УДК 621.45.04

Расчет поля топливо-воздушной смеси в форсажной камере сгорания

Лепешинский Игорь Александрович – доктор технических наук, профессор кафедры Теории и расчета воздушно-реактивных двигателей Московского авиационного института.

Зотикова Полина Викторовна – аспирант кафедры Теории и расчета воздушно-реактивных двигателей Московского авиационного института.

Аннотация: Рассматривается способ расчета параметров диспергирования среднего формирования двухфазного газокапельного потока на основе использования коэффициента скорости жидкой фазы. Поведен анализ расчета параметров потока, истекающего из форсунки. Полученные результаты эксперимента, приведена зависимость и поведенческие особенности двухфазного газокапельного потока.

Ключевые слова: двухфазный поток, струйные сопла, газ, капли, формирование полей параметров, лазерная диагностика.

Введение

Камеры сгорания играют важную роль в процессе работы авиационных двигателей. Эффективность этих систем зависит от многих факторов, включая оптимальное распределение и дисперсию рабочего тела внутри форсажной камеры сгорания. В данной статье рассмотрим методику расчета параметров диспергирования рабочего тела. Данная методика представляет собой ключевой элемент инженерных разработок, нацеленных на улучшение процесса сгорания топлива. С помощью вычислительных моделей и аналитических подходов, мы можем более точно прогнозировать и управлять процессами, происходящими внутри форсажных камер сгорания. В данной работе рассматривается, способ расчета параметров диспергирования топлива и влияние его на эффективность технических систем. Рассмотрим методику определения диаметра форсунки, и в данном способе требуется определить потребный диаметр наряду с другими параметрами. При известных значениях расхода, значения коэффициента скорости.

Методика расчета

Определим площадь, которую занимает жидкость на выходе из форсунки:

      (1)

– площадь занимаемая жидкостью на выходе;

­– расход жидкости;

– плотность жидкости;

– реальная (экспериментальное значение) скорость истечения жидкости.

Используя , определим скорость , по которой рассчитаем давление в форсунке:

      (2)

где, – значения давления среды;

– теоретическая скорость истечения жидкости;

Определим возможный режим истечения газовой фазы, для чего определим величину функции  для газа. Если значение  (для воздуха), то режим истечения газа дозвуковой. В этом случае определяем площадь, занимаемую газом следующим образом. По давлению в форсунке , определяем плотность газа на вход:

      (3)

где, – плотность жидкости;

– значения давления среды;

– универсальная газовая постоянная;

– температура среды.

Определяем значения критерия:

      (4)

где, – плотность жидкости;

– плотность газа.

Далее по функции  рассчитываем:

      (5)

где  – приведенная скорость;

– коэффициент адиабаты;

–газодинамическая функция.

или используя также ГДФ определяем значение  и . Затем находим значение плотности газа на выходе:

     (6)

– газодинамическая функция

– плотность газа.

Скорость газа:

      (7)

где  –приведенная скорость;

– коэффициент адиабаты;

­– температура торможения.

Из уравнения расхода газа определяем площадь, занимаемую газом:

      (8)

где – расход газа;

– плотность газа;

– скорость истечения газа.

Определяем площадь и диаметр отверстия:

      (9)

      (10)

Результаты эксперимента

Оценим приведенный способ, используя результаты эксперимента работы [1] и расчетной работы [2].

В работе [1] экспериментально исследовалось смесительное устройство в форме цилиндрического канала показанного на рисунке 1. В смеситель подавался воздух и жидкость (вода). В цилиндрическом канале имелись отверстия диаметром 1.5 мм, через которые вытекал двухфазный газокапельный поток. На ряде режимов с помощью лазерного устройства PIV [3], в вертикальной плоскости определялись поля скорости капель на выходе на различных расстояниях от выходных отверстий форсунок.

Рисунок 1. Поля скоростей капель в вертикальной плоскости.

На рисунок 1 представлены поля скоростей капель в вертикальной плоскости, снятые на различных расстояниях от среза форсунок. Из рисунка 2 следует, что капли на выходе из смесителя в дальнейшем ускоряются. В работе [2] представлена программа и результаты расчета по ней параметров истекающего из смесителя двухфазного потока. Для тестирования разработанной модели использовалась часть результатов измерения скорости показанных на рисунке 2 в центральной части поля при Х=0, без точек содержащих максимумы. В расчете было задействовано 10 отверстий, через которые истекал двухфазный поток. На выходе из отверстий измерялись скорости фаз, воздуха и капель. Для измерения использовались лазерные и зондовые методы, подробно описанные в работе авторов [3].

Надо отметить, что для расчета параметров использовалось значение измеренной скорости на выходе из форсунки из т.е. величина скорости . На рисунке 2 представлены результаты сравнения расчета по разработанной программе: красная сплошная линия, на которую нанесены экспериментальные точки синего цвета.

Рисунок 2. Исследование пузырьковой структуры двухфазного потока.

Исходя из данных исследования, пузырьковую структуру двухфазного потока надо использовать только в случаях, когда в результате диспергирования нужны достаточно крупные капли. В тоже самое время в работе [1] экспериментально оценивалась дисперсность капель на основе определения диаметра капель d₃₂ (диаметр Заутера). Он составил величину порядка 25мкм.

Вывод

Предложен способ расчета параметров диспергирования среднего формирования двухфазного газокапельного потока на основе использования коэффициента скорости жидкой фазы. В основу данного способа расчета входят вычислительные модели и аналитические подходы для более точного прогнозирования и управления процессами внутри форсажных камер сгорания. Выявленное влияние описанного выше способа дает возможность всесторонне и более полно изучить процессы распределения газового потока, для дальнейших поисков способов повышения эффективности рабочего процесса форсажных камер сгорания.

Список литературы

1. Лепешинский И.А. Газодинамика одно- и двухфазных течений в реактивных двигателях. М.: Изд-во МАИ. 2003. с. 276.
2. Лепешинский И.А., Антоновский И.В., Гузенко А.А., Истомин Е.А., Решетников В.А., Оптимизация двухфазных течений с помощью решения обратной задачи. МЖГ 2016, №1. с. 72-77.
3. Лепешинский И.А., Решетников В.А., Заранкевич И.А., Численное моделирование и экспериментальное исследование жидкостно-газового двухфазного эжектора со сверхзвуковым профилированным соплом. Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2017. Т. 16. №2. С. 164 – 171.