Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Тепловые двигатели

Диссертационная работа:

Абдуллин Айрат Лесталевич. Моделирование процессов горения и управление экологическими и энергетическими характеристиками тепловых двигателей и энергоустановок : диссертация ... доктора технических наук : 05.07.05 / Казан. гос. техн. ун-т им. А.Н. Туполева.- Казань, 2004.- 309 с.: ил. РГБ ОД, 71 07-5/559

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Стр.
Введение 4

1. Состояние вопроса и задача исследования 7

1.1. Актуальность математического моделирования 7
процессов горения

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

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

  2. Постановка задачи 26

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 з 8
сплайн-интегрирования

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

2.4. Сопоставление 6-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

  1. Характеристика основных баз данных 91

  2. Методика конвертирования информации из различных 100 баз данных

3.3. Формирование кинетического механизма образования 106
N0 в присутствии NH3

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

4.1. Математическая модель процессов во фронте пламени 127

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

4.3. Апробация математической модели процессов во 144

Стр.

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" 187
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 233

6.1. Исходная математическая модель 233

6.2.Дополнения модели реагирующего газожидкостного 241 течения

  1. Описание программного комплекса "GAZGEN" 247

  2. Кинетическая схема процесса сажеобразования 257

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

  4. Численные исследования течений «(N2O4 + СгН^)"*" 275 (N204)« » в камере газогенератора ЖРДУ

Заключение 281

Список использованной литературы 285

Введение к работе:

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

СПстсрСург ОЭ gOtfyanrfc =?Г \

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 (SK).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.

  1. 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.

  2. 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.

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

  4. 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:

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

  2. установлены режимы повышенного образования токсичных веществ (NOx, СО) в камере сгорания ВРД;

  1. определен режим повышенного сажеобразования в восстановительном газогенераторе, работающем на топливе «метан-кислород»;

  2. определены режимы стабильного горения смеси (N2O4 + С2Н8Ы2)газ+ (NjO^ 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.

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

  2. Модель расчета характеристик фронта пламени при высоких давлениях.

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

  4. Модель расчета характеристик реагирующего газожидкостного течения в газогенераторе.

  5. 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. Ш 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, 31.05-03.06.1995.

  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.

lO.International 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 22-

26,1996. 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. International symposium COBEM-2003, San-Paulo, SP, 2003. 20.XLI-st Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, Nevada, 6-9 January

2003.

Кроме того, материалы 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.

Подобные работы
Демин Алексей Владимирович
Развитие методов численного моделирования процессов в камерах сгорания тепловых двигателей и энергоустановок
Демин Алексей Владимирович
Развитие методов численного моделирования процессов в камерах сгорания тепловых двигателей и энергоустановок
Никандрова Марина Викторовна
Разработка метода сокращения механизмов реакций и анализ чувствительности для моделирования процессов горения в энергоустановках
Варсегов Владислав Львович
Исследование и разработка модульных фронтовых устройств со струйно-механическими стабилизаторами пламени применительно к укороченным прямоточным камерам сгорания газотурбинных двигателей и энергоустановок
Богданов Сергей Александрович
Разработка эффективных звукопоглощающих конструкций для снижения шума газотурбинных двигателей и энергоустановок
Батурин Сергей Ануфриевич
Физические основы и математическое моделирование процессов сажевыделения и теплового излучения в дизелях
Федоров Андрей Анатольевич
Моделирование теплофизических процессов критических режимов работы трибосопряженных элементов автомобильных дизелей
Булыгин Юрий Игоревич
Основы моделирования внутрицилиндровых процессов и токсичности дизелей тепловозов
Сейфетдинов Руслан Бафаевич
Разработка методов моделирования рабочего процесса пульсирующего воздушно-реактивного двигателя с аэродинамическим клапаном
Каримов Тимер Расихович
Математическое моделирование рабочего процесса энергетической установки на базе авиационного ГТД с системой газоснабжения

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net