CC BY
17
• 7universum.com
UNIVERSUM:
, ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ_март. 2022 г.
ЭНЕРГЕТИКА
DOI - 10.32743/UniTech.2022.96.3.13281
МОДЕЛИРОВАНИЕ ГОРЕНИЯ ЖИДКОГО ТОПЛИВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОВРЕМЕННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Бегалы Зере Дидаркызы
магистрант,
Казахский национальный университет имени аль-Фараби Республика Казахстан, г. Алматы Е-mail: begalyzere98@gmail.com
Рыспаева Майя Жумабековна
PhD, ст. преподаватель, Казахский национальный университет имени аль-Фараби Республика Казахстан, г. Алматы Е-mail: Ryspayeva. maiya@gmail. com
№ 3 (96)
SIMULATION OF LIQUID FUEL COMBUSTION USING MODERN COMPUTER TECHNOLOGIES
Zere Begaly
Master student, al-Farabi Kazakh National University Kazakhstan, Almaty
Maiya Ryspayeva
PhD, Senior Lecturer, al-Farabi Kazakh National University Kazakhstan, Almaty
АННОТАЦИЯ
Изучено влияние начальной температуры на горение впрыска жидкого топлива с помощью численного метода с использованием компьютерной программы KIVA-II. Получены графики распределения температуры в камере сгорания, концентрации СО2, образующегося в процессе горения, в соответствии с различными начальными температурами окислителя.
ABSTRACT
The influence of the initial temperature on the combustion of liquid fuel spray by means of the numerical method using the KIVA-II computer program has been studied. Graphs of the temperature distribution in the combustion chamber, the concentration of CO2 formed during the combustion process, in accordance with various initial temperatures of the oxidizer, are obtained.
Ключевые слова: численное моделирование, жидкое топливо, тридекан, камера сгорания, KIVA-II.
Keywords: numerical modeling, liquid fuel, tridecane, combustion chamber, KIVA-II.
Использование жидких топлив в качестве основного источника энергии требует особого внимания к повышению эффективности устройств, основанных на сжигании этих видов топлива, и снижению их вредного воздействия. Одной из основных задач сейчас является снижение количества вредных отходов, образующихся при сжигании жидких топлив [1].
Чтобы оптимизировать процессы сгорания, конструкторы традиционно производили ручную модификацию двигателей, проводили тестирование и анализы результатов. Этот процесс итерации достаточно медленный, дорогой и не поддается определению оптимальных спецификаций дизайна двигателя. В ответ на эти трудности ученые из Национальной лаборатории Лос-Аламоса разработали усовершенствованный код моделирования вычисли-
Библиографическое описание: Бегалы З.Д., Рыспаева М.Ж. МОДЕЛИРОВАНИЕ ГОРЕНИЯ ЖИДКОГО ТОПЛИВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОВРЕМЕННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2022. 3(96). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/13281
№ 3 (96)
A UNÍ
/Ш. ТЕ)
7universum.com
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
март, 2022 г.
тельной жидкости (CFD), который точно моделирует процессы цилиндров в цилиндрах. KIVA, переходный, трехмерный, многофазный, многокомпонентный код для анализа химического взаимодействия, использует произвольную лагранжеву эйле-ровскую (ALE) методологию на шахматной сетке и дискретизирует пространство с использованием метода конечных объемов [2].
Данная статья посвящена численному моделированию горения жидкого топлива и влиянию на него начальной температуры окислителя в камере сгорания.
В статье рассматривается численное моделирование процессов распыла и горения впрыска жидкого топлива на основе решения дифференциальных уравнений турбулентного течения с впрыском. Сформулирована математическая модель горения жидких впрысков, которая основывается на уравнениях движения для жидкой стадии, а также уравнениях энергии и переноса массы с соответствующими граничными условиями.
Уравнение неразрывности для компоненты реакции m записывается следующим образом:
д£п dt
+ V(pm u) = V
pD\J(Pm) р
+ pm + ps8mr
где р - полная массовая плотность, р т - это массовая плотность компоненты т, и - скорость жидкости, р^- химический источниковый член, р5- источнико-вый член вследствие впрыска.
Уравнение переноса импульса для жидкой фазы записывается следующим образом:
d(pU) - _ ./2\ . ,
+ Р9,
где р - давление жидкости, Ао равна нулю для ламинарных течений и единице в случае турбулентного течения. Тензор вязких напряжений имеет вид:
а = и + (Ргг)г] + ЖиТ.
Уравнение внутренней энергии имеет следующий вид [6]:
d(p7)
dt
+ V(pu7) = -pVu + (1 - А0)<тР"и - VJ + A0p£ + Qc + Qs.
где фс - источниковый член, обусловленный тепловыделением в результате химической реакции, Qs -тепло, которое приносит впрыскиваемое топливо.
Уравнения к-е модели турбулентности: уравнения к - е модели для турбулентной кинетической энергии к и скорости ее диссипации е имеют вид:
dpk _ ч 2 ^т— + V(ouk) = --pkV и + aVu dt 3
+ V
(prj
Vk
- pE + W~
d р 2 — + V(pu£) = - (— c£i - cs2) psV u
+ V
Ve
+ ce iaVu
c£2PE + csW
Величина W5 возникает вследствие взаимодействия с распылителем. Константы с£l , с£2 , cs , Ргк , Рг£ определяются из эксперимента.
Процесс горения рассматривается в камере сгорания цилиндрической формы, высотой 15 см, диаметром 4 см. Вычислительная область состоит из 600 ячеек. Жидкое топливо впрыскивается в камеру сгорания через круглое сопло, расположенное в центре нижней части камеры. Площадь инжектора составляет 2 10-4 см2. Температуры стенок камеры сгорания 353К. Температура газа в камере сгорания менялась от 700 до 1500 К, температура впрыскиваемого топлива 300 К. В качестве жидкого топлива был выбран тридекан.
Тридекан (С13Н28) - органическое соединение, относящееся к классу алканов. При нормальных условиях вещество представляет собой бесцветную воспламеняющуюся жидкость плотностью 0,7568 г / мл, Тпл=267,8 К, Ткип=508,6 К. Тридекан содержится в нефтепродуктах, а один из компонентов входит в дизельное топливо. Реакция горения тридекана в общем виде записывается следующим образом [3]:
C13H28 + 2002 ^ 13CO2 + 14Н2
Анализ рисунка 1 показывает, что если температура окислителя в камере сгорания имеет значения выше 800 К, то в данном случае топливо интенсивно сгорает, выделяется огромное количество тепла и камера сгорания нагревается до 2500 К. В этом случае начальная температура окислителя существенно влияет на горение тридекана, так как из-за изменения значений начальной температуры с 900 К до 1500 К максимальное значение температуры увеличивается с 2069 К до 2486 К.
№ 3 (96)
A UNI
/Ш. ТЕ)
7universum.com
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
март, 2022 г.
Рисунок 1. Максимальная температура газа в камере сгорания Т в зависимости от начальной температуры тридекана
(a)
Рисунок 2. График распределения температуры (а) и концентрации ^2 (б) по камере сгорания
при значении температуры окислителя 900К
На следующем рисунке показано распределение температуры в камере сгорания в соответствии с начальной температурой окислителя, равной 900 К. При заданном значении температуры топливо быстро взаимодействует с окислителем, камера нагревается до высоких температур.
На рис. 2 а представлены результаты численного моделирования углекислого газа, образующегося в процессе горения тридекана в соответствии с эффективным значением температуры 900 К. Результаты анализа рисунков показали, что максимальное количество углекислого газа при горении тридекана,
равное 0,0120849 г/г, образуется на оси камеры сгорания. На выходе из камеры сгорания концентрация углекислого газа медленно уменьшается и принимает минимальное значение.
Изучая результаты экспериментов, характеризующих влияние начальной температуры окислителя на процесс горения жидкого топлива камере сгорания, в качестве эффективной температуры была выбрана температура окислителя, равная 900 К.
• 7universum.com
UNIVERSUM:
, ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ_март. 2022 г.
Список литературы:
1. Аскарова А.С., Волошина И.Э., Рыспаева М.Ж. Численное моделирование образования продуктов реакции при сжигании жидких топлив //Вестник КазНУ, серия физическая. - 2007. - №. 2. - С. 24.
2. Amsden А.А., P.J.O'Rourke, T.D.Butler KIVA-II: A computer program for chemically reactive flows with sprays, 1989, 160 с.
3. Rumble J.R. et al. (ed.). CRC handbook of chemistry and physics. - Boca Raton, FL : CRC press, 2018. - Т. 100.
№ 3 (96)
