14.628.21.0003
Для проведения математического моделирования в расчетной части исследования используются высокопроизводительные кластерные внутренние (ЦИАМ) и внешние системы (Межотраслевой Суперкомпьютерный Центр РАН) с пиковой производительностью до 200 Tflop/s. При этом используются как авторские программные продукты, так и лицензированные коммерческие программные комплексы, реализующие решение уравнений Навье-Стокса для вязкого реагирующего турбулентного течения в осредненном или отфильтрованном виде. Для анализа и разработки различных кинетических схем и их редуцирования используются собственные и открытые программные продукты, в том числе, позволяющие проводить расчеты ab initio. Экспериментальные данные, используемые в проекте, получены участниками проекта с российской и французской сторон на двух опытных стендах по исследованию процессов в камерах сгорания, расположенных во Франции (установка LAERTE, г. Палезо, ONERA) и России (Ц16К, г. Лыткарино, ЦИАМ) соответственно.
В результате выполнения работ показано, что наиболее предпочтительным для моделирования горения заранее перемешанных смесей в настоящее время является использование гибридных вихреразрешающих RANS/LES методов для решения уравнений Навье-Стокса, когда вблизи от стенки используется нестационарные уравнения Рейнольдса либо полуэмпирические соотношения, а вдали от стенки метод крупных вихрей. Так как в настоящее время особенно строго нормируются выбросы NOx, то в детальных кинетических моделях обращается внимание на большое количество возможных механизмов образования NOx. Для корректного определения уровня выбросов вредных веществ, в том числе оксидов азота, в работе разработан и протестирован редуцированный кинетический механизм окисления газообразного топлива, позволяющий с хорошей точностью определить основные индексы эмиссии, в ряде случаев с большей точностью, чем известный механизм GRI-Mech 3.0. В соответствии с имеющимся конструктивным исполнением была уточнена конструкторская документация для испытанной модели низкоэмиссионной камеры сгорания МЭКС, защищенной Патентом РФ №2456510 С1, и разработана ее 3D математическая модель для использования в численных расчетах. Проведена верификация и валидация различных методов математического моделирования процессов горения и смешения в конфигурации камеры сгорания иностранного партнера (ONERA). Результаты расчетно-экспериментального анализа рабочего процесса в выбранных экспериментальных камерах сгорания (ЦИАМ и ONERA) позволили выявить критические элементы методов моделирования, требующие доработки и модификации. Помимо кинетического механизма к ним относятся граничные условия и количественные характеристики дискретизации расчетной области. На основании анализа результатов расчета показано, что продольный размер и геометрические характеристики камеры сгорания влияют на эмиссию СО, показано также, что и неоднородность и пульсации концентрации топлива на входе в камеру оказывают весьма существенное влияние на уровень эмиссии NO. При низких параметрах в камере (давление и температура воздуха) и умеренных значениях коэффициента избытка воздуха значение концентрации NO может изменяться в разы.