close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Методика определения эмиссии канцерогенных ароматических углеводородов камерами сгорания газотурбинных двигателей и установок

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Чечет Иван Викторович
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭМИССИИ КАНЦЕРОГЕННЫХ
АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ КАМЕРАМИ СГОРАНИЯ
ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И УСТАНОВОК
05.07.05 – Тепловые, электроракетные двигатели
и энергоустановки летательных аппаратов
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Самара – 2018
2
Работа
выполнена
в
федеральном
государственном
автономном
образовательном учреждении высшего образования «Самарский национальный
исследовательский университет имени академика С.П. Королева» на кафедре
теплотехники и тепловых двигателей.
Научный руководитель: Матвеев Сергей Геннадьевич, кандидат технических
наук, доцент.
Официальные оппоненты:
Шайкин Александр Петрович, доктор технических наук, федеральное
государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Тольяттинский государственный университет», кафедра энергетических машин и
систем управления, профессор;
Бакланов Андрей Владимирович, кандидат технических наук, акционерное
общество Казанское моторостроительное производственное объединение, начальник
бюро камер сгорания и выходных устройств.
Ведущая организация: федеральное государственное казенное военное
образовательное учреждение высшего образования «Военный учебно-научный центр
Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора
Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж).
Защита диссертации состоится 27 декабря 2018 г. в 10-00 на заседании
диссертационного совета Д 212.215.08 на базе федерального государственного
автономного образовательного учреждения высшего образования «Самарский
национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева» по
адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте федерального
государственного автономного образовательного учреждения высшего образования
«Самарский национальный исследовательский университет имени академика
С.П. Королева»: http://www.ssau.ru/resources/dis_protection/chechet/.
Автореферат разослан
октября 2018 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета Д 212.215.08
Макарьянц Г.М.
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Использование углеводородных топлив в
транспортных двигателях и энергетических установках сохранится еще на многие
десятилетия, поэтому совершенствование организации рабочего процесса в камерах
сгорания различного назначения продолжает оставаться актуальным. Особое
внимание уделяется экологическим аспектам сжигания топлив.
В настоящее время Международной организацией гражданской авиации
(ИКАО) для авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) нормируются выбросы:
оксида углерода (CO), несгоревших углеводородов (HC), оксидов азота (NOX) и дыма
(SN). Аналогично, и крупные компании (ПАО «Газпром») вводят и свои стандарты на
выбросы СО и NOX в установках наземного применения. Вместе с тем, известно, что
продукты сгорания углеводородных топлив обладают канцерогенной активностью,
так как в составе несгоревших углеводородов содержатся полициклические
ароматические углеводороды (ПАУ), которые способны вызывать раковые
заболевания у живых организмов и мутацию клеток. Ущерб, наносимый окружающей
среде за счет выброса отдельных ПАУ, например, бенз(а)пирена, сопоставим с
ущербом от выбросов CO или NOx. Однако, если учесть, что в продуктах сгорания
содержится целый спектр ПАУ, то становится очевидным, что вклад группы
канцерогенных ПАУ в общее загрязнение окружающей среды при сжигании топлив
может оказаться решающим. Кроме того, ПАУ являются основными
промежуточными веществами в цепи реакций формирования сажистых частиц.
Для снижения выбросов канцерогенных ПАУ весьма актуальной является задача
выявления механизмов их образования при горении углеводородных топлив. Этот
процесс, в настоящее время, моделируется с использованием детальных кинетических
схем, включающих тысячи химических реакций и сотни реагирующих веществ.
Развитие суперкомпьютерных технологий, а также программного обеспечения,
поддерживающего параллельные вычисления, позволяет решать численными
методами в детальной постановке задачи механики жидкости и газа, в том числе с
химическими реакциями. Учитывая высокую стоимость экспериментальных
исследований по доводке камер сгорания, необходимость привлечения значительных
материальных и временных ресурсов, а также низкой информативностью
внутрикамерных процессов приобретает актуальность использование современных
программно-аппаратных средств для моделирования и исследования рабочих
процессов в камерах сгорания (КС) газотурбинных двигателей и установок (ГТУ) и
разработка более точных методов их расчета. Поэтому, разработка методики
численного моделирования эмиссии канцерогенных ПАУ камерами сгорания ГТД и
ГТУ с использованием детальных кинетических механизмов является актуальной.
Степень разработанности темы. В разработку методов, описывающих
образование ПАУ, существенный вклад внесли как российские, так и иностранные
учёные: Ю.Варнац, Б.Л. Вестбрук, В. Алкимеда, К.Х. Хоман, С.И. Стейн, К.Ф.
Мелиус, Н.В. Лавров, Г.М. Беджер, С.К. Рей, Р. Лонг и другие. Основным
недостатком предлагаемых методов являлась схематичность путей образования ПАУ
и отсутствие достоверных экспериментальных данных.
Ю.Д. Битнер, Ю.Б. Ховард и другие перешли к разработке качественных
методов и экспериментальному подтверждению образования ПАУ на модельных
пламёнах. С.В. Лукачев, С.Г. Матвеев и другие, экспериментально, показали, что
образование бенз(а)пирена, как характерного представителя канцерогенных ПАУ
4
определяется концентрацией продуктов пиролиза исходного топлива, среди которых
важную роль играет ацетилен (С2Н2). Однако построенные на основе обобщений
этих исследований прогностические модели зависят от эмпирических
коэффициентов, справедливых в узком диапазоне граничных условий.
Начиная с работ М. Френклаха, Г. Ванга, К.Ф. Мелиуса, Г. Рихтера, М.
Маринова, М. Крафта и других, были предложены детальные механизмы,
включающие сотни компонентов и тысячи элементарных реакций роста ПАУ из
ацетилена, но одной из существенных проблем является нехватка надёжных
термодинамических и кинетических данных по константам элементарных стадий
химических реакций.
Несмотря на перспективность использования детальных механизмов, их
применимость к моделированию образования ПАУ в реальных технических
устройствах крайне затруднительна, даже для современных суперкомпьютеров.
Поэтому активно развиваются комбинированные методы, сочетающие в себе расчёт
химической кинетики на базе реакторных моделей и численное моделирование
газовой динамики в трёхмерной постановке. Существенный вклад в
совершенствование этих методов внесли: Старик А.М., Куценко Ю.Г., Langwell J.P.,
Poinsot T., Zimont V. и другие, однако, применительно к эмиссии ПАУ эти методы
недостаточно проработаны.
Цель работы: Повышение эффективности проектирования и доводки
малоэмиссионных камер сгорания газотурбинных двигателей и установок за счёт
разработки методики численного моделирования эмиссии канцерогенных
углеводородов при сжигании газообразных топлив с использованием детальной
химической кинетики.
Задачи работы:
1.
Создание комплекса экспериментальных установок, моделей и систем
измерения для исследования процессов образования канцерогенных ПАУ.
2.
Создание детального кинетического механизма включающего пути образования
канцерогенных ПАУ и определение соответствующих констант скоростей
элементарных стадий с использованием квантово-химических методов расчёта.
3.
Расчётно-экспериментальное исследование образования канцерогенных ПАУ в
модельных пламёнах.
4.
Разработка и валидация методики численного моделирования синтеза
канцерогенных ПАУ в камерах сгорания ГТД и ГТУ с использованием детальной
химической кинетики.
Объект и предмет исследования. Объект исследования – процессы горения и
образования вредных веществ, происходящие в КС ГТД и ГТУ при сжигании
газообразных углеводородных топлив. Предмет исследования – методика
определения эмиссии вредных веществ камерами сгорания ГТД и ГТУ с
использованием детальной химической кинетики окисления газообразных
углеводородных топлив.
Научная новизна:
1.
Сформирован новый кинетический механизм, состоящий из 270 химических
веществ и 2156 элементарных химических реакций, детально описывающий
образование канцерогенных углеводородов, отличающийся расширенным блоком
элементарных реакций 4-6 кольцевых ПАУ.
5
2.
Получены новые данные по константам скорости элементарных стадий
химических реакций, приводящих к образованию бенз(а)пирена, как характерного
представителя группы канцерогенных ПАУ, отличающиеся повышенной точностью
значений за счёт использования современных квантово-химических методов расчёта.
3.
Впервые получены новые экспериментальные данные по образованию
бенз(а)пирена, как характерного представителя группы канцерогенных ПАУ при
горении метана с добавками ацетилена в модельной камере сгорания, а также
нафталина,
фенантрена,
антрацена,
флуорантена,
пирена,
хризена,
бенз(б)флуорантена, бенз(к)флуорантена, дибенз(а,h)антрацена, бенз(g,h,i)перилена
при горении газообразных топлив в модельных пламёнах. Выявлены основные
закономерности синтеза ПАУ при горении многокомпонентных топлив.
4.
Впервые предложена методика численного моделирования синтеза
канцерогенных ПАУ в камерах сгорания ГТД и ГТУ с использованием детального
кинетического механизма окисления газообразных углеводородных топлив.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Теоретическая значимость работы заключается в выявлении закономерностей
образования канцерогенных ПАУ, формировании кинетического механизма их
синтеза и получении новых констант скоростей химических реакций с
использованием современных квантово-химических расчётов.
Практическая значимость результатов работы заключается в разработанной
методике численного моделирования синтеза канцерогенных ПАУ в камерах
сгорания ГТД и ГТУ с использованием современных программных пакетов и
созданной базы данных термодинамических свойств индивидуальных веществ и
констант элементарных химических реакций, позволяющей создавать кинетические
схемы, описывающие процесс горения газообразных углеводородных топлив разного
уровня детализации.
Разработанная методика расчета и моделирования синтеза канцерогенных ПАУ
в камерах сгорания ГТД и ГТУ с использованием современных пакетов программ
газодинамического, физико-кинетического и квантово-химического моделирования
позволяет более тщательно на стадии проектирования оценить вклад канцерогенных
углеводородов в суммарный выброс вредных веществ с отработавшими газами.
Результаты диссертации нашли практическое применение при выполнении
исследований в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и
разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического
комплекса России на 2014-2020 годы» по Соглашению № 14.587.21.0033 от 28 июля
2016 г. о предоставлении субсидии (уникальный идентификатор проекта
RFMEFI58716X0033), а также следующих работ:
«Создание
эффективных
технологий
проектирования
и
высокотехнологического производства газотурбинных двигателей большой мощности
для наземных энергетических установок» (договор с ОАО «Кузнецов» от 15 февраля
2013 г. № 27/13 при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации
(Минобрнауки России) на основании постановления Правительства Российской
Федерации №218 от 09 апреля 2010 г.);
- «Экспериментальное исследование смешения распыленного топлива с
воздухом и образования вредных веществ применительно к малоэмиссионным
камерам сгорания ГТД с гомогенизацией горючей смеси» (договор с ЦИАМ № 26/12
от 15 марта 2012 г.).
6
Методы исследования:
1.
Методы одномерного моделирования скорости распространения ламинарного
пламени в зависимости от состава и температуры реагентов с использованием
детального и редуцированного кинетических механизмов окисления газообразных
топлив.
2.
Методы моделирования течений топливовоздушной смеси в трёхмерной
стационарной и нестационарной постановках на основе осреднённых по Рейнольдсу
уравнений Навье-Стокса.
3.
Методы моделирования горения топливовоздушной смеси с использованием
детального химического механизма применительно к цепи химических реакторов.
4.
Экспериментальное определение эмиссионных характеристик модельных
пламён и камер сгорания ГТД и ГТУ, работающих на газообразном топливе, при
различных режимах работы.
Положения, выносимые на защиту:
1.
Результаты расчётов констант скорости элементарных стадий химических
реакций, приводящих к образованию бенз(а)пирена, как характерного представителя
канцерогенных ПАУ.
2.
Результаты обоснования и тестирования детального кинетического механизма
окисления газообразных углеводородных топлив.
3.
Обобщение результатов исследования образования ПАУ в модельных пламёнах
и камерах сгорания ГТД и ГТУ при горении газообразных углеводородных топлив.
4.
Методика определения выбросов канцерогенных ПАУ камерами сгорания ГТД
и ГТУ, основанная на комбинации расчётов структуры потока в трёхмерной
постановке и в моделях цепи реакторов с использованием детальной химической
кинетики окисления газообразных топлив.
Достоверность полученных результатов подтверждается:
• применением сертифицированного программного комплекса Chemical
WorkBench (Россия) и ANSYS Chemkin (США), верифицированного на задачах
определения термохимического состояния газовых смесей;
• применением сертифицированного коммерческого программного комплекса
ANSYS Fluent (США), верифицированного на задачах расчёта газодинамических
реагирующих течений по результатам сравнения с экспериментальными данными,
полученными в научно-образовательном центре газодинамических исследований
Самарского университета;
• использованием в экспериментальном исследовании аттестованного и
поверенного измерительного оборудования;
• высоким уровнем согласования результатов численного моделирования с
данными, полученными в ходе экспериментальных исследований в модельных
камерах сгорания.
Апробация результатов исследования. Основные результаты работы
докладывались на Всероссийской НТК «Физико-химические проблемы сжигания
углеводородных топлив» - Москва: РАН, 1998 г.; XIII Симпозиуме по горению и
взрыву, Черноголовка: ИПХФ, 2005 г.; Всероссийской НТК «Процессы горения,
теплообмена и экология тепловых двигателей», Самара, 2010, 2012, 2014, 2017 гг.;
Международной НТК «Проблемы и перспективы развития двигателестроения»
(Самара, 2011, 2016 гг.); Научно-техническом конгрессе по двигателестроению
(Москва, 2012 г.); Симпозиуме с международным участием «Самолётостроение
7
России. Проблемы и перспективы» (Самара, 2012 г.); «ASME Turbo Expo 2015:
Turbomachinery Technical Conference & Exposition» (Монреаль, 2015 г.);
Всероссийской научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI века»
(Москва, 2015 г.); «7 European Combustion Meeting» (Будапешт, 2015); «ASME Turbo
Expo 2016: Turbomachinery Technical Conference & Exposition» (Сеул, 2016 г.);
Международном симпозиуме «7th International Symposium on nonequilibrium processes,
plasma, combustion and atmospheric phenomena (NEPCUP 2016)», (Сочи, 2016 г.); «3rd
General Meeting and Workshop on SECs in Industry» (Прага, 2017 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 12 работ, в том числе 3 статьи
в периодических изданиях, включённых в список ВАК РФ, 3 статьи в изданиях,
индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus, 4 публикации в материалах
конференций, 1 патент и 1 свидетельство о государственной регистрации базы данных.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав,
заключения и списка литературы из 195 наименований. Основной текст содержит
145 страниц, 67 иллюстраций и 10 таблиц.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении приведена общая характеристика работы, обоснована актуальность
темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, а также пути их
достижения. Отмечена научная новизна, практическая значимость и достоверность
результатов выполненной работы, приведены результаты, выносимые на защиту
автором. Представлена информация по апробации и публикации результатов.
Первая глава посвящена классификации углеводородов и их вклада в
загрязнение окружающей среды, обзору экспериментальных и теоретических
исследований процессов образования ПАУ, методам и подходам, применяющимся в
настоящее время к выявлению закономерностей образования канцерогенных ПАУ
при горении углеводородных топлив. Перечисляются факторы влияющие на
интенсивность образования бенз(а)пирена и других ПАУ. Анализируется диапазон
выбросов
бенз(а)пирена
различными
топливосжигающими
устройствами,
изложенными в работах С.В. Лукачёва, Р.Б. Ахмедова, Л.М. Цирульникова, П.М.
Канило и других. Показано, что достоверных данных по выбросам ПАУ камерами
сгорания газотурбинных двигателей и установок крайне мало.
На основании анализа современного состояния вопроса можно сказать, что как
показано в работах С.В. Лукачева, С.Г. Матвеева – образование бенз(а)пирена
определяется концентрацией продуктов пиролиза исходного топлива, среди которых
важную роль играет ацетилен (С2Н2), образующийся в больших количествах, в
условиях богатых смесей и являющийся наиболее важным предвестником ПАУ. В
работах Ю.Д. Битнера, Ю.Б. Ховарда и продолжая М. Френклахом, Г. Вангом, К.Ф.
Мелиусом и другими, были предложены механизмы элементарных реакций роста
полициклических ароматических соединений из ацетилена в реакциях
поверхностного роста. Так же предложены как полуэмпирические методики, так и
подходы, основанные на составлении детальных кинетических механизмов.
В работах М. Френклаха, Г. Рихтера, М. Маринова представлены прототипы
кинетических схем, достаточно подробно описывающие окисление легких
углеводородных топлив, состоящие из тысяч стадий и сотен компонентов.
Установлено, что образование ПАУ и сажи идёт по нескольким механизмам, которые
8
в зависимости от условий протекания процесса горения превалируют друг над другом
в большей или меньшей степени.
В рамках создания современных малоэмиссионных камер сгорания
использование полуэмпирических методик становится не приемлемым. Современные
CFD-расчёты отягощены большой вычислительной сложностью решения задач
газодинамического течения с химическими реакциями в сложных технических
устройствах. Поэтому активно развиваются комбинированные методы, позволяющие
разделить задачу на газодинамическую и химико-кинетическую. Такое разделение,
позволяет решить каждую задачу раздельно, максимально используя возможности
своего подхода и при объединении решений получить достоверный результат.
Для описания химических превращений в процессе горения единственно верным
способом является использование детальных кинетических механизмов,
адаптированных к характеристикам работы исследуемых камер сгорания. Существует
много механизмов, позволяющих описывать процесс горения газообразных
углеводородных топлив, но их предсказательная способность образования ПАУ
недостаточно высока из-за нехватки надёжных экспериментальных данных, а также
констант элементарных химических реакций. Нехватка достоверных данных
решается использованием высокоточных квантово-механических методов расчёта.
Одним из ключевых моментов создания любой методики является её
верификация. Выполнению данного условия уделяется большое внимание, и для его
реализации необходимо создавать комплекс экспериментальных установок, моделей
и систем измерения. Широкое распространение получают подходы, связанные с
верификацией создаваемых методик на основе модельных пламён с последующей
адаптацией на сложные технические устройства.
Вторая глава посвящена экспериментальным установкам и системам
измерения. Для реализации поставленных задач были созданы и частично
модернизированы стенды научно образовательного центра газодинамических
исследований Самарского университета спроектированы и изготовлены модели
горелочных устройств и камер сгорания, а также доработаны методики определения
состава основных продуктов сгорания и ПАУ.
В главе описана созданная модельная камера сгорания, с ее основными
характеристиками. Представлена доработанная методика по определению состава
продуктов сгорания, в том числе ПАУ. Проведен анализ погрешности измерений.
Погрешность системы измерения стендовых параметров созданного комплекса
экспериментальных установок не превышает 4 %, за исключением погрешности
измерения температуры, которая составляет 7 %. Определение состава продуктов
сгорания осуществлялось хроматографическими методами с использованием газового
и высокоэффективного жидкостного хроматографов. Статистический анализ точности
показал, что при доверительной вероятность 0,95, погрешность определения состава
продуктов сгорания не превышает ±10,1 %, а концентрации ПАУ ±20 %. Анализ
результатов погрешностей измерений показывает, что стендовые системы обеспечивают
точность измерений, достаточную для получения достоверных результатов.
В третьей главе описывается созданная база данных термодинамических
свойств индивидуальных веществ и констант элементарных химических реакций.
Подробно рассмотрено создание и оптимизация кинетического механизма на основе
схем-прототипов и высокоточных квантово-химических методов. Дана верификация
созданного механизма по времени задержки воспламенения, нормальной скорости
9
распространения пламени, выходу конечных продуктов сгорания (пиролиз) и по
концентрационным профилям в стабилизированном пламени.
Для разработки детального механизма была создана база данных, и получено
свидетельство о её государственной регистрации, содержащая значения коэффициентов аппроксимирующих полиномов для определения удельной теплоёмкости при
постоянном давлении, энтальпии и энтропии более чем для 750 химических веществ и
коэффициенты аппроксимации константы скорости элементарных химических реакций
в трёхпараметрической форме Аррениуса для 8700 реакций. База данных позволяет
проводить сортировку и отбор по необходимым параметрам.
Для формирования детального кинетического механизма был использован так
называемый метод схем-прототипов, когда на основании экспертного анализа, из
кинетических механизмов различных авторов были выбраны отдельные блоки
реакций, отвечающие за образование тех или иных веществ. Одни блоки описывают
распад и окисление исходного топлива, другие образование азотосодержащих
веществ или ПАУ, третьи сажи. В итоге был сформирован кинетический механизм,
включающий 2156 элементарных химических реакций для 270 химических веществ.
Показано, что в процессе образования ПАУ превалирует механизм, по которому,
первоначально происходит отрыв атома водорода, а затем присоединение молекулы
ацетилена. В связи с этим, при формировании кинетического механизма подробно
рассматривались именно эти реакции. Изучая эти реакции, на основе точных
квантово-химических расчётов (рисунок 1), были получены новые данные по
константам скоростей реакций бенз(а)пирена с радикалами – Н, СН3, ОН, пропином и
алином (рисунок 2). Эти данные существенно уточнили созданный кинетический
механизм.
Рисунок – 1 Кривые потенциальной
энергии реакции отрыва атома водорода
бенз(a)пирена с атомом водорода
Рисунок – 2 Константы скорости химической
реакции отрыва атома водорода от
бенз(a)пирена радикалами (Н, ОН, СН3, С3Н3
(СН2=С=СН и СН2-С≡СН))
В работе представлена верификация детального кинетического механизма
окисления метана и ацетилена по времени задержки воспламенения, скорости
распространения пламени, выходу конечных продуктов сгорания (пиролиз) и по
концентрационным профилям в стабилизированном пламени. Показано,
удовлетворительное совпадение расчётов с экспериментальными данными по всем
исследованным характеристикам. Кинетический механизм может применяться для
расчётов горения смесевых газообразных углеводородных топлив.
10
В четвёртой главе описывается расчётно-экспериментальное исследование
образования канцерогенных ПАУ при диффузионном горении пропан-бутановой
смеси, керосина и предварительно подготовленной смеси метана с добавками
ацетилена.
При турбулентном диффузионном горении средняя концентрация любого
вещества, в том числе и ПАУ, определяется двумя факторами: пульсацией
концентрации и химической кинетикой. Поэтому был экспериментально изучен
диффузионный турбулентный факел, образованный истечением из сопла вертикально
вверх затопленной струи смеси пропанбутана в атмосферу. Получено, что
максимумы концентраций, изученных ПАУ
находятся на одном расстоянии от среза
сопла. Учитывая, что на затопленный факел
влияет подмешивание атмосферного воздуха.
показано, что весь спектр исследуемых ПАУ
интенсивно образуется при одних и тех же
условиях и относительные концентрации
бенз(а)антрацена,
бенз(b)флуорантена,
бензперилена, и бенз(а)пирена обобщаются
одной
кривой
(рисунок 3).
Скорости
Рисунок 3 – Зависимость
образования этих ПАУ имеют одинаковый
относительной концентрации
порядок. Подобное исследование было
образования бенз(а)антрацена,
проведено и на модельной камере сгорания,
бензперилена, бенз(b)флуорантена и
работающей на керосине, в результате чего
бенз(а)пирена от восстановленной
показано, что возможно экспериментально
концентрации топлива
изучать и теоретически прогнозировать
концентрации ПАУ на примере одного из них, а значения остальных получать на
основе корреляционных зависимостей, полученных в реперных точках, на
определённых режимах. Для дальнейшей работы, таким представителем выбран
бенз(а)пирен, как общепризнанный представитель группы канцерогенных ПАУ.
Для исключения эффектов перемежаемости и минимизации воздействия газовой
динамики на процесс горения было проведено расчётно-экспериментальное
исследование при горении предварительно подготовленных ТВС в прямоточной
цилиндрической камере сгорания со стабилизацией пламени на плоской решетке. В
качестве топлива использовался метан (СН4) или природный газ; как в чистом виде,
так и с добавками ацетилена (С2Н2) в количестве 5-20% от общего массового расхода
топлива. Окислителем являлся воздух, обогащенный кислородом в количестве 31 %
от общего массового расхода окислителя. Состав ТВС в камере сгорания оценивался
коэффициентом избытка воздуха (α) и поддерживался для всех опытов на уровне
α ≅ 0,40. Эксперименты проводились при атмосферном давлении и температуре ТВС
на входе в камеру сгорания – 295 К. Число Рейнольдса, рассчитанное с учетом
состава продуктов сгорания и температуры горения, поддерживалось для всех
режимов на уровне Re=250-350, что обеспечивало ламинарное горение
предварительно подготовленной ТВС.
Для численного моделирования процессов горения газообразной предварительно
подготовленной ТВС с добавками ацетилена была создана математическая
осесимметричная 2-D модель экспериментальной горелки. в которой проведён расчёт
газодинамической структуры течения с использованием CDF пакета Ansys Fluent.
11
Затем составлена цепь идеальных реакторов, в которых, в качестве входных
параметров использовались характеристики, полученные из CFD-расчёта.
На рисунке 4 представлены данные по распределению концентрации
бенз(а)пирена по оси камеры сгорания при различных добавках ацетилена. Расчёт
показал
удовлетворительное
согласие с экспериментальными
значениями.
Наилучшее
совпадение показал режим без
добавок ацетилена. На режимах
с
добавками
ацетилена
прослеживается тенденция роста
концентрации бенз(а)пирена с
ростом добавки. Полученные
экспериментальные
данные
послужили
основой
для
уточнения
моделей
синтеза
бенз(а)пирена
и
отработки
элементов созданной методики
численного
моделирования
Рисунок 4 – Распределение концентрации
синтеза канцерогенных ПАУ в
бенз(а)пирена вдоль оси модельной камеры
камерах сгорания газотурбинных
сгорания
двигателей и установок с
использованием детального кинетического механизма окисления газообразных
углеводородных топлив.
Пятая глава посвящена созданию и верификации методики численного
моделирования синтеза канцерогенных ПАУ в камерах сгорания газотурбинных
двигателей и установок с использованием детального кинетического механизма
окисления газообразных углеводородных топлив.
Применительно к камерам сгорания ГТУ отработка методики проводилась в
одногорелочной модельной камере сгорания (рисунок 5), где был реализован принцип
диффузионного сжигания топливовоздушной смеси в потоке и присутствуют
практически все процессы характерные для современных камер сгорания, от которых
сильно зависит формирование поля температур и выгорание смеси – закон
распределения воздуха по длине
жаровой
трубы,
организация
процесса
смесеобразования
и
горения в первичной зоне, процессы
газодинамического
разделения
первичной
зоны
и
области
дожигания, пристеночные течения
системы
охлаждения
жаровой
Рисунок 5 – Модель одногорелочной камеры
трубы,
закрученные
потоки,
сгорания
излучение и другие.
Экспериментальное исследование проводилось на высокотемпературной
установке при атмосферном давлении, температуре воздуха на входе в камеру
сгорания TK = 323 К и изменении коэффициента избытка воздуха αКС от 2 до 4. Все
граничные условия были согласованы с расчётным исследованием. Концентрации
вредных веществ определялись на выходе из камеры сгорания одноточечным
12
охлаждаемым пробоотборником в осевом сечении одногорелочной модельной камеры
сгорания в различных точках по высоте канала.
Численные расчёты реализовывались с помощью модифицированной Flameletмодели горения – Flamelet Generate Manifold. На первом этапе были произведены
расчёты в RANS постановке, на основе которого затем выполнялось моделирование
методом крупных вихрей – LES. Результаты расчётов показывают, что конечные
продукты
сгорания
удовлетворительно
описываются
LES-моделью,
удовлетворительно предсказывая как абсолютные значения концентраций, так и
тенденцию распределение по высоте канала. Значение локального коэффициента
избытка воздуха, также приемлемо предсказываются только LES-моделью
(рисунок 6).
Рисунок 6 – Сравнение расчётных и экспериментальных значений массовой концентрации
CO2 и локального коэффициента избытка воздуха α при горении природного газа в
модельной одногорелочной камере сгорания
Из полученных данных сделан вывод, что для составления цепи идеальных
реакторов на основании CFD-расчёта, необходимо точно знать распределение
локального коэффициента избытка воздуха и температуры по объёму жаровой трубы,
а для этих целей себя зарекомендовал только LES расчёт.
Используя данные, полученные на
основе постобработки LES расчёта,
была
создана
схема
цепи
идеальных
реакторов
модели
одногорелочной камеры сгорания в
программе Chemkin (Рисунок 7).
Для всех исследованных режимов
модель цепи реакторов оставалась
неизменной, а лишь менялись
параметры реакторов – объём,
время пребывания и температура,
взятые из расчётов в LESпостановке.
В
реакторах
использовался
разработанный
Рисунок – 7 Схема рабочего процесса и цепи
детальный кинетический механизм
идеальных реакторов модели одногорелочной
образования канцерогенный ПАУ
камеры сгорания, представленная системой
при горении газообразных топлив.
идеальных реакторов
На рисунке 8 показано, что
разработанная методика численного моделирования синтеза канцерогенных ПАУ в
13
камерах сгорания ГТУ с использованием детального кинетического механизма
окисления газообразных углеводородных топлив удовлетворительно предсказывает
не только абсолютные значения концентраций, но и влияние режима работы КС.
Рисунок 8 – Сравнение массовых концентраций нафталина, антрацена, пирена и
бенз(а)пирена при горении природного газа в модельной одногорелочной камере сгорания
Так, предсказанная концентрация бенз(а)пирена (рисунок 8) отличается от
экспериментально полученной не более чем на 40 %, при этом, чем концентрация
выше, тем отличие меньше – до 20 %. Аналогично и для остальных ПАУ.
Рассматривая антрацен, как выбранного представителя трёхкольцевых ПАУ видно,
что отклонение не превышает 25 %, а четырёхкольцевой пирен качественно и
количественно совпадает, с погрешностью, не превышающей 20 %. При этом,
нафталин показывает отклонение от экспериментальных значений, менее 10 %.
Базируясь на проведённых расчётно-экспериментальных исследованиях в пятой
главе представлен алгоритм моделирования эмиссии канцерогенных ПАУ камерами
сгорания газотурбинных двигателей и установок.
Согласно алгоритму, на первом этапе, проводится численное моделирование
камеры сгорания без учёта процессов горения. На втором этапе, проводятся расчёты с
учётом процессов горения. Для этого, необходимо выбрать или создать детальный
кинетический механизм, который валидируется на экспериментальных данных по
нормальной скорости распространения пламени, времени задержки воспламенения,
выходу конечных и неполных продуктов сгорания используемого топлива. В случае,
если расчёты верифицируемых параметров превысят погрешности определения этих
параметров на эксперименте следует выбрать другой механизм или улучшить
предсказательную способность механизма, уточняя константы элементарных
14
химических реакций с применением квантовохимических расчётов. После достижения
необходимой предсказательной способности детального кинетического механизма с
результатами экспериментов, важной процедурой является получение различных
функциональных зависимостей, описывающих, к примеру, нормальную скорость
распространения пламени для различных начальных температур и коэффициента
избытка топлива φ. Получаемые зависимости позволяют существенно уточнять CFD
расчёты. Далее, в LES постановке, проводится расчёт с использованием модели
горения flamelet на основе упрощённого механизма. Целью такого расчёта является
получение наиболее близкого распределения температуры и локального коэффициента
избытка воздуха к экспериментальным данным в объёме жаровой трубы камеры
сгорания. Эти данные используются для дальнейшего формирования цепи реакторов.
На третьем этапе проводится постобработка CFD расчёта, в которой выделяются
основные зоны, присущие современной камере сгорания – зона обратных токов, зона
рециркуляции, зона интенсивного смешения, зона догорания и зона пристеночного
течения воздуха охлаждения жаровой трубы. В указанных зонах выделяются ячейки
конечноэлементной модели, соответствующие ряду условий – по диапазону локального
коэффициента избытка воздуха (от 0 до 0.55, от 0.55 до 0.9, от 0.9 до 1.2, от 1.2 до 1.8 и
1.8 до бесконечности); по диапазону температур (от 300 К до 850 К, от 850 К до 1750 К,
от 1750 К до максимальной температуры). Каждый диапазон определяет область в
которой могут активно образовываться или расходоваться те или иные вещества,
определяющие вредность продуктов сгорания. Количество диапазонов возможно
экспертно
расширить.
В
выбранных
ячейках
снимаются
осреднённые
газодинамические и термодинамические параметры. На основании полученных данных
строится цепь реакторов. В заключении проводится расчёт по созданной цепи
реакторов с использованием верифицированного детального кинетического механизма.
Результаты настоящей работы показывают, что при применении описанной
выше методики удалось получить сопоставление с экспериментальными данными с
отклонением менее 40 %, что является сопоставимым значением с погрешностью
единичного эксперимента по отбору проб на ПАУ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенного исследования решена важная научная задача,
направленная на повышение эффективности проектирования и доводки
малоэмиссионных камер сгорания газотурбинных двигателей и установок,
сформулированы следующие основные результаты:
1.
Разработана и создана экспериментальная установка и модельная камера
сгорания для исследования процессов образования канцерогенных ароматических
углеводородов. Экспериментальная установка обеспечивает высокую точность
определения расходов топлива (погрешность ±0,3 %) и воздуха (погрешность ±0, 7%).
Модельная камера сгорания обеспечивает визуализацию структуры потока и
возможность быстрой замены отдельных элементов конструкции. Доработана
система измерения состава продуктов сгорания ПАУ (погрешность менее 20 %) и
основных компонентов (СО2, СО, НС, О2, N2 – погрешность менее 10,1 %).
2.
Создана база данных термодинамических свойств химических веществ и
кинетических
констант
элементарных
химических
реакций
окисления
углеводородных топлив. Сформирован и верифицирован детальный кинетический
механизм (270 элементов и 2156 реакций), включающий пути образования
15
канцерогенных ПАУ. Определены соответствующие константы скоростей
элементарных стадий с использованием квантово-химических методов расчёта.
Исследованы химические реакции отрыва атома водорода от бенз(a)пирена и
уточнены константы скоростей реакций с его участием.
3.
Проведено расчётно-экспериментальное исследование образования
канцерогенных ПАУ в модельных пламёнах. Получены новые экспериментальные
данные по образованию бенз(а)пирена, как характерного представителя группы
канцерогенных ПАУ, а также нафталина, антрацена, пирена, бенз(б)флуорантена,
бенз(а)антрацена, бенз(g,h,i)перилена при горении газообразных многокомпонентных
топлив в модельных пламёнах и камерах сгорания, которые были использованы для
валидации элементов создаваемой методики моделирования синтеза ПАУ.
4.
Разработана и валидирована методика определения эмиссии
канцерогенных ПАУ в камерах сгорания на основе численного моделирования
газовой динамики методом крупных вихрей, результаты которого используются для
формирования модели цепи реакторов с разработанным детальным кинетическим
механизмом синтеза канцерогенных углеводородов. Методика позволяет с
погрешностью не более 40 % определить эмиссию канцерогенных ароматических
углеводородов камерами сгорания ГТД и ГТУ работающих на газообразном топливе
без проведения натурных испытаний опытных образцов.
5.
Данная работа была выполнена в рамках реализации Программы
«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2014-2020 годы» в рамках соглашения
RFMEFI58716X0033, а её результаты использованы для выполнения ряда
хоздоговорных и госбюджетных НИР.
Перспектива дальнейшего развития темы состоит в адаптации и
совершенствовании разработанной методики для определения выброса всего спектра
ПАУ и сажи при горении керосина в камерах сгорания ГТД.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК
1.
Матвеев, С.Г. Построение детальных кинетических схем образования
пятикольцевых ПАУ и их редуцирование для использования в современных CAE
пакетах [текст] / С.Г. Матвеев, И.В. Чечет // Вестник Самарского государственного
аэрокосмического университета им. академика С.П. Королёва (национального
исследовательского университета). – 2011.– № 5 (29). – С. 188-202.
2.
Матвеев, С.Г. Образование канцерогенных ПАУ в турбулентном
диффузионном факеле [текст] / Матвеев С.Г., Чечет И.В., Орлов М.Ю., Семёнов А.В.
// Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им.
академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета). - 2013.№ 3-1 (41).- С. 170-176.
3.
Образование канцерогенных полициклических ароматических углеводородов в
модельной камере сгорания ГТД [текст] / Матвеев С.Г., Чечет И.В., Абрашкин В.Ю.,
Семёнов А.В. // Известия Самарского научного центра Российской академии наук.2013. -Т. 15. -№ 6-4.- С. 881-885.
16
Статьи в изданиях, индексируемых базами данных Scopus и Web of Science
4.
Matveev, S.S Investigation of fuel distribution in partially premixed swirled burner
with pilot flame / S.S. Matveev, I.A. Zubrilin, M.Y. Orlov, S.G. Matveev, I.V. Chechet, //
Proceedings of ASME Turbo Expo 2016: Turbine Technical Conference and Exposition
GT2016. – June 13 – 17, 2016, Seoul, South Korea, GT2016-57478. – р.1-7.
5.
Rate constants for H abstraction from benzo(a)pyrene and chrysene: A theoretical
study (статья, анг.яз.) / A. S. Semenikhin,A. S. Savchenkova, I.V. Chechet, S. G.
Matveev, Z. Liu,M. Frenklach,A. M. Mebel //. Physical Chemistry Chemical Physics. –
2017. – Vol. 19, – Iss.37, p.25401-25413.
6
Mechanism and Rate Constants of the CH3+ CH2CO Reaction: A Theoretical Study
/ Semenikhin A.S.,Shubina E.G.,Savchenkova A.S., Chechet I.V., Matveev S.G., Konnov
A.A., Mebel A.M.// International Journal of Chemical Kinetics. – 2018. – Volume 50, Issue
4, April 2018, Pages 273-284
Прочие публикации
7.
Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2011620337
База термодинамических данных и констант химических реакций использующихся в
детальных кинетических схемах окисления углеводородных топлив // Матвеев С.Г.,
Орлов М.Ю., Чечет И.В. Заявлено 21.10.2010; Опубл. 05.05.2011.
8.
Пробоотборник с жидкостным охлаждением: Пат. №182039 Рос. Федерация. /
Н.С. Миронов, В.М. Анисимов, С.С. Матвеев, И.В. Чечет, В.Ю. Абрашкин, М.Ю.
Анисимов, С.Г. Матвеев; заявитель и патентообладатель Самар. науч.-ислед. ун-т. –
№ 2018114194; заявл. 17.04.18; опубл. 01.08.18.
9.
Лукачев, С.В. Разработка метода анализа чувствительности модели окисления
углеводородов к изменению выходных параметров кинетической схемы [текст] / С.В.
Лукачев, С.Г. Матвеев, И.В. Чечет // Тезисы докл. IV Всеросс. науч.-техн. конф.
«Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей». – Самара: СГАУ,
2002. – С. 97-102.
10. Лукачев, С.В. Особенности построения моделей образования канцерогенных
полициклических ароматических углеводородов при сжигании угл-водородных
топлив на основе детальной химической кинетики [текст] / С.В. Лукачев, С.Г.
Матвеев, И.В. Чечет // Тезисы докл. науч.-техн. семинара «Опыт разработки,
проблемы создания и перспективы развития низкоэмиссионных камер сгорания
ГТУ». – М.: ОАО «ВТИ», 2004. – С. 29.
11. Лукачев, С.В. Разработка базы данных для формирования детальной
кинетической схемы синтеза канцерогенных ПАУ при горении углеводородных
топлив [текст] / С.В. Лукачев, С.Г. Матвеев, И.В. Чечет // Тезисы докл. «XIII
Симпозиум по горению и взрыву». – Черноголовка: ИПХФ, 2005. – С. 203.
12. Prediction of the combustor emissions using chemical reactors network (тезисы,
англ. яз.). / Матвеев С.Г., Чечет И.В., Красовская Ю.В., Лукачев С.В. // 7th European
Combustion Meeting (ECM 2015), 30 March - 2 April, 2015, Budapest, Hungary, 2015, P225, P. 90.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа