Экспериментальные и численные исследования нестационарного смесеобразования и горения в модели камеры сгорания газовой турбины
В рамках выполнения работ по научным проектам и международного сотрудничества с Университетом Шанхая разработан и создан экспериментальный стенд для оптической диагностики смесеобразования и горения в модели камеры сгорания газотурбиной установки при повышенном давлении и температуре (до 8 атм и 500К). Отсек оснащен водяным охлаждением теплонапряженных деталей и воздушным пленочным охлаждением стенок камеры сгорания и позволяет проводить исследования для фронтовых устройств диаметром до 80 мм.
Для модельного двухзонного фронтового устройства проведена серия экспериментов с использованием методов PIV/PLIF и высокоскоростной визуализации с использованием УФ преобразователя с усилителем яркости изображения. Данное модельное фронтовое устройство является моделью для завихрителей, обеспечивающих стабилизацию пламени «бедной» смеси. Ранее для него в Университете Лафборо были измерены поля скорости на гидродинамическом стенде и в Университете г. Дармштадта проведена визуализация формы пламени.
В ИТ СО РАН впервые проведена серия детальных PIV/PLIF экспериментов и даны количественные оценки о вкладе крупномасштабных вихревых структур, включая прецессирующее вихревое ядро, в турбулентный перенос и перемешивание как для топлива в основной, так и в дежурной зоне. Впервые для камеры сгорания получены оценки турбулентного числа Шмидта как для воздуха, так и для неона и метана. Показано влияние плотности газа на эту величину. Измеренные поля скорости для различных режимов горения метана и синтез газа показали, присутствие когерентных структур, соответствующих как продольным, так и поперечным модам гидродинамической неустойчивости.
Мгновенное поле скорости и концентрации радикала ОН (измеренные методом PIV и ОН PLIF соответственно) и фотография пламени метана при повышенном давлении и температуре окислителя.
В рамках работ была реализована численная методика расчета горения пламен метана и синтез-газа в камере сгорания, в том числе при повышенном давлении и температуре. Расчеты проводились на детальных неструктурированных сетках, описывающих реальную пространственную геометрию камеры сгорания. В рамках выполнения работ, было показано, что модели турбулентности на основе URANS подхода не позволяют достоверно описать сильно закрученный поток в камере сгорания. Наилучшее согласование с экспериментальными данными показали результаты расчетов с применением вихреразрешающего метода LES с моделью подсеточной вязкости WALE. Для горения применялась модель Flamelet Generated Manifolds с детальными кинетическими механизмами. Процессы радиационного теплообмена учитывались посредством модели дискретных ординат с вычислением коэффициента поглощения по модели серых газов. Результаты моделирования пламен метана и синтез-газа показали хорошее совпадение с экспериментальными данными. Получены детальные нестационарные характеристики сильно закрученного потока, температуры и концентрации компонент в широком диапазоне давлений и температур смеси при горении метана и синтез-газа в модельной камере сгорания.
Результаты расчета – мгновенная скорость и мгновенная температура в сечении камеры сгорания для пламени метана при нормальных условиях (а). Сравнение результатов экспериментальных исследований (б) и численного моделирования (в).
Возникновение термоакустических пульсаций вызвано усилением продольной моды и сопряжено с отрывом пламени, накоплением в центральной зоне рециркуляции топлива и последующим кратковременным быстрым сгоранием, что приводит к пульсациям давления. Описанные механизм объясняет явление термоакустического резонанса при организации бедного горения в камерах сгорания современных газовых турбин.
ИТ СО РАН. Руководитель работы – Маркович Дмитрий Маркович директор ИТ СО РАН, академик РАН, д.ф.-м.н., профессор. Исполнители – Дулин Владимир Михайлович в.н.с., д.ф.-м.н., профессор РАН; Чикишев Леонид Михайлович м.н.с.; Шараборин Дмитрий Константинович м.н.с.; Лобасов Алексей Сергеевич м.н.с.; Толстогузов Роман Владимирович м.н.с.; Савицкий Алексей Геннадьевич м.н.с.; Дектерев Александр Анатольевич с.н.с., к.т.н.; Дектерев Артем Александрович м.н.с.; Минаков Андрей Викторович н.с., к.ф.-м.н. Тел. +7 (383) 330-90-40.