Смешение истекающих из щелевых сопел дозвуковых струй углеводородного горючего со спутным сверхзвуковым потоком в канале

В рамках модели вязкого слоя численно исследовано влияние моделей турбулентности и характеристик потока на входе в канал при смешении дозвуковых струй углеводородного горючего (водород, метан), истекающих из щелевых сопел, со спутным сверхзвуковым воздушным потоком на длину области перемешивания и п...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2012
Автори:	Тимошенко, В.И., Белоцерковец, И.С., Гурылева, Н.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут технічної механіки НАН України і НКА України 2012
Назва видання:	Техническая механика
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88357
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Смешение истекающих из щелевых сопел дозвуковых струй углеводородного горючего со спутным сверхзвуковым потоком в канале / В.И. Тимошенко, И.С. Белоцерковец, Н.В. Гурылева // Техническая механика. — 2012. — № 4. — С. 36-48. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-88357
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-883572015-11-13T03:02:11Z Смешение истекающих из щелевых сопел дозвуковых струй углеводородного горючего со спутным сверхзвуковым потоком в канале Тимошенко, В.И. Белоцерковец, И.С. Гурылева, Н.В. В рамках модели вязкого слоя численно исследовано влияние моделей турбулентности и характеристик потока на входе в канал при смешении дозвуковых струй углеводородного горючего (водород, метан), истекающих из щелевых сопел, со спутным сверхзвуковым воздушным потоком на длину области перемешивания и предложены рекомендации для ее уменьшения. У межах моделі в’язкого шару чисельно досліджено вплив моделей турбулентності та характеристик потоку на вході в канал при змішенні дозвукових струменів вуглеводневого палива (водень, метан), які витікають із щелинних сопел, із супутним надзвуковим потоком повітря на довжину області перемішування й запропоновано рекомендації для її зменшення. In the frame of the viscous layer model the effects of turbulence models and the characteristics of the incoming channel flow while mixing the subsonic jets of hydrocarbon fuel (hydrogen, methane) discharging from the slotted nozzles and a cocurrent supersonic air flow for the length of the mixing region are studied, and the corresponding recommendations for its decrease are made. 2012 Article Смешение истекающих из щелевых сопел дозвуковых струй углеводородного горючего со спутным сверхзвуковым потоком в канале / В.И. Тимошенко, И.С. Белоцерковец, Н.В. Гурылева // Техническая механика. — 2012. — № 4. — С. 36-48. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 1561-9184 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88357 533.6.011:533.27:532.54.59 ru Техническая механика Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	В рамках модели вязкого слоя численно исследовано влияние моделей турбулентности и характеристик потока на входе в канал при смешении дозвуковых струй углеводородного горючего (водород, метан), истекающих из щелевых сопел, со спутным сверхзвуковым воздушным потоком на длину области перемешивания и предложены рекомендации для ее уменьшения.
format	Article
author	Тимошенко, В.И. Белоцерковец, И.С. Гурылева, Н.В.
spellingShingle	Тимошенко, В.И. Белоцерковец, И.С. Гурылева, Н.В. Смешение истекающих из щелевых сопел дозвуковых струй углеводородного горючего со спутным сверхзвуковым потоком в канале Техническая механика
author_facet	Тимошенко, В.И. Белоцерковец, И.С. Гурылева, Н.В.
author_sort	Тимошенко, В.И.
title	Смешение истекающих из щелевых сопел дозвуковых струй углеводородного горючего со спутным сверхзвуковым потоком в канале
title_short	Смешение истекающих из щелевых сопел дозвуковых струй углеводородного горючего со спутным сверхзвуковым потоком в канале
title_full	Смешение истекающих из щелевых сопел дозвуковых струй углеводородного горючего со спутным сверхзвуковым потоком в канале
title_fullStr	Смешение истекающих из щелевых сопел дозвуковых струй углеводородного горючего со спутным сверхзвуковым потоком в канале
title_full_unstemmed	Смешение истекающих из щелевых сопел дозвуковых струй углеводородного горючего со спутным сверхзвуковым потоком в канале
title_sort	смешение истекающих из щелевых сопел дозвуковых струй углеводородного горючего со спутным сверхзвуковым потоком в канале
publisher	Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
publishDate	2012
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88357
citation_txt	Смешение истекающих из щелевых сопел дозвуковых струй углеводородного горючего со спутным сверхзвуковым потоком в канале / В.И. Тимошенко, И.С. Белоцерковец, Н.В. Гурылева // Техническая механика. — 2012. — № 4. — С. 36-48. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.
series	Техническая механика
work_keys_str_mv	AT timošenkovi smešenieistekaûŝihizŝelevyhsopeldozvukovyhstrujuglevodorodnogogorûčegososputnymsverhzvukovympotokomvkanale AT belocerkovecis smešenieistekaûŝihizŝelevyhsopeldozvukovyhstrujuglevodorodnogogorûčegososputnymsverhzvukovympotokomvkanale AT gurylevanv smešenieistekaûŝihizŝelevyhsopeldozvukovyhstrujuglevodorodnogogorûčegososputnymsverhzvukovympotokomvkanale
first_indexed	2025-07-06T16:07:02Z
last_indexed	2025-07-06T16:07:02Z
_version_	1836914335099650048
fulltext	УДК 533.6.011:533.27:532.54.59 В. И. ТИМОШЕНКО, И. С. БЕЛОЦЕРКОВЕЦ, Н. В. ГУРЫЛЕВА СМЕШЕНИЕ ИСТЕКАЮЩИХ ИЗ ЩЕЛЕВЫХ СОПЕЛ ДОЗВУКОВЫХ СТРУЙ УГЛЕВОДОРОДНОГО ГОРЮЧЕГО СО СПУТНЫМ СВЕРХЗВУКОВЫМ ПОТОКОМ В КАНАЛЕ 1 В рамках модели вязкого слоя численно исследовано влияние моделей турбулентности и характери- стик потока на входе в канал при смешении дозвуковых струй углеводородного горючего (водород, метан), истекающих из щелевых сопел, со спутным сверхзвуковым воздушным потоком на длину области переме- шивания и предложены рекомендации для ее уменьшения. У межах моделі в’язкого шару чисельно досліджено вплив моделей турбулентності та характеристик потоку на вході в канал при змішенні дозвукових струменів вуглеводневого палива (водень, метан), які витікають із щелинних сопел, із супутним надзвуковим потоком повітря на довжину області перемішуван- ня й запропоновано рекомендації для її зменшення. In the frame of the viscous layer model the effects of turbulence models and the characteristics of the incoming channel flow while mixing the subsonic jets of hydrocarbon fuel (hydrogen, methane) discharging from the slotted nozzles and a cocurrent supersonic air flow for the length of the mixing region are studied, and the corresponding recommendations for its decrease are made. Создание условий для устойчивого процесса горения и достижения мак- симальной полноты сгорания горючего при различных режимах работы пря- моточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД) является актуальной за- дачей. К важной составляющей рассматриваемого процесса, влияющей на расходно-тяговые характеристики двигателя и его линейные размеры, отно- сится организация эффективного перемешивания воздушного потока с ком- понентами горючего. Экспериментальная отработка процесса перемешивания в камере сгорания ПВРД в условиях, соответствующих реальным значениям параметров на входе, представляет собой сложную комплексную многопара- метрическую задачу, решение которой требуют больших материальных и временных ресурсов. Для сокращения этих затрат целесообразно использо- вать результаты численного моделирования процесса смешения, что в соче- тании с целенаправленными экспериментами позволяет надежно прогнозиро- вать его характеристики. В статье приведены результаты численных исследований влияния на длину области перемешивания в плоском канале моделей турбулентности и характеристик потока на входе при смешении дозвуковых струй углеводо- родного горючего (водород, метан), истекающих из блока щелевых сопел, со спутным сверхзвуковым воздушным потоком. Физическая и математическая постановка задачи, метод решения. Рассматривается задача о расчете турбулентного течения при взаимодействии дозвуковых струй углеводородного горючего, истекающих из блока щелевых сопел, со спутным равномерным сверхзвуковым воздушным потоком в плос- ком прямолинейном канале. Течение полагается симметричным относительно серединной плоскости канала. Во входном сечении канала полушириной подача горючего осуществляется через блок одинаковых щелевых сопел с полушириной на срезе. Рассматривается случай, когда плоскость сим- oy aNy 1 Работа выполнена в рамках проекта №06-01-12(У) /12-01-90416 (Р) НАН Украины - РФФИ 2012  В. И. Тимошенко, И. С. Белоцерковец, Н. В. Гурылева, 2012 Техн. механика. – 2012. – № 4. 36 метрии одного из сопел, называе- мого центральным, совпадает с плоскостью симметрии канала. На расстоян aNh друг от друга от него снизу и сверху расположено по N периферийных щелевых со- пел. В качестве расчетной области выбран участок канала в верхней полуплоскости линой ии 2 д L от вход- ного сечения. Схема рассматривае- мого те чения при значении показана . 1. 2N на рис aN Пусть – полуширина одиночного центрального щелевого сопла, эк- вивалентного по площади блоку щелевых сопел. При заданных значениях параметров и полуширина сопел и полушаг решетки опре- деляются по формулам: 0ay N 0ay y aNh N yyo 1  h N y a aNaN 2 00  ya 21  , . Особенностью течения при неизобарическом истечении струй является взаимодействие сложной системы скачков уплотнения с областями смешения и пограничным слоем. Для моделирования течения в канале приняты следующие допущения: – турбулентность полагается локально изотропной; – для выражения турбулентного трения, турбулентных потоков тепла и вещества используется «градиентное» представление Буссинеска через вве- денные для этой цели турбулентные аналоги коэффициентов вязкости – t , теплопроводности – , диффузии – и определяемые по ним эффектив- ные турбулентные числа Прандтля и Шмидта . t tD tPr tSc Рассматриваемое течение описывается в приближении стационарных уравнений вязкого слоя [1 – 4]. Наличие турбулентного пограничного слоя требует при проведении чис- ленных исследований его корректного расчета. В области ламинарного под- слоя необходимо учитывать влияние состава многокомпонентной газовой смеси на коэффициенты переноса, расчет которых представляет собой от- дельную сложную задачу, требующую привлечения методов кинетической теории газов. Для турбулентного течения данная задача до сих пор не решена [5]. Во многих случаях в оценочных расчетах могут быть использованы при- ближенные эмпирические соотношения [6]. Например, для определения ко- эффициента динамической молекулярной вязкости газовой смеси и эффек- тивного коэффициента диффузии для -й компоненты можно использовать формулы Уилки [7, 8]. Коэффициент теплопроводности смеси газов можно рассчитать по формуле Масона и Саксены [9], модифицированной с помо- щью поправки Эйкена [10]. i Приближенные соотношения для коэффициентов переноса позволяют замкнуть задачу при расчете ламинарного течения. В случае турбулентного течения необходимо знать кажущуюся турбулентную вязкость t и эффек- 37 тивные числа Прандтля и Шмидта , которые в данном исследовании полагаются постоянными для всех компонентов и равными tPr tSc 80,PrSc  tt t . Для определения коэффициента турбулентной вязкости в расчетах использовались однопараметрические дифференциальные модели турбулент- ности ( ) [11] и SALSA [12]. 90t При решении задачи формулируется задача Коши со следующими гра- ничными условиями. На левой проницаемой границе расчетной области, соответствующей входному сечению канала 0x , задаются распределения значений газоди- намических переменных:               .),( ,( yT t;,),( ,(;););),( yyNycyc PyTyvyuyu toCkok ooo  , ,( k yv  ;) yPy o  110 00 0 00 Входные профили скорости и температуры в турбулентном пограничном слое задаются приближенно и соответствуют распределениям на плоской пластине в отсутствие градиента давления [4, 13]. На нижней границе расчетной области (плоскости симметрии) 0y ста- вятся условия симметрии течения: 000     00 0         y    yy c y P v y u tk ;;;;; y T . На верхней границе oy , соответствующей теплоизолированной не- проницаемой стенке канала, ставятся граничные условия вида 000  0 0      t k y T u ;; y c ;v; . Для расчета характеристик течения в ламинарном подслое используется сгущение узлов в поперечном направлении к стенке, задаваемое зависимо- стью          1 1 a a z ln ln a 0 1 y y , где – параметр сгущения. При значении сгущение осуществляется к нижней границе расчетной области, при значении – к верхней границе. Параметр практически равен отноше- нию шага в окрестности верхней границы расчетной области к шагу в окре- стности ее нижней границы. В случае ламинарного течения значение пара- метра выбирается из условия разрешения пограничного слоя, а в случае турбулентного режима течения – дополнительно из условия попадания не- скольких точек в ламинарный подслой. При этом минимальное значение шага в окрестности стенки определяется в соответствии с работой [14]. 1a 1a a a Расчет проводится численно маршевым методом [1] вдоль оси с ис- пользованием процедуры регуляризации решения [15]. x Влияние состава струи и модели турбулентности на расчетные пара- метры процесса перемешивания. Влияние моделей турбулентности ( 90t ), SALSA на характеристики процесса перемешивания проиллюстри- ровано на модельном примере смешения с воздухом струи углеводородного горючего (молекулярный водород или молекулярный метан), истекающей из 38 одиночного центрального щелевого сопла (рассмотренный случай соответст- вует значению ). 0N Расчеты проведены при следующих значениях определяющих парамет- ров: в дозвуковой струе на срезе сопла – числе Маха 50,aM 300 , статическом давлении бар, статической температуре 1ap aT К; в спутном сверх- звуковом потоке на входе в канал – 2eM , 1ep бар, 300eT К. Количество узлов расчетной сетки в поперечном направлении равнялось , характерное число Рейнольдса 401yN 410 eoeyuRe , относительная начальная турбулентность потока 210 e o t o t , относительные полуши- рина одиночного центрального щелевого сопла 1000 , oaa yyy и началь- ная толщина пограничного слоя 050, ooo y . Параметром, характеризующим тип образующейся в результате переме- шивания горючей смеси («сладкая», «кислая»), является коэффициент избыт- ка окислителя (воздуха) во входном сечении канала. При истечении струй из блока щелевых сопел этот коэффициент определяется по формуле o ox            o ox c   1 12 12 aNeaa aee aa ee o eO yNTm Tm PM PM L )( , , где mnHCOo mmnm , ae  , im L 2 250 – массовый стехиометрический коэффици- ент обобщенной реакции горения углеводородного топлива в кисло- роде воздуха; – отношения удельных теплоемкостей окислителя (воз- духа) и горючего; – молекулярный вес mnHC i й компоненты; – массовая концентрация кислорода в воздушном потоке. 230, 2 , eOc При значениях в результате смешения образуется «сладкая» смесь, горение которой неэффективно вследствие неполного сгорания горю- чего. Реальный процесс горения в камере сгорания ПВРД должен проходить для «кислой» смеси, соответствующей значениям . По заданным во входном сечении значениям параметров взаимодействующих потоков можно определить начальное значение . В рассмотренных случаях для струи водорода и для метана. 1o ox 2o ox  1o ox o ox 943,o ox 89, Результаты расчетов представлены на рис. 2 – 4. На рис. 2 показаны распределения продольной составляющей числа Маха вдоль плоскости симметрии канала (а), относительного статического давления (б), массовой концентрации водорода (в) и метана (г) вдоль плоско- сти симметрии и стенки канала для тестируемых моделей турбулентности. Сплошными кривыми на рисунке нанесены распределения параметров в пло- скости симметрии канала, штриховыми – вдоль его стенки. Значки ,  соот- ветствуют расчетам смешения струй водорода и метана с использованием модели турбулентности ( xM 90t ), а значки ,  – расчетам с использованием модели турбулентности SALSA. Волнообразное поведение распределений параметров и статического давления является следствием взаимодейст-xM 39 вия волновой структуры течения с плоскостью симметрии, пограничным сло- ем и стенкой канала. 0 10 20 30 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 xM x/y o а) 0 10 20 30 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 x/y o P/P a б) 0 10 20 30 10-4 10-3 10-2 10-1 100 x/y o c fu в) 0 10 20 30 10-4 10-3 10-2 10-1 100 x/y o c fu г) Рис. 2 На рис. 3 показаны изолинии концентраций водорода (а) и метана (б) в зависимости от используемой при расчете модели турбулентности ( 90t ) или SALSA. а) б) Рис. 3 Для определения длины перемешивания рассмотрим две вспомогательные функции маршевой координаты ( ) [3], f fucPf , 40 позволяющие оценить неравномерность полей статического давления и массовой концентрации горючего   oo yy f udyfudyff 00 , где   oo yy udyudyff 00 – среднемассовое значение параметра в сечении. f На рис. 4 показаны распределения вспомогательных функций fu (а) и (б) при использовании в расчетах тестируемых моделей турбулентности. p 0 10 20 30 10-1 100 x/y o  fu а) 0 2 4 6 8 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 x/y o  p б) Рис. 4 Обозначения кривых значками аналогичны принятым для кривых, приве- денных на рис. 2. Из представленных графических результатов численных исследований можно заключить: – применение модели SALSA в расчетах приводит к более эффективному смешению и торможению потока по сравнению с моделью ( 90t ), что вы- звано генерированием больших значений турбулентной вязкости; – использование в расчетах той или иной модели турбулентности оказы- вает заметное влияние на характеристики поля течения, поэтому выбор моде- ли должен осуществляться в результате сравнения с экспериментальными данными и результатами других расчетов; – вид углеводородного горючего слабо влияет на длину области переме- шивания; – выравнивание поля статического давления в поперечном направлении наступает на расстоянии, значительно меньшем по сравнению с расстоянием выравнивания поля концентраций; – перемешивание со спутным сверхзвуковым потоком воздуха истекаю- щей из одиночного центрального сопла дозвуковой струи горючего наступает на расстояниях, превышающих 30 . Это расстояние намного больше, чем допустимая длина области смешения в камере сгорания ПВРД. oy Влияние начальных параметров на процесс перемешивания. Чтобы в «чистом» виде оценить влияние начальных параметров на процесс смешения, были проведены параметрические расчеты течения при истечении из одиноч- ного центрального щелевого сопла дозвуковой струи водорода в спутный сверхзвуковой поток воздуха. В качестве варьируемых параметров рассмат- 41 ривались: число Маха и статическая температура струи на срезе со- пла; число Маха и статическая температура спутного потока на входе в канал, уровень начальной турбулентности потоков aM aT eM eT o t . Значения варьируемых параметров следующие: 705030 ,;,;,aM ; 700500300 ;;aT К; 520251 ,;,;,eM ; 700500300 ;;eT К; 50010020 ;;ot . Подчеркнутые значения параметров являются опорными. Значения остальных параметров , , , aP eP Re o , 0ay и – прежние. Все параметрические расчеты выполнены с использованием модели турбулентно- сти SALSA как таковой, которая в большей степени влияет на результаты. yN Особенностью параметрических исследований является то, что при изме- нении любого из вышеназванных газодинамических параметров изменяется значение коэффициента избытка окислителя . Поэтому при представле- нии графических результатов параметрических расчетов указывались и соот- ветствующие значения коэффициента . o ox o ox На рис. 5 – 8 показаны результаты параметрических расчетов в виде гра- фиков зависимостей от продольной координаты x составляющей числа Маха на оси канала (а), статического давления xM P на оси (сплошные кривые со значками) и стенке (штриховые кривые со значками) канала (б) и относитель- ной массовой концентрации горючего (в). Влияние числа Маха и статической температуры на срезе сопла иллюстрируют рис. 5, 6 соответ- ственно. Рис. 7, 8 иллюстрируют влияние параметров и на процесс перемешивания. На всех рисунках кривые со значками , ,  соответствуют первому, второму и третьему значениям варьируемого параметра. fu aM aT eM eT На рис. 8 представлены результаты расчетов, иллюстрирующие влияние относительной начальной турбулентности o t при значении . 913,o ox Из представленных на рисунках результатов можно заключить: – изменение числа Маха на срезе сопла в диапазоне от 0,3 до 0,7 ока- зывает наиболее заметное влияние на газодинамические характеристики в струе на участке aM 200  x (рис. 5). Влияние параметра на характер из- менения относительной неравномерности массовой концентрации горючего оказывается незначительным. В рассмотренном диапазоне изменения выравнивание поля концентрации горючего в поперечном направлении до значения относительной неравномерности =5% происходит на рас- стояниях ~ 37 (рис. 5 в). Выравнивание поля статического давления до значения относительной неравномерности aM fu aM fu oy P =5% осуществляется на рас- стоянии ~ 25 (рис. 5 б); oy – изменение статической температуры струи на срезе сопла в диапа- зоне от 300 К до 700 К приводит к уменьшению значения числа Маха на оси (рис. 6 а) и увеличению уровня статического давления в расчетной облас- ти (рис. 6 б). Влияние этого параметра на длину области выравнивания поля концентраций в поперечном направлении незначительное, длина области вы- aT xM 42 равнивания поля концентраций горючего в поперечном направлении до зна- чения =5% составляет примерно ~ 38 ; fu oy 0 10 15 20 25 30 35 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 5 xM x/y o а) 0 5 10 15 20 25 30 35 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 xM x/y o а) 0 5 10 15 20 25 30 35 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 x/y o P/P a б) 0 5 10 15 20 25 30 35 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 x/y o P/P a б) 0 5 10 15 20 25 30 35 10-1 100 x/y o  fu в)  – ; ;  – ;  – 30,aM ;,50aM ;,70aM 516,o ox 913,o ox 792,o ox Рис. 5 0 5 10 15 20 25 30 35 10-1 100 x/y o  fu в)  – ;KTa 300 ;  – 913,o ox ;KTa 500 055,o ox ;  – ;KTa 700 995,o ox Рис. 6 – при изменении числа Маха спутного потока на входе от значе- ния 1,5 до значения 2,5 (рис. 7) уровень значений числа Маха на оси ка- нала уменьшается (рис. 7 а); длина области выравнивании статического дав- ления в поперечном направлении увеличивается и при значении относитель- ной неравномерности =5% составляет ~ 33 (рис. 7 б) для значения eM xM P oy 43 52,eM eT . Увеличение практически не влияет на длину области вырав- нивания поля концентраций горючего и при значении относительной нерав- номерности =5% составляет ~ 38 (рис. 7 в); eM fu oy – изменение начального значения статической температуры в спутном потоке от 300 К до 700 К понижает уровень статического давления в об- ласти течения (рис. 8 б) и слабо влияет на длину области выравнивания поля концентраций в поперечном направлении (рис. 8 в); 0 5 10 15 20 25 30 35 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 xM x/y o а) 0 5 10 15 20 25 30 35 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 xM x/y o а) 0 5 10 15 20 25 30 35 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 x/y o P/P a б) 0 5 10 15 20 25 30 35 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 x/y o P/P a б) 0 5 10 15 20 25 30 35 10-1 100 x/y o  fu в)  – ;  – ;  – ;,51eM ;,02eM ;,52eM 932,o ox 913,o ox 884,o ox Рис. 7 0 5 10 15 20 25 30 35 10-1 100 x/y o  fu в)  – ;KTe 300 913,o ox ;  – ;KTe 500 013,o ox ;  – ;KTe 700 522,o ox Рис. 8 44 – изменение значения отно- сительной начальной турбулент- ности o t оказывает наибольшее влияние на длину области вырав- нивания поля концентраций в по- перечном направлении (рис. 9 в). Увеличение значения параметра o t от 100 до 500 приводит к уменьшению длины области вы- равнивания поля концентраций в поперечном направлении с 40 до 25 . oy oy 0 5 10 15 20 25 30 35 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 xM x/y o а) Результаты параметрических исследований показали, что из- менение газодинамических пара- метров на входе в рассматривае- мых диапазонах ( 7030 ,, aM ; 700300 aT К; 5251 ,, eM ; 700300 eT К) не оказывает существенного влияния на длину области перемешивания, которая составляет ~ 38 . oy 0 5 10 15 20 25 30 35 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 x/y o P/P a б) Наиболее эффективно на уменьшение длины области пе- ремешивания влияет повышение уровня начальной турбулентно- сти. Однако чрезмерная турбули- зация потока на входе в канал может привести к большим поте- рям кинетической энергии потока и, как следствие, к уменьшению тяговых характеристик двигателя. Это подтверждается представ- ленными на рис. 10 результатами расчетов зависимости среднемас- сового полного давления от про- дольной координаты, которые получены при опорных значени- ях газодинамических параметров и разных значениях начальной турбулентности. Сплошными кривыми со значками , ,  на- несены распределения, соответс- твующие значениям параметра 50010020 ;;ot . Для сравнения там же штриховыми кривыми со 0 5 10 15 20 25 30 35 10-2 10-1 100 x/y o  fu в) , ,  – 50010020 ;;ot Рис. 9 0 5 10 15 20 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 Po/P a x/y o Рис. 10 45 значками ,  нанесены распределения, соответствующие значениям и 30,aM 70,aM при опорном значении 100ot . Влияние количества щелевых сопел на процесс перемешивания. Как отмечено выше, при подаче горючего через одиночное центральное сопло изменение газодинамических параметров течения на входе в рассмотренных диапазонах не позволяет существенно сократить длину области перемешива- ния. Одним из путей сокращения этой длины является организация подачи горючего в канал через ряд топливных пилонов. Такой способ подачи, на- пример, осуществляется в камерах сгорания жидкостных реактивных двига- телей. Для оценки влияния количества щелевых сопел на длину области пере- мешивания рассматривается модельная задача, в которой не учитывается влияние пограничного слоя на характеристики течения. Полагается, что стен- ка канала является плоскостью симметрии течения. При сделанных предпо- ложениях имеет место симметрия течения, поэтому расчетная область выбра- на в виде прямоугольника ABCO , в котором сторона совпадает с плос- костью симметрии одиночной струи, а сторона OC AB совпадает с плоскостью симметрии спутного воздушного потока (рис. 1). При любом значении параметра граничные условия, при которых проводится расчет течения в области, не изменяются, отношение сторон N const ml aNaN yh . Следовательно, имеет место подобие по начальным дан- ным и граничным условиям. Если для заданного в качестве масштаба ли- нейного размера выбрать ширину расчетной области N aNaNm yhl  NRe и записать уравнения вязкого слоя в безразмерных переменных, то в эти урав- нения будет входить характерное число Рейнольдса , определенное по и параметрам спутного воздушного потока. Значение связано со значением соотношением NRe ml Re )(ReRe NN 21 . Таким образом, результаты расчета течения в области ABCO зависят от значения . При увеличении количества щелевых сопел значение характерного числа Рейнольдса в рас- четной области N ABCO N уменьшается и, следовательно, увеличивается влия- ние эффектов вязкости на процесс перемешивания. Воспользовавшись ре- зультатами параметрических расчетов для одиночного центрального сопла, можно приближенно оценить длину области перемешивания при заданном значении параметра . Если – длина области перемешивания для оди- ночного щелевого сопла, то для блока из периферийных сопел эта длина не будет превышать величину 0L N NL )( 120 NL . Для более точного опреде- ления искомой длины смешения необходимо провести расчет течения в об- ласти ABCO NRe при соответствующем значении характерного числа Рейнольд- са . На рис. 11 а сплошной кривой показана зависимость длины области пе- ремешивания от количества щелевых сопел . Эта зависимость получена в результате расчета течения в области N ABCO при опорных значениях пара- метров в струе и потоке и значении характерного числа Рейнольдса . Там же штриховой кривой нанесена теоретическая зависимость NRe )( 1210 LLN N . 46 Влияние количества периферийных сопел на распределение концен- траций горючего вдоль границ расчетной области N ABCO (сплошные кривые соответствуют распределениям вдоль границы , штриховые – вдоль гра- ницы OC AB ) показано на рис. 11 б. Значки соответствуют следующим значени- ям параметра :  – ,  – ,  – N 0N 1N 2N ,  – 3N . Качественное влияние погра- ничного слоя на длину области пе- ремешивания иллюстрируют графи- ки относительной неравномерности fu , представленные на рис. 11 в. На этом рисунке при значении пара- метра 0N oy кривая, помеченная значками , соответствует случаю учета пограничного слоя на стенке канала, а кривая, помеченная знач- ками , соответствует случаю, когда стенка канала заменяется плоско- стью симметрии. Из рисунка видно, что учет пограничного слоя может существенно сократить длину обла- сти перемешивания. Следует также отметить, что заметное влияние пог- раничного слоя на длину области перемешивания сказывается вниз по потоку на расстояниях, превышаю- щих 5 . При организации подачи горючего через блок щелевых сопел пограничный слой влияет в первую очередь на длину областей переме- шивания крайних периферийных щелевых сопел, сокращая ее. Таким образом, сократить об- ласть перемешивания до размеров, удовлетворяющих конструктивным требованиям, можно посредством выбора количества периферийных щелевых сопел. Однако следует помнить, что чрезмерное увеличе- ние количества периферийных ще- левых сопел существенно уменьшает площадь входного сечения (толщины стенок сопел имеют конечные размеры), усложняет конструкцию и изменяет характеристики воздушного потока на входе вследствие взаимодействия с пограничными слоями и ударными волнами, возникающими при обтекании топливных пилонов. 0 1 2 3 4 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 N LN /L0 а) 5 10 15 20 25 30 35 0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 x/y o c fu б) 0 5 10 15 20 25 30 35 10-1 100 x/y o  fu в) Рис. 11 Выводы. На основании проведенных численных исследований можно сделать следующие выводы: – использование в расчетах той или иной модели турбулентности оказы- вает заметное влияние на характеристики поля течения, поэтому выбор моде- 47 ли должен осуществляться в результате сравнения с экспериментальными данными и результатами других расчетов; – применение модели SALSA приводит к более эффективному смешению и торможению потока по сравнению с моделью ( 90t ), что вызвано гене- рированием в потоке больших значений турбулентной вязкости при одинако- вых исходных значениях o t ; – длины областей перемешивания струи углеводородного горючего с воздухом практически не зависят от рассмотренного типа горючего; – выравнивание поля статического давления в поперечном направлении наступает на расстоянии, значительно меньшем по сравнению с расстоянием выравнивания поля концентраций; – при подаче горючего через одиночное центральное сопло изменение га- зодинамических параметров течения на входе в рассмотренных диапазонах не позволяет существенно сократить длину области перемешивания. Наиболее эффективно на уменьшение длины области перемешивания влияет повыше- ние уровня начальной турбулентности; – одним из путей сокращения длины перемешивания до приемлемых с точки зрения практического использования значений является организация подачи топлива в канал через систему топливных пилонов. 1. Тимошенко В. И. Маршевый расчет течения при взаимодействии сверхзвуковой турбулентной струи со спутным ограниченным дозвуковым потоком / В. И. Тимошенко, И. С. Белоцерковец // Вісник Дніпропетровського університету. – 2008. – Вып. 1, Т. 1, Механика. – С.15 – 23. 2. Белоцерковец И. С. Расчет течения при взаимодействии сверхзвуковой турбулентной струи со спутным ограниченным дозвуковым потоком методом глобальных итераций / И. С. Белоцерковец // Техническая механика. – 2009. – №2. – С. 78 – 86. 3. Тимошенко В. И. Влияние геометрии канала на процесс торможения сверхзвуковой струи в спутном дозвуковом потоке / В. И. Тимошенко, И. С. Белоцерковец, Н. В. Гурылева // Техническая механика. – 2009. – № 4. – С. 43 – 49. 4. Тимошенко В. И. Tорможение сверхзвукового потока в канале при распределенном подводе массы / В. И. Тимошенко, И. С. Белоцерковец, Н. В. Гурылева // Техническая механика. – 2012. – № 3. – С. 23 – 34. 5. Кузнецов В. Р. Турбулентность и горение / В. Р. Кузнецов, В. А. Сабельников. – М. : Наука, 1986. – 288 с. 6. Бретшнайдер С. Свойства газов и жидкостей / С. Бретшнайдер. – М. : Химия, 1966. – 535 с. 7. Лапин Ю. В. Внутренние течения газовых смесей / Ю. В. Лапин, М. Х. Стрелец. – М. : Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. – 368 с. 8. Wilke C. R. Diffusional properties of multicomponent gases / C. R. Wilke // Chem. Eng. Progr. – 1950. – V. 46, N 2. – P. 95 – 104. 9. Mason E. A. Approximate formula for the conductivity of gas mixtures / E. A. Mason, S. C. Saxena // Phys. Fluids. – 1958. – V. 1, N 5. – P. 361 –- 369. 10. Гиршфельдер Дж. Теплопроводность в многоатомных и электронновозбужденных газах / Дж. Гиршфельдер // Проблемы движения головной части ракет дальнего действия. – М. : ИЛ, 1959. – 345 с. 11. Гуляев А. Н. К созданию универсальной однопараметрической модели турбулентной вязкости / А. Н. Гуляев, В. Е. Козлов, А. Н. Секундов // МЖГ. – 1993. – № 4. – С. 69 – 81. 12. Restatement of the Spalart-Allmaras eddy-viscosity model in strain-adaptive formulation / T. Rung, U. Bunge, M. Schatz, F. Thiele // AIAA Journal. – 2003. – Vol. 41, N 7. – P. 1396 – 1399. 13. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя / Г. Шлихтинг. – М. : Наука, 1974. – 712 с. 14. Мингазов Б. Г. Выбор моделей турбулентности и параметров сетки для расчета течений в диффузор- ных каналах / Б. Г. Мингазов, И. С. Давлетшин // Изв. вузов. Авиационная техника. – 2011. – № 4. – С. 24 – 28. 15. Родионов А. В. Новый маршевый метод расчета струй продуктов сгорания / А. В. Родионов // Журн. выч. мат. и матем. физики.– 2002. – T. 42, № 9. – С. 1413 – 1424. Институт технической механики Получено 20.09.2012, НАН Украины и НКА Украины, в окончательном варианте 07.11.2012. Днепропетровск, ЦАГИ, г. Жуковский Московской обл. 48

Смешение истекающих из щелевых сопел дозвуковых струй углеводородного горючего со спутным сверхзвуковым потоком в канале

Репозитарії

Схожі ресурси