14.628.21.0003

Целями проводимого исследования являются создание научно-технического задела и международный обмен опытом в области разработки и экспериментальной доводки камер сгорания перспективных газотурбинных двигателей. Задачами проводимого исследования являются расчетно-экспериментальный анализ рабочего процесса в модельных и близких к промышленным схемах перспективных камер сгорания, разработка, верификация и валидация методов математического моделирования процессов горения и образования вредных веществ в рассматриваемых схемах камер сгорания, сравнение и синтез используемых подходов и методов с учетом опыта иностранного партнера, отработка обладающей повышенной предсказательной способностью методики численного моделирования турбулентного горения гомогенных смесей в условиях повышенных давления и температуры

Увеличение интенсивности полетов пассажирских самолетов (по оценкам почти двукратное в ближайшие 18-25 лет) и возможное развитие 2-го поколения сверхзвуковой авиации для коммерческих перевозок заставляет более строго подходить к анализу возможного влияния авиации на атмосферу. Более 30 лет назад для снижения воздействия авиации на окружающую среду международной организацией гражданской авиации (ИКАО) были введены нормы на эмиссию авиадвигателей. Эти нормы постоянно совершенствуются, и в ближайшие годы произойдет очередное ужесточение требований по содержанию в продуктах сгорания в первую очередь оксидов азота, наиболее трудно обеспечиваемых в связи с ростом максимальной температуры газа перед турбиной. Уровень эмиссии вредных веществ двигателя самолета складывается из многих факторов, однако важнейшей составляющей снижения выбросов является повышение степени совершенства процессов в тракте двигателя. Определяющий вклад в эффективность сгорания топлива в камере и образование вредных веществ вносит организация процесса смесеобразования и горения. За рубежом уже более 30% самолетов гражданской авиации летают с более экологичными двигателями 5 поколения. В то же время в России подобный двигатель еще не дошел до серийного производства и отставание от зарубежных конкурентов составляет более 5 лет. Поэтому проведение научно-исследовательских работ в области аэродинамики и горения, управления процессами горения и образования экологически опасных соединений, а также создания расчетно-экспериментальных методов исследования основных процессов в камере сгорания, являются необходимым шагом для создания требуемого научно-технического задела и преодоления имеющегося отставания.

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.

Результаты исследования будут способствовать повышению достоверности математического моделирования камер сгорания и сокращению в 1,5-2 раза сроков и не менее, чем на 25% стоимости работ по формированию облика камер сгорания перспективных силовых установок, удовлетворяющих существующим и будущим требованиям по эмиссионным характеристикам (в европейкой программе «Горизонт-2020» указано требование снижения эмиссии CO2 на 75%, NOx и частиц на 90% в 2050 году по отношению к уровню 2000 года).