Ученые Пермского Политеха улучшили модель беспламенного горения в двигателях

Исследование опубликовано в журнале «Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника», № 78, 2024.

В системах, от которых требуется высокая мощность — в технологических горелках, топках и газотурбинных двигателях — используется беспламенное горение. Применимо к самолетам, например, оно позволят обеспечить плавный полет без рывков. Это процесс, при котором топливо сжигается, но столп огня не появляется. Благодаря этому реакция сгорания протекает стабильно, в отличие от обычного горения, в котором пламя может обрываться и гаснуть. Такая реакция происходит при высоких температурах около 800 °С. Вдобавок ее ускоряет возникающая турбулентность, которая появляется на некотором расстоянии от входных отверстий двигателя, через которые в камеру сгорания поступает воздух или его смесь с топливом.

Для безопасного использования и контроля беспламенного горения необходимо точно понимать особенности протекания химических реакций. Их можно предсказать с помощью математического моделирования, которое дает возможность оптимизировать процессы сгорания и снизить затраты ресурсов на проведение экспериментов.

На результаты расчетов сильно влияет показатель турбулентности. Она может меняться в зависимости от скорости потока воздуха и удаления от входного отверстия. Поэтому важно понимать точное значение этого параметра, чтобы не допустить ошибок.

Ученые Пермского Политеха выяснили, какие показатели интенсивности турбулентности нужно использовать в расчетах, чтобы получать качественную оценку работы двигателя. Политехники моделировали горение на разном расстоянии для трех отверстий: вход топлива, вход воздуха и вход туннельного воздуха. Затем сравнивали полученные показатели с данными реальных экспериментов.

— Выяснилось, что лучше всего проводить моделирование с применением разных показателей — 5, 10 и 15% интенсивности — для каждого входного потока. Так, значение в 5% подходит только для входа горючего на расстоянии до 20 мм, а в остальных случаях этот же показатель приводит к сильным отклонениям от экспериментальных данных. По мере удаления от входа и уменьшения скорости потока турбулентность увеличивается, — комментирует Роман Бульбович, профессор кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ПНИПУ, доктор технических наук.

— Кроме того, на корректность расчетов влияет также гидравлический диаметр — этот параметр измеряет, насколько эффективно канал двигателя пропускает топливо. Чем он меньше, тем больше сопротивление потоку, т. е. тем хуже топливо поступает в двигатель, — поясняет Юрий Фролов, аспирант кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ПНИПУ.

Для получения более точных результатов моделирования ученые Пермского Политеха рекомендуют проводить расчеты гидравлического диаметра и интенсивности турбулентности отдельно для каждого входного потока воздуха и горючего. Это поможет избежать ошибок в расчетах, которые могли бы повлечь за собой неверную оценку работы двигателя и, как следствие, неисправности в его работе.