsburgh, 1983, p.211-221

109. L.G. Blevins, J.P. Gore.Computed Structure of Low Strain Rate Partially Premixed CH4 /Air Counterflow Flames: Implications for NO Formation. Combustion and Flame, 116, 1999,546 -566

110. Blom J.G. and Verwer J.G., A Comparison of Integration Methods for Atmospheric Transport-Chemistry Problems, Journal of computational and Applied Mathematics, No. 126, pp. 381-396,2000.

111. K.J. Bosschaart, L.P.H. de Goey. Detailed analysis of the heat flux method for measuring burning velocities. Combustion and Flame, 132,2003,170-180

112. Branch M.C., Sadeqi M.E., Alfarayedhi A.A. and Van Tiggelen P.J, "Measurements of the Structure of Laminar, Premixed Flames of CH4/N02/02 and CH20/N02/02 Mixtures", Comb, and Flame, 83, 1991, pp. 228-239.

113. S. J. Brookes, J. B. Moss. Measurements of Soot Production and Thermal Radiation From Confined Turbulent Jet Diffusion Flames of Methane. Combustion and Flame, 116, 1999,49 -61

114. Burcat A. Third Millennium Ideal Gas and Condensed Phase Thermochemical Database for Combustion. Technion Aerospace Engineering (TAE) Report 867, January 2001.

115. CADFEM, Inc., http://www.cadfem.rul 13.

116. Cathonnet M., Boettner I., James H. Experimental study and numerical modeling of high temperature oxidation of propane and n-butane//18-th Symposium on Combust., 1981. pp.903-913.

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

118. Chase, Jr.M.W., Davies, C.A., Downey, Jr.J.R., Frurip, D.J., McDonald R.A., Syverud, A.M., JANAF Thermochemical Tables, 3rd Edition, (1985).

119. CD, Inc., http://www.cd.co.uk

120. Coffee T.P., Kotlar A J. and Miller M.S., "The Overall Reaction Concept in Premixed, Laminar, Steady-State Flames. I. Stoichiometrics", Comb, and Flame, 54, 1983, pp. 155-169.

121. Coffee T.P., Kotlar A.J. and Miller M.S., "The Overall Reaction Concept in Premixed, Laminar, Steady-State Flames. II. Initial Temperatures and Pressures", Comb, and Flame, 58, 1984, pp. 59-67

122. J.-M. Commandre, B. R. Stanmore, S. Salvador The High Temperature Reaction of Carbon with Nitric Oxide. Combustion and Flame, 128, 2002, 211-216 Costa V., Modelo Matemático para a Combustao de Carvao Pulverizado, Tese de Doutorado, (2001), 153p.

123. Curtis, E W, and Farrell, P V, "Droplet Vaporization in a Supercritical Microgravity Environment," Astronautics Acta, Vol 17, No 11/12,1988, pp 1189-1193.

124. Daou, J, Haldenwang, P., and Nicoli, C, " Supercritical Burning of Liquid Oxygen (LOX) Droplet with Detailed Chemistry," Combustion and Flame. Vol 101, No l-2.1995.pp 153-169

125. Delplanque, J.-P, and Sirignano, W A , "Numerical Study of the Transient Vaporization of an Oxygen Droplet at Sub- and Supercritical Conditions,"1.ternational Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 36, No 2, 1993,pp 303-314

126. Delplanque J-P, Polier B. "Rocket Engine Supercritical Combustion: A Review of the Issues and Current Research," La Recherche Aerospatiale. No. 5, 1995, pp 299-309

127. Douglass C.H., Ladouceur H.D., Shamamian V.A. and McDonald J.R., "Combustion Chemistry in Premixed C2F4-02 Flames", Comb, and Flame, 100, 1995, pp. 529-542.

128. 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.

129. Eaton, A.M., Smoot, L.D., Hill, S.C. and Eatough, C.N., Components, Formulations, Solutions, Evaluation and Application of Comprehensive Combustion Models, 1999, Progress in Energy and Combustion Science 25, pp.387-436.

130. T. Faravelli, A. Frassoldati, E. Ranzi. Kinetic modeling of the interactions between NO and hydrocarbons in the oxidation of hydrocarbons at low temperatures. Combustion and Flame 132 ,2003, 188-207

131. Foelsche, R.O., Keen, J.M., Solomon, W.C., Buckley P.L. and Corporan E., Nonequilibrium Combustion Model for Fuel-Rich Gas Generators, Journal of Propulsion and Power, Vol. 10, No 4, 1994, pp. 461-472.

132. 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.

133. Fukutani S., Jinno H. Notes Numer,Fluid Mechanics, 1982, 6, 167.

134. Gear C.W.,Numerical Initial Value Problems in Ordinary Differential Equations, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1971.

135. Givler, S D, and Abraham, J., "Supercritical Droplet Vaporization and Combustion Studies," Progress in Energy and Combustion Science, Vol 22, No 1,1996,pp 1-28

136. Glarborg P., Dam-Johansen K., Miller J. The reaction of ammonia with nitrogen dioxide in a flow reactor: Implications for the NH2+N02 reaction //Int. Journal of Chemical Kinetics, Vol. 27, 1995. pp. 1207-1220.

137. Glass G.P , Chaturvedi B.K. J.Phys.Chem.75, 2749 (1981).

138. Gogos G., Ayyaswamy P.S. A model for the evaporation of a slowly moving droplet.//Combustion and Flame. Vol 74, No 2.1988.pp 111-129

139. P. Gokulakrishnan, A. D. Lawrence. An Experimental Study of the Inhibiting Effect of Chlorine in a Fluidized Bed Combustor. Combustion and Flame, 116, 1999, 640-652

140. Gordon, S., McBride, B.J., NASA SP-273. Computer Program for Calculation of Complex Chemical Equilibrium Compositions, Rocket Performance, Incident and Reflected Shocks, and Chapman Jouguet Detonations, Washington, USA, (1971), 245 p.

141. B.Gradon, J.Tomeczek Prediction of N2 0 and NH3 in Fuel-Rich Gaseous Flames. Combustion and Flame, 126, 2001,1856-1859

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

143. Gurvich, L.V., Iorish, V.S. et al. IVTANTHERMO A Thermodynamic Database and Software System for the Personal Computer. User's Guide. CRC Press, Inc., Boca Raton, 1993.

144. Gurvich, L.V., Veitz, I.V., et al. Thermodynamic Properties of Individual Substances. Fourth edition in 5 volumes, Hemisphere Pub Co. NY, L., Vol 1 in 2 parts, 1989, etc.

145. Habib J.S. The interaction of a hot gas flow and a cold liquid spray in channels //Trans ASME, 1976. 98. № 3. Pp. 421-426.

146. X.Han, X.Wei, U. Schnell, K.R.G. Hein. Detailed modeling of hybrid reburn/SNCR processes for NOX reduction in coal-fired furnaces. Combustion and Flame, 132,2003, 374-386

147. S.Hayashi, Y. Hisaeda, Y.Asakuma, H.Aoki,T.Miura, H.Yano,Y.Sawa. Simulation of Soot Aggregates Formed by Benzene Pyrolysis. Combustion and Flame, 117,1999,851-860

148. Himmelblau, D.M., Supplementary Problems for Basic Principles and Calculations in Chemical Engineering, 6th Edition, The University of Texas, (1996), 173 p.

149. F. Inal, S. M. Senkan Effects of Equivalence Ratio on Species and Soot Concentrations in Premixed N-Heptane Flames. Combustion and Flame, 131,2002,16-28

150. Iskhacova R.L., Abdullin A.L. Frente de chama: modelagem e pesquisa das características detalhadas / 14 th Brazilian Congress of Mechanical Engineering, Brasil. 1997.-8 pp.

151. Iskhacova R.L., Knorst D., Abdullin A.L. Frente de chama: urna abordagem para a simulacao numérica / 20 Congresso Nacional de Matematica Aplicada e Computacional CNMAC, Brasil. 1997.-2 pp.

152. Iskhacova R.L., Knorst D., Abdullin A.L. Pesquisa computacional da formacao de poluentesem frente de chama / 18 Congresso íbero Latinoamericano de Métodos Computacionais Para Engenharia. Brasil. 1997.-7 pp.

153. Jiang T.L. and Chiu Huei-Huang, Bipropellant Combustion in a Liquid Rocket Combustion Chamber, Journal of Propulsion and Power, Vol. 8, No 5, 1992, pp. 995-1003.

154. C. Jimenez, B. Cuenot ,T. Poinsot, D. Haworth Numerical Simulation and Modeling for Lean Stratified Propane-Air Flames. Combustion and Flame, 128,2002,1-21

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

156. Jones W.P., Lindstedt R.P., "Global Reaction Schemes for Hydrocarbon Combustion", Combustion and Flame, Vol. 73, Nos 1,3, 1988, p.233

157. 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.

158. Kaltz T.L., Long L.N., Micci M.M., Wong B.C., Supercritical Vaporization of Liquid Oxigen Droplets Using Molecular Dynamics, Combustion Science and Technology, Vol. 136, № 1-6, 1998, p.279.

159. Kassem M., Senkan S.M., "Chemical Structures of Fuel-Rich, Promixed, Laminar Flames of 1, 2-C2H4CL2 and CH4", Comb, and Flame, 83, 1991, pp. 365-374.

160. Kazakov A., Wang H. and Frenklach M., "Detailed Modeling of Soot Formation in Laminar Premixed Ethylene Flames at a Pressure of 10 Bar", Comb, and Flame, 100, 1995, pp. 111-120

161. Kee, R.J., Miller, J.A., Jefferson, T.H., CHEMKIN: A General-Purpose Transportable. Fortran Chemical Kinetics Code Package, SAND80-8003, (1980).

162. Kee, R.J., Rupley, F.M., Miller, J.A., The CHEMKIN Thermodinamic Data Base, SAND87-8215, (1987).

163. Kee R.J., Rupley F.M. and Miller J.A., 1989, "CHEMKIN-II: A Fortran Chemical Kinetics Package for the Analysis of Gas Phase Chemical Kinetics", Supersedes SAND89-8009.

164. Kee, R.J., Rupley, F.M., Meeks, E. & Miller J.A., "CHEMKIN: A Software package for the analysis of gas-phase chemical and plasma kinetics", Sandia National Laboratories Report SAND96-8216, CA, 2000

165. A. A. Konnov, J. De Ruyck Kinetic Modeling of the Decomposition and Flames of Hydrazine. Combustion and Flame, 125, 2001, 106 -126

166. Kriukov V.G., Abdullin A.L. Modelagem e pesquisa dos processos de combustao nos fluxos/2 Congresso Ibero-Americano de Engenharia Mecanica.Brasil, 1995.- 4 pp.

167. V.Kriukov, A. Abdullin etc. Method of spline-interpolation: application in chemical kinetic equations / In proceedings of COBEM-2003, San-Paulo, SP, 2003, lOp

168. 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.

169. 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.

170. Kriukov V., Naumov V., Abdullin A. etc. Modelling and Numerical Analysis of High Temperature Chemical Non-Equilibrium Processes in

171. Rocket and Aircraft Units / CESA'96 IMACS Multiconference, LilleFrance, 1996.-12 pp.

172. Kuo, K.K., 1986, Principles of Combustion, J, Wiley & Sons, Singapore.

173. Lafon P., Habiballah M., Scherrer D. Lox Droplet Combustion in a high Pressure Hydrogen Atmosphere. // 9th World Hydrogen Energy Conference, Paris, 22 25 June 1992, P. 81-90.

174. Lambert J.D., Computational Methods in Ordinary Differential Equations, Wiley, New York, 1973.

175. F.A. Lammers, L.P.H. de Goey. A numerical study of flash back of laminar premixed flames in ceramic-foam surface burners. Combustion and Flame, 133,2003,47-61

176. 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.

177. LEEDS Reaction Kinetics Database, 2000, School of Chemistry, University of Leeds.

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

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

180. F.Liu, H. Guo, G. J. Smallwood, O. L.Gulder The Chemical Effects of Carbon Dioxide as an Additive in an Ethylene Diffusion Flame: Implications for Soot and NOx Formation. Combustion and Flame, 125,2001, 778 -787

181. Lindstedt R.P. , Maurice L.Q., Detailed Chemical -Kinetic Model for Aviation Fuels, Journal of Propulsion and Power, Vol. 16, No 2, 2000, pp. 187-195.

182. Long L.N., Micci M.M., Wong B.C., Molecular Dynamics Simulation of Droplet Evaporation, Computer Physics Communications, Vol. 96, № 2-3, 1996, pp. 167-172.

183. Luo H., Ciccotti G., Mareshal M., Meyer M., Zappoli B., Thermal Relaxation of Supercritical Fluids by Equilibrium Molecular Dynamics, Physical Review E, Vol. 51, № 3, 1995, pp.2013-2021.

184. M. M. Maricq, S. J. Harris, J. J. Szente. Soot size distributions in rich premixed ethylene flames. Combustion and Flame, 132,2003,328-342

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

186. 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.l 16-117, 1996. pp.211-287.

187. Martin, R.J., Brown, N.J., The importance of Thermodynamics to the Modeling of Nitrogen Combustion Chemistry, Combustion and Flame, V. 78,(1989), pp. 365-376.

188. Mason E.A., Marrero T.R.,Gaseous Diffusion Coefficients, J.Phys. Chem. Reference Data, 1,3-118 (1972).

189. May R.,Noye J., The Numerical Solution of Ordinary Differential Equations: Initial Value Problems, in: Computational Techniques for Differential Equations, J. Noye ed., North-Holland, New York, 1-94,1984.

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

191. Miller G.P., "The Structure of a Stoichiometric CCL4-CH4-Air Flat Flame", Comb, and Flame, 101, 1995, pp. 101-112.

192. V.Naoumov, V.Kriukov, A. Abdullin Chemical Kinetics Software System for the Propulsion and Power Engineering/ AIAA Paper 2003-854. ppl-11.

193. V.Naoumov, V.Kriukov, A. Abdullin, A.Demin. Modeling of Combustion and Flow in the Combustors of Rocket Gas Generators / AIAA Paper 2003-126. pp 1 -11.

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

195. Nwobi O.C., Long L.N., Micci M.M., Molecular Dynamics Studies of Properties of Supercritical Fluids, Journal of Thermophysics and Heat Transfer, Vol. 12, № 3, 1998, pp.322-327.

196. Olsson, J. O., Anderson, L. L., 1987, Sensitivity analysis based in an efficient brute-force method, applied to an experimental CH4/02 premixed laminar flame, Combustion and Flame, n. 67.

197. Oran E.S.,Boris J.P., Numerical Simulation of Reactive Flow, Naval Research Laboratory, Washington, Ed.Elsevier, 1987

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

199. Parise J.A.R. Mathematical modeling of a low speed gas-liquid heat engine./ Proc. 24-th Intersoc. Energy Convers. Eng. Conf., Washington, Aug. 6-11, 1989. Vol.5. -New York, 1989.-pp. 2565-2569.

200. Park Jung-Kyu, Farrell P.V. Droplet vaporization in turbulent flow, AIAA/ASME/SIAM/APS , Nat. Fluid Dyn. Congr., Cincinnati, Ohio, July 25-28, 1988: Collect. Techn. Pap. Pt 3.- New York (N.Y.), 1988.- pp. 16461653

201. M. Pilawska, C. J. Butler, A. N. Hayhurst, D. R. Chadeesingh The Production of Nitric Oxide during the Combustion of Methane and Air in a Fluidized Bed. Combustion and Flame, 127, 2001,2181-2193

202. Pollack S. V., "Structured Fortran 77 Programming", Department of Computer Science, Washington University in St. Louis, Boyd & Fraser Publishing Company San Francisco, (1982), 497p.

203. Pratt D.T., Radhakrishnan K., CREK1D: A Computer Code for Transient, Gas-Phase Combustion Kinetics, NASA Technical Memorandum 83806, National Aeronautics and Space Administration, Washington, DC. N85-10068/3/XAB., 1984.

204. Rafael S. & Sher E., 1989, Reaction kinetics of hydrogen-enriched methaneair and propane-air flame. Stoichiometrics, Combustion and Flame, n. 78, pp. 326-338.

205. Rapaport D.C., The Art of Molecular Dynamics Simulation, Cambridge Univ. Press, New York, 1995.

206. Reisel J.R. and Laurendeau N.M., "Quantitative LIF Measurements and Modeling of Nitric Oxide in High-Pressure C2H4/02/N2 Flames", Comb, and Flame, 101, 1995, pp. 141-152.

207. Roby R. J., and Bowman C. T. Combust. Flame,70, 1987,119

208. Roesler J.F., Yetter R.A. and Dryer F.L., "Kinetic Interactions of CO, NOX and HCL Emissions in Postcombustion Gases", Comb and Flame, 100, 1995, pp. 495-504.

209. G.J. Rortveit, J.E. Hustad, S.Chi Li, F.A. Williams Effects of Diluents on NOx Formation in Hydrogen Counterflow Flames. Combustion and Flame, 130, 2002, 48 -61

210. Rosner D.E., V and Chang W. S, "Transient Evaporation and Combustion of a Fuel Droplet Near Its Critical Temperature" Combustion Science and Technology, Vol 7, 1973,pp 145-158

211. S. Sallam Stable quartic spline integration method for solving stiff ordinary differential equations. Applied Mathematics and Computation, 1 16, (2000), 245-255

212. Shizgal, B. & Karplus, M. J.Phys.Chem. 54, 4345, 4357 (1971).

213. C. C. Schmidt, C. T. Bowman Flow Reactor Study of the Effect of Pressure on the Thermal De-NOx Process. Combustion and Flame, 127, 2001, 1958 -1970

214. Shuen, J S., and Yang, V, "Combustion of Liquid-Fuel Droplets in Supercntical Conditions," AIAA Paper 91-0078, Jan. 1991.

215. C. H. Sohn, I. M. Jeong, S. H. Chung Numerical Study of the Effects of Pressure and Air-Dilution on NO Formation in Laminar Counterflow Diffusion Flames of Methane in High Temperature Air. Combustion and Flame, 130, 2002,83-93

216. Spalding, D.B., 1979, Combustion and Mass Transfer, Pergamon Press, New York

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

218. N.Sullivan, A.Jensen, P. Glarborg, M.S. Day, J.F. Grcar, J.B. Bell, C.J. Pope, R. J. Kee. Ammonia Conversion and NOx Formation in Laminar Coflowing Nonpremixed Methane-Air Flames. Combustion and Flame, 131, 2002,285-298

219. C. J. Sung,C. K. Law,J.-Y. Chen Augmented Reduced Mechanisms for NO Emission in Methane Oxidation. Combustion and Flame, 125, 2001, 906 -919

220. C. J. Sung ,Y. Huang, J. A. Eng Effects of Reformer Gas Addition on the Laminar Flame Speeds and Flammability Limits of n-Butane and iso-Butane Flames. Combustion and Flame, 126, 2001,1699-1713

221. Tesner, P. A. and Shurupov, S. V., Combust. Sci. Tech.92:61 (1993).

222. Tesner, P. A. and Shurupov, S. V., Combust. Sci. Tech. 105:147 (1995).

223. J.Tomeczek, B. Gradon. The role of N20 and NNH in the formation of NO via HCN in hydrocarbon flames. Combustion and Flame, 133, 2003, 311322

224. J. Tomeczek,S. Gil Influence of Pressure on the Rate of Nitric Oxide Reduction by Char. Combustion and Flame, 126,2001, 1602-1606

225. D. D. Thomsen, N.M. Laurendeau LIF Measurements and Modeling of Nitric Oxide Concentration in Atmospheric Counterflow Premixed Flames. Combustion and Flame, 124, 2001, 350 -369

226. A. Tomita (Ed.), Emissions reduction: NOx /SOx suppression. A collection of papers from the journals Fuel, Fuel Processing Technology and Progress in Energy and Combustion Science 1999-2001.Elsevier, 2001, 325 pages

227. Tsatsaronis G. Comb, and Flame, 1978, 33,3,217.

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

229. 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.

230. Westbrook, C.K., Chase, L.L., Chemical Kinetics and Thermochemical Data for Combustion Aplications, UCID-17833, rev. 3, (1983).

231. Westbrook, C. K., Draer, F. L., Schuy, R. P., 1982, A comprehensive mechanism for the pyrolysis and oxidation of ethylen, XlX-th Symp.On Combust, pp. 153-166.

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

233. Westbrook C.K., Dryer F.L., Chemical kinetic modeling of hydrocarbon combustion, Prog. Energy Combust. Sci., 10, 1-577 (1984).

234. Westbrook C.K., Adamczyk A.A. and Lavoie G.A., "A Numerical Study of Laminar Flame Wall Quenching", Comb. And Flame, 40, 1981, pp. 81-99.

235. 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.

236. Widom B. J. Phys.Chem. 55,44 (1971).

237. Williams B.A. and Fleming J.W., "Comparison of Species Profiles Between 02 and N02 Oxidizers in Premixed Methane Flames", Comb, and Flame, 100, 1995, pp. 571-590.

238. F. Xu, A.M. El-Leathy, C.H. Kim, G.M. Faeth. Soot surface oxidation in hydrocarbon/air diffusion flames at atmospheric pressure. Combustion and Flame, 132,2003,43-57

239. F. Xu, G. M. Faeth Soot Formation in Laminar Acetylene/Air Diffusion Flames at Atmospheric Pressure. Combustion and Flame, 125,2001, 804 -819

240. H.Xue, S.K. Aggarwal. NOx emissions in n-heptane/air partially premixed flames. Combustion and Flame, 132 ,2003, 723-741

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

242. Young T.R., CHEMEQ-Subroutine for Solving Stiff Ordinaiy Differential Equations, NRL Memorandum Report 4091, Naval Research Laboratory, Washington, DC. AD A083545., 1979.

243. Yoshii N., Okazaki S., A Large-Scale and Long-Time Molecular Dynamics Study of Supercritical Lennard-Jones Fluid. An Analysis of High Temperature Clusters, Journal of Chemical Physics, Vol. 107, № 6, 1997, pp.2020-2033.

244. V.M. Zamansky, V.V. Lissianski, P.M. Maly, Loc Ho,D. Rusli, W.C. Gardiner.Reactions of Sodium Species in the Promoted SNCR Process. Combustion and Flame, 117, 1999,821-831

245. B.Zhao , Z.Yang , M.V. Johnston , H. Wang, A. S. Wexler , M.Balthasar, M.Kraft. Measurement and numerical simulation of soot particle sizedistribution functions in a laminar premixed ethylene-oxygen-argon flame. Combustion and Flame,133,2003,173-188

246. Zhiao Tan and Rolf D.Reitz /'Modeling Ighition and Combustion in Spark-ignition Engines Using a Level Set Method."

247. B. J. Zhong, H. S. Zhang ,W.B.Fu. Catalytic effect of KOH on the reaction of NO with char. Combustion and Flame 132 ,2003, 364-373