Математическое и физическое моделирование влияния пульсаций скорости сносящего потока воздуха на структуру пламени при диффузионном режиме горения метана

Изложены результаты расчетного и экспериментального исследований диффузионного горения метана в сносящем потоке воздуха. Приведена математическая модель для описания диффузионного воздушно-метанового пламени, основанная на решении системы осредненных уравнений Навье --- Стокса в нестационарной постановке. Для расчета процессов горения использованы модели тонкого фронта пламени (Flamelet) и распада вихрей EDC (Eddy dissipation concept). Математическая модель дополнена детальным кинетическим механизмом, состоящим из 325 элементарных реакций с участием 53 веществ. Проведены расчеты и сравнительный анализ характеристик пламени при использовании различных моделей турбулентности: k − ε, k − ω SST и Transition SST. Приведена схема созданной экспериментальной установки для физического моделирования горения метана в сносящем потоке воздуха. Представлены результаты расчетно-экспериментального исследования влияния пульсаций скорости сносящего потока воздуха на структуру пламени, а также эффективность сгорания метана в диффузионном режиме. Получены данные о полях температур и концентраций при частотах пульсаций 0...100 Гц. Показано, что для рассматриваемого случая устойчивое горение реализуется при частотах пульсаций 0...90 Гц. Максимальная наблюдаемая высота отрыва пламени в 3,2 раза превышает диаметр сопла горелки

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ (№ 17-79-10503)

Литература

[1] Забайкин В.А., Третьяков П.К., Воронцов С.С. и др. Динамика смешения и горения водорода в сверхзвуковом потоке воздуха. Химическая физика, 2005, т. 24, № 5, с. 81--86.

[2] Аннушкин Ю.М. Основные закономерности выгорания турбулентных струй водорода в воздушных каналах. Физика горения и взрыва, 1981, № 4, с. 59--71.

[3] Александров В.Ю., Кукшинов Н.В. Модифицированная кривая выгорания для модельных высокоскоростных камер сгорания, интегрированных с воздухо-заборным устройством. Физика горения и взрыва, 2016, № 3, с. 32--36.

[4] Дегтярь В.Г., Сон Э.Е. Гиперзвуковые летательные аппараты. Т. 1. М., Янус-К, 2016.

[5] Trevisan B.P., Dourado W.M.C. Experimental investigation of the acoustic flame interactions in a Bunsen burner. Workshop em Engenharia e Tecnologia Espacials, 2013.

[6] Александров В.Ю., Арефьев К.Ю., Ильченко М.А. Экспериментальное исследование влияния акустико-вихревых автоколебаний на процесс разрушения недорасширенной сверхзвуковой струи в затопленном пространстве. Теплофизика и аэромеханика, 2016, № 4, с. 533--542.

[7] Bourehla A., Baillot F. Appearance and stability of a laminar conical premixed flame subjected to an acoustic perturbation. Combust. Flame, 1998, vol. 114, iss. 3-4, pp. 303--318. DOI: https://doi.org/10.1016/S0010-2180(97)00323-4

[8] Арефьев К.Ю., Ильченко М.А. Определение акустических характеристик проточного тракта переменного сечения лабораторной установки. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2018, № 9, с. 74--81. DOI: http://doi.org/10.18698/0536-1044-2018-9-74-81

[9] Di Sabatino F., Guiberti Th.F., Boyette W.R., et al. Effect of pressure on the transfer functions of premixed methane and propane swirl flames. Combust. Flame, 2018, vol. 193, pp. 272--282. DOI: https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2018.03.011

[10] Luciano E., Ballester J. Analysis of the dynamic response of premixed flames through chemiluminescence cross-correlation maps. Combust. Flame, 2018, vol. 194, pp. 296--308. DOI: https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2018.05.005

[11] Штыков Р.А. Процесс образования круглой турбулентной струи природного и сжиженного газов в диффузионном факеле. Надежность и качество сложных систем, 2017, № 4, с. 85--89. DOI: https://doi.org/10.21685/2307-4205-2017-4-11

[12] Евдокимов О.А., Гурьянов А.И. Экспериментальное исследование условий свободно-конвективного распространения пламени. Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение, 2015, № 1, с. 139--146.

[13] Кривокорытов М.С., Голуб В.В., Володин В.В. Влияние акустических колебаний на диффузионное горение метана. Письма в ЖТФ, 2012, т. 38, № 10, с. 57--63.

[14] Литвиненко М.В., Литвиненко Ю.А., Вихорев В.В. и др. Влияние акустических колебаний на круглые струи, сформированные в криволинейном канале. Вестник НГУ. Серия: Физика, 2015, т. 10, № 2, с. 67--72.

[15] Williams T.C., Shaddix Ch.R., Schefer R.W., et al. The response of buoyant laminar diffusion flames to low-frequency forcing. Combust. Flame, 2007, vol. 151, iss. 4, pp. 676--684. DOI: https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2007.07.023

[16] Кривокорытов М.С., Голуб В.В., Моралев И.А. и др. Экспериментальное исследование развития струи гелия при акустическом воздействии. Теплофизика высоких температур, 2014, т. 52, № 3, с. 450--455.

[17] Launder B.E., Sharma B.I. Application of the energy-dissipation model of turbulence to the calculation of flow near a spinning disc. Lett. Heat Mass Tran., 1974, vol. 1, iss. 2, pp. 131--137. DOI: https://doi.org/10.1016/0094-4548(74)90150-7

[18] Menter F.R. Zonal two equation k -- w turbulence models for aerodynamic flows. Proc. 24th Fluid Dynamics Conf., 1993, pp. 1993--2906. DOI: https://doi.org/10.2514/6.1993-2906

[19] Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal, 1994, vol. 32, no. 8, pp. 1598--1605. DOI: https://doi.org/10.2514/3.12149

[20] Smith G.P., Golden D.M., Frenklach M., et. al. GRI-MECH 3.0. URL: http://combustion.berkeley.edu/gri-mech/version30/text30.html (дата обращения: 16.02.2020).

[21] Kuo K.K., Acharya R. Fundamentals of turbulent and multiphase combustion. Wiley, 2012.

[22] Юн А.А. Теория и практика моделирования турбулентных течений. М., Либроком, 2009.

[23] Zheng Y., Barlow R.S., Gore J.P. Measurements and calculations of mean spectral radiation intensities leaving turbulent non-premixed and partially premixed flames. J. Heat Transfer, 2003, vol. 125, iss. 4, pp. 678--686. DOI: https://doi.org/10.1115/1.1589502

[24] Arefyev K.Yu., Krikunova A.I., Panov V.A. Experimental study of premixed methane-air flame coupled with an external acoustic field. J. Phys.: Conf. Ser., 2019, vol. 1147, art. 012050. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1147/1/012050