Особенности формирования загрязняющих веществ при полном и неполном сгорании авиатоплива Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 621.45.023:504

Т. А. Коротаева, А. О. Турчинович

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ПРИ ПОЛНОМ И НЕПОЛНОМ СГОРАНИИ АВИАТОПЛИВА

Одним из важнейших этапов безопасной эксплуатации воздушных судов является гонка двигателей, которая заключается в проверке работоспособности силовых установок по специальной программе, индивидуальной для каждого типа двигателя. Запуск двигателей на всех режимах тяги может быть весьма продолжительным. При этом все продукты сгорания оседают вблизи места для гонки и негативно влияют на состояние окружающей среды.

Целью настоящего исследования является моделирование истечения выхлопных газов из сопел и анализ поведения загрязняющих веществ, в том числе с учетом их химической активности. Численные решения получены с помощью программного продукта Ansys Fluent.

Рассмотрены два режима: максимальной и минимальной тяги, характеризующиеся соответственно полным и неполным сгоранием топлива. Кинетическая модель химических реакций описывает взаимодействие между продуктами сгорания авиатоплива и воздухом. Геометрическими объектами для моделирования являются самолет Ан-12 в плане и площадка для опробования двигателей.

Ключевые слова: самолет, гонка двигателей, газоотбойник, загрязняющие вещества, математическое моделирование, химические реакции.

Стремительный рост и развитие городов неизбежно приводит к обострению экологических проблем. Среди внушительного списка факторов, влияющих на экологическую обстановку, можно выделить эксплуатацию воздушных судов. Наиболее подвержены негативному воздействию выхлопных газов аэропорты, аэродромы и приаэродромные территории. Стандартный взлетно-посадочный цикл включает в себя: руление перед взлетом, взлет, набор высоты, заход на посадку, посадку, руление после посадки [1]. Крупные аэропорты способны принимать более 100 воздушных судов в день, пропорционально этому возрастает количество загрязняющих веществ, образующихся при сгорании топлива.

Указанные стадии взлетно-посадочного цикла были рассмотрены в статье [2].

Коротаева Татьяна Александровна — доктор физико-математических наук, доцент

(Институт теоретической и прикладной механики им. Христиановича СО РАН,

Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск); e-mail: korta@itam.nsc.ru

Турчинович Анна Олеговна — ассистент (Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск); e-mail: golubevaa@ngs.ru

© Коротаева Т. А., Турчинович А. О., 2015

45

Используемый в работе [2] подход основан на применении модели процесса распространения примесей за счет механизма диффузии и переноса загрязняющих веществ воздушными массами и позволяет оценить уровень загрязнения на каждом этапе взлетно-посадочного цикла. Но, помимо этого, эксплуатация самолетов включает в себя проверку работоспособности силовых установок на земле. Программа гонки двигателей осуществляется в соответствии со строго определенным регламентом, общая продолжительность испытаний может достигать 30 минут. Данная программа реализуется на специальных площадках, оборудованных преградами — газоотбойниками, и индивидуальна для каждого типа двигателя.

Гонка двигателей оказывает весьма существенное влияние на окружающую среду: наблюдается повышение концентрации загрязняющих веществ, изменение температурного фона, шум. При истечении выхлопных газов возникает сложное завихренное пространственное газодинамическое течение, которое определяется взаимодействием высокоскоростных и высокотемпературных струй друг с другом, частями самолета, газоотбойником. Свой вклад вносят также физико-химические процессы, возникающие при взаимодействии компонент продуктов сгорания с воздухом. Становится очевидным, что для адекватного описания указанных процессов недостаточно упрощенного подхода из работы [2]. В настоящей работе используется пакет программ ANSYS FLUENT, позволяющий моделировать сложные газодинамические течения смесей с учетом химических реакций.

Целью исследования является анализ поведения загрязняющих веществ при полном и неполном сгорании топлива (максимальный режим тяги и минимальный), анализ возможных химических реакций выхлопных газов с воздухом, а также исследование поведения струй при столкновении с газоотбойником.

Постановка

В качестве объекта исследования выбран самолет Ан-12, на котором установлены двигатели АИ-20 [3]. Опробование силовых установок происходит согласно программе, график которой представлен на рисунке 1 [4].

Для оценки уровня загрязнения одной из важнейших характеристик двигателя является индекс эмиссии — количество загрязняющего вещества, полученного при сгорании килограмма топлива, в граммах. В таблице 1 показаны индексы эмиссии для двигателя АИ-20 [4].

Представленные табличные значения хорошо согласуются с зависимостью индексов эмиссии от тяги двигателей, приведенной в работе [5]: при увеличении тяги двигателя происходит снижение концентрации несгоревших углеводородов и оксидов углерода и увеличение оксидов азота и, наоборот, при уменьшении тяги двигателей происходит увеличение содержания в выбросах оксидов углерода и углеводородов и снижение оксидов азота.

46

1 2 1 2I 2 10 2 5 2

Рис. 1. График опробования двигателей

Индексы эмиссии для различных режимов двигателя АИ-20

Таблица 1

Индексы эмиссии, [г/кг]

Этап Оксиды Углеводороды Оксиды азота Сажа

углерода СО CnHm NOx

Максимальный режим 2,35 0 11,75 0,270

0,6 М 3,7 0 7,6 0,185

0,3 М 12,0 0 5,7 0,145

Крейсерский режим 7,7 0 6,6 0,154

Малый газ 77,3 12,2 2,04 0,104

Для исследования были выбраны два этапа гонки: максимальный режим, соответствующий этапу взлет, и минимальный, соответствующий этапу руление. Стоит заметить, что в первом случае происходит полное сгорание топлива, в результате которого образуются оксиды углерода, азота, вода и сажа; для второго случая характерно неполное сгорание топлива, при котором, в отличие от первого случая, в составе наблюдаются, помимо перечисленных веществ, несгоревшие углеводороды. Указанные вещества выделены как преимущественно образующиеся при сгорании авиатоплива [1]. При моделировании рассматриваются химические реакции с их участием.

Отметим процессы, происходящие с выхлопными газами в атмосфере. Монооксиды углерода и азота, образующиеся в камере сгорания, вступают в реакцию с кислородом воздуха:

2С() + 02 ->2С02 ^

2Ы() + 02 ->2М92 ^

В результате образуется углекислый газ и диоксид азота. Важными параметрами уравнений (1) — (2), кроме стехиометрических коэффици-

47

ентов, являются энергия активации и предэкспоненциальный множитель, входящие в уравнение Аррениуса [6]:

, л -Е/КГ

к = Ае , (3)

где Е — энергия активации, А — предэкспоненциальный множитель, к — константа скорости реакции, Я — универсальная газовая постоянная, Т — температура.

Согласно [7] для реакции (1): ,4 = 3.51014, /•.' 2.1-1 (Г3 кДж/мо.ль, согласно [6] для реакции (2): А= 1-Ю9, /•.' = -4.7 кДж/мо.ль.

Как было отмечено выше, процесс, рассматриваемый в качестве объекта моделирования, является пространственным, однако ввиду сложности течения в настоящей работе задача решается в двумерной постановке в плоскости симметрии двигателей. Будем считать, что на первом этапе исследования этого достаточно для анализа взаимодействия потоков струй с газоотбойником и учета химических реакций, протекающих в атмосфере.

Одна из возможных схем места для гонки двигателей и расположения воздушного судна относительно газоотбойника показана на рисунке 2.

Контур стоянки

Рис. 2. Схема для расположения воздушного судна на месте для гонки двигателей

В качестве геометрической модели принята двумерная модель самолета Ан-12 и газоотбойник в виде сплошной стены.

48

Численная реализация

Инструментом для решения поставленной задачи был выбран программный продукт Ansys Fluent, который является эффективным инструментом вычислительной аэрогидродинамики. Кроме того, с помощью Ansys Fluent можно моделировать течения реагирующих сред [8], в его базе материалов содержится большое количество веществ и смесей, для которых записаны химические реакции. При необходимости можно ввести отсутствующую в базе реакцию.

Двумерную модель самолета в плане и газоотбойника разобьем на конечные элементы, используя сеточный генератор ICEM. Регулярная сетка из прямоугольных элементов состоит из 400 000 узлов. Сгущение сетки произведено на носу самолета, на концах крыльев и хвосте, а также в местах расположения двигателей.

Для получения численного решения используется решатель 'density-based', основанный на совместном, последовательном решении всех газодинамических уравнений (сохранения массы, количества движения, энергии). Рассматривается движение вязкого, сжимаемого газа, учитывая высокую скорость и температуру истекающих струй. В качестве модели турбулентности используется двухпараметрическая k-œ модель Уилкокса. Химические реакции включаются активацией опции 'volumetric' для модели 'species transport'.

Для решения уравнений методом конечных объемов используется неявная схема Роэ второго порядка точности аппроксимации.

Остановимся подробнее на выборе материала и граничных условиях.

В качестве материала заданы все вещества, используемые в задаче: продукты сгорания авиатоплива, составляющие воздуха, вещества, получаемые в ходе реакций (1 — 2). Для случая полного сгорания топлива это смесь сажи, оксидов азота и углерода, диоксидов азота и углерода, молекулярного кислорода и молекулярного азота. Также в настройках материала записываем реакции продуктов сгорания с воздухом (1 — 2) с учетом всех коэффициентов.

При неполном сгорании топлива список веществ, задающихся в настройках материала, дополняется несгоревшими углеводородами. Для оценочного расчета предположим один вид несгоревших углеводородов CnHm — пропилен C3H6. При необходимости можно расширить список другими видами углеводородов. Химические реакции, протекающие в воздухе между продуктами сгорания авиатоплива и кислородом, аналогичны случаю с полным сгоранием топлива.

В качестве граничных условиях приняты следующие настройки:

- на входной границе — 'pressure inlet';

- условие на бесконечности — 'pressure far-field';

- условия на выходе из сопел — 'mass flow rate';

- условия на выходной границе — 'pressure outlet';

- условие на газоотбойнике — 'wall'.

49

В качестве условий в набегающем потоке приняты атмосферное давление 101325 Па, температура окружающей среды 17 °С, скорость ветра 6 м/ с, направление ветра вдоль самолета. Составляющие воздуха заданы в вице массовых долей кислорода и азота: О2 — 0,23, N2 — 0,77.

Параметрами на срезе сопел выступают массовый расход, задаваемый согласно данным, приведенным в [4], температура на срезе сопел, которая для случая полного сгорания топлива составляет 630 °С и 430 °С для неполного сгорания топлива. Вещества, получаемые при максимальной тяге, заданы в следующем соотношении: N0 — 0,8177, СО — 0,1635, сажа (С) — 0,0188; для минимального режима: N0 — 0,0226, СО — 0,843481, сажа (С) — 0,001135, СзИв — 0,133124, согласно таблице 1.

Приведенные настройки позволяют произвести расчет для случая полного и неполного сгорания топлива.

Результаты моделирования

Приведем результаты расчетов для полного и неполного сгорания топлива.

На рисунке 3 приведены распределения линий тока.

Velocity Contour 1 г 2.511е+002 I 2.332е+002 I 2152е+002 1 1,973е+002 1.794е+002 1 614е+002 I 1 435е+002 1 255е+002 ' 076е- 002 8 968е*001 •' 7.174е+001 5.381е»001 3.587е+001 1.794е+001 — 0 000е+000 [msM]

50

Из рисунков хорошо видно, что задача не является симметричной в виду несимметричности вихревых структур. В дозвуковом потоке формируется некий аналог дорожки Кармана, видоизмененных сложной геометрией задачи. На рисунке 3а представлены линии тока для полного сгорания топлива при 8000 итераций. Наблюдается активное образование вихрей вдоль фюзеляжа, на концах крыльев самолета, между двигателями, за хвостом воздушного судна, на некотором отдалении от самолета и за газоотбойником. Аналогичная картина наблюдается для неполного сгорания топлива (рис. 3б), однако при одинаковом времени счета отсутствуют вихри на боковом отдалении от самолета.

На рисунке 3в, 3г показано распределение скоростей при полном и неполном сгорании топлива, которые соответствуют режимам максимальной тяги и малого газа.

Полное сгорание топлива происходит при максимальной тяге, которую применяют на взлетном режиме. Максимальные скорости газов на срезе сопла достигают 251 м/с, чему соответствует черная область на рисунке 3в. Полученные значения хорошо согласуются с реальными скоростями газов за срезом сопла для самолета Ан-12 [1]. Далее наблюдается смешение струй от близко расположенных двигателей и образование вихрей вдоль фюзеляжа (рис. 3а). Достигая хвоста самолета, струи огибают его, и при этом их скорость снижается. Далее на своем пути поток выхлопных газов встречает газоотбойник. Сталкиваясь с ним, часть потока отклоняется в стороны, а часть огибает стоящую на пути преграду, при этом происходит еще большая потеря скорости струй.

Неполное сгорание топлива характерно для режима малый газ, применяемого при рулении воздушного судна по взлетно-посадочной полосе. Данный режим отличается малыми скоростями истечения из сопел. На рисунке 3г черная область соответствует максимальным скоростям, расположенным на срезе сопел — 14,7 м/ с. В отличие от рисунка 3в смешение струй происходит в области хвостовой части самолета, который они также огибают с потерей скорости.

На рисунке 4 приведено распределение угарного и углекислого газов для полного и неполного сгорания топлива.

Благодаря большим скоростям на выходе из сопел двигателей распределение СО при полном сгорании (рис. 4а) значительно отличается от аналогичной картины для неполного сгорания (рис. 4б). Угарный газ задавался в качестве исходного вещества, и его максимальные массовые доли достигаются на срезе сопел и соответствуют начальным значениям: для полного сгорания — 0.1635 (рис. 4а), для неполного сгорания — 0.8434 (рис. 4б). Несимметричность распределения загрязняющих веществ определяется несимметричностью вихревых структур (рис. 3а, 3б).

Угарный газ, вступая в реакцию с кислородом воздуха, образует углекислый газ, реакция (1).

51

в)

г)

Рис. 4. Распространение загрязняющих веществ: а) СО при полном сгорании, б) СО при неполном сгорании, в) СО2 при полном сгорании, г) СО2 при неполном сгорании

Область распространения СО2 значительно больше, чем СО, как в случае полного сгорания топлива (рис. 4в), так и при неполном сгорании (рис. 4г). Максимальные массовые доли достигаются на некотором отдалении от сопел, на границе с воздухом: 0,09345 при максимальной тяге, 0,4182 при малом газе.

Аналогичная картина наблюдается и для реакции оксида азота с кислородом воздуха, в результате которой образуется диоксид азота, реакция (2). Максимальные массовые доли оксида азота достигаются на срезе сопел и равны соответственно 0,8177 для полного сгорания топлива и 0,022 для неполного сгорания, что равно исходным значениям. Окисляясь кислородом воздуха, оксид азота переходит в диоксид азота, при этом максимальные массовые доли Ы02 находятся на некотором отдалении от сопел двигателей, что справедливо как для полного сгорания топлива, так и неполного.

52

Сажа, как и оксиды углерода и азота, задавалась в качестве продукта, полученного в результате сгорания авиатоплива. Как и в случае с угарным газом и оксидом азота, максимальные массовые доли сажи располагаются на срезе сопел двигателей самолета. Это справедливо в случае полного и неполного сгорания топлива. При режиме взлет (полное сгорание топлива) максимальные значения массовых долей составляют 0,0188, а при режиме малый газ — 0,0011.

Чтобы наглядного отобразить результаты, полученные при полном и неполном сгорании топлива, рассмотрим уровень загрязнения в определенных плоскостях. Для сравнения результатов выбраны сечения, перпендикулярные плоскости самолета: первое сечение располагается в непосредственной близи от сопел двигателей, второе за хвостом самолета, третье перед газоотбойником и четвертое за газоотбойником на расстоянии 25 м; и одно сечение вдоль оси симметрии двигателя (рис. 5).

№ 1

-

V

Ось симметрии

№ 2

№ 3

№ 4

№ 5

\

Газоотбойник

Рис. 5. Расположение сечений для анализа

Начало системы координат располагается на носу самолета. Для исследования выбрана область, симметрично расположенная относительно оси х, как наиболее подверженная воздействию загрязняющих веществ.

Распределение массовых долей СО и С02 при полном сгорании топлива приведено на рисунке 6а—г.

Из рисунка видно, что наибольших массовых долей при полном сгорании СО достигает в сечении № 1. Положение максимальных значений совпадает с расположением двигателей самолета. Незначительное падение значений массовых долей отмечается между соседними силовыми установками.

53

и 4J ,. ■

" i —и—

р ' к " VJ

1 \; .„/

/V ij J I

/ \

.' / U / А

д)

е)

§ ü:li §

£ 0.09

-юi >• см

-70 » » Ц 1« н » n W

ПфЛйж С к«<" Ö Г жХ м Г<-Л [.нф SKn (иЧМ{-Г0шл М

ж)

о. л

од»

0,14

0.W AM

- - X

J^-L

- »or

- <02

Полом CHrW 01№«И№ЛЬНа OCH CHCMVCIPHM < жмлсra, u

з)

Рис. 6. Массовые доли в сечениях: а) № № 1—4 СО при полном сгорании топлива, б) № № 1—4 СО при неполном сгорании топлива, в) № № 1—4 СО2 при полном сгорании топлива, г) № № 1—4 СО2 при неполном сгорании топлива, д) N0 и СО в сечении № 1 при полном сгорании топлива, е) N0 и СО в сечении № 1 при неполном сгорании топлива, ж) N02 и СО2 в сечении № 1 при полном сгорании топлива, з) N02 и СО2 в сечении № 1 при неполном сгорании топлива

54

В сечении № 2 наблюдается два пиковых значения, что согласуется с рисунком 4а, — две струи с каждой стороны от фюзеляжа самолета слились, при этом значение массовых долей уменьшилось.

Перед газоотбойником, сечение № 3, распределение загрязняющего вещества становится относительно одинаковым. В сечении № 4 отсутствует загрязняющее вещество, из рисунка 4а это хорошо видно. За счет несимметричной структуры вихрей отмечается несимметричное распределение значений массовых долей в сечениях, кроме первого сечения, где вихревые структуры еще не образуются.

При неполном сгорании топлива отмечаются аналогичные процессы (рис. 4б). Сечение № 1 характеризуется максимальными значениями массовых долей, однако между двигателями происходит значительное снижение массовых концентраций за счет того, что струи не смешиваются друг с другом до достижения хвоста самолета (рис. 4б). Об этом свидетельствует и линия № 2, которая наглядно изображает наличие двух экстремумов в сечении на хвосте самолета. В третьем сечении отмечается наличие загрязняющих веществ только с одной стороны от фюзеляжа. Наличие неравномерного распределения продуктов сгорания авиатоплива объясняется несимметричностью вихрей. В сечении № 4 загрязняющие вещества, как и в случае полного сгорания топлива, отсутствуют.

На рисунках 4в, 4г приведено распространение углекислого газа, образовавшегося в ходе взаимодействия угарного газа с компонентами атмосферного воздуха. Максимальные массовые доли С02 при полном и неполном сгорании топлива образуются в сечении № 3 вдоль газоотбойника. Значения массовых долей на хвосте самолета велико по сравнению со значениями в сечении, расположенном в непосредственной близости от сопел двигателей. Полученные результаты позволяют судить о том, что процесс окисления происходит на всем пути распространения оксида углерода, именно поэтому наибольшие значения диоксида углерода образуются вдоль границы газоотбойного щита. Пиковые значения приходятся на границы потоков СО с воздухом. Реакция протекает достаточно ак-тивноуглекислый газ образуется и за пределами преграды. В сечении, расположенном за газоотбойником, также присутствует продукт реакции (1). Однако это в большей степени справедливо для распространения углекислого газа при рассмотрении варианта с полным сгоранием топлива. При неполном сгорании топлива наблюдается значительное уменьшение массовых долей СО2 за хвостом самолета и перед газоотбойником. Это объясняется наличием застойной области в данных местах (рис. 4г).

Распространение оксидов азота и диоксидов азота при максимальной и минимальной тяге в выбранных сечениях аналогично рассмотренному случаю.

Для сравнения массовых долей угарного газа и диоксида азота рассмотрим рисунки 6д, 6е. Сравнивая уровень угарного газа и оксида азота в сечении № 1, можно сделать вывод, что при полном сгорании топлива

55

наибольших массовых долей достигает оксид азота и минимальных — угарный газ, а при неполном сгорании топлива наблюдается противоположная картина: наибольших долей достигает оксид углерода и минимальных — окись азота.

Данный факт подтверждается исследованиями индексов эмиссии при различных режимах тяги. При увеличении тяги самолета изменяется не только скорость и температура газов за турбиной, но и состав выхлопных газов: индексы эмиссии угарного газа и несгоревших углер о-дов становятся минимальными, в то время как индексы эмиссии окиси азота стремительно увеличиваются, и, наоборот, при малой тяге наблюдаются максимальные индексы эмиссии несгоревших углеводородов и оксидов углерода, а индексы эмиссии оксида азота минимальны. Результаты исследований хорошо согласуются с описанным поведением загрязняющих веществ при различной тяге двигателей.

На рисунках 6ж, 6з приведено распространение продуктов реакции выхлопных газов с кислородом воздуха в сечении, расположенном вблизи сопел двигателей, при полном и неполном сгорании топлива соответственно. В отличие от картины распространения СО2 максимальные массовые концентрации ЫО2 образуются при полном сгорании топлива. При неполном сгорании данная величина весьма мала. Наибольшие значения массовых долей образуются на границе потока с воздухом. Ввиду этого наблюдается наличие экстремальных значений не только в области сопел, но и вдоль выбранного сечения.

Важной отличительной особенностью между полным и неполным сгоранием топлива является ширина области распространения загрязняющих веществ: при полном сгорании топлива происходит образование как СО2, так и ЫО2 не только на границах струй в области сопел, но и на значительном отдалении от них, чего нельзя в той же мере отметить для неполного сгорания топлива.

Количественный анализ загрязняющих веществ в каждом сечении при максимальной и минимальной тяге двигателей представлен в таблице 2.

Таблица 2

Максимальные значения загрязняющих веществ в различных сечениях

при полном и неполном сгорании авиатоплива

^^Сечение № 1 № 2 № 3 № 4 № 1 № 2 № 3 № 4

ЗВ Полное сгорание топлива Неполное сгорание топлива

NO 0,8162 0,5804 0,4159 1E-20 0,0220 0,0174 0,0115 1E-20

CO 0,1632 0,1062 0,0731 1E-20 0,8420 0,6611 0,4282 1E-20

NO2 0,2221 0,3566 0,3628 0,1581 0,0061 0,0087 0,0098 6,93E-05

CO2 0,0540 0,0799 0,0872 0,0324 0,2503 0,3160 0,3876 0,0026

С 0,0188 0,0149 0,0123 0,0024 9,99E-04 8,53E-04 6,65E-04 1,96E-06

СзНб отсутствует 0,1329 0,1134 0,0884 0,0003

Как видно из таблицы, в сечении, расположенном за газоотбойником, вещества, задаваемые в качестве исходных данных, практически отсутст-

56

вуют (при данном расчетном времени), исключение составляет сажа и, в случае неполного сгорания топлива, несгоревшие углеводороды.

При полном и неполном сгорании топлива оксиды азота и углерода и сажа принимают максимальные значения массовых долей в сечении № 1 и постепенно уменьшаются к сечению № 3. В сечении № 4 ЫО и СО отсутствуют. Иной процесс происходит с продуктами реакций между оксидами азота и углерода с кислородом воздуха: на срезе сопел массовые доли ЫО2 и СО2 принимают минимальные значения и постепенно увеличиваются к сечению № 3. За газоотбойником уровень данных веществ значительно снижен. Особенно это отмечается для результатов с неполным сгоранием топлива.

Выводы

Рассмотренная двумерная постановка и кинетическая модель позволяют провести расчет химических реакций взаимодействия продуктов сгорания авиатоплива с воздухом в плоскости симметрии двигателей и проанализировать образование и распространение загрязняющих веществ. Из результатов моделирования, выполненных для полного и неполного сгорания топлива, видно, что происходит активное взаимодействие струй, истекающих из сопел двигателей, и образование вихревых структур вдоль фюзеляжа самолета, на хвостовой части, вдоль газоотбойника. Данные вихревые образования не являются симметричными, что сказывается на распространении загрязняющих веществ, полученных в результате сгорания топлива, и на образовании и распределении продуктов реакций угарного газа и оксида азота с воздухом. При максимальной тяге образование и распространение загрязняющих веществ активнее по сравнению с аналогичными процессами, происходящими за то же время при режиме малый газ. Что вполне закономерно, поскольку указанные режимы отличаются друг от друга не только скоростями на срезе сопел двигателей, но и температурой газов за турбиной.

Полученные результаты хорошо согласуются с известными представлениями о распределении концентраций загрязняющих веществ при различных режимах. Режим максимальной тяги способствует росту содержания оксидов азота и уменьшению оксидов углерода и несгоревших углеводородов; при режиме малый газ происходит увеличение содержания оксидов углерода и несгоревших углеводородов и уменьшение содержания оксидов азота.

Для определения оптимального расположения и структуры газоотбойника необходимо провести ряд дополнительных расчетов с различным расположением воздушного судна относительно газоотбойника и изменением самой структуры газоотбойника. Полную картину распространения загрязняющих веществ и поведение вихревых структур возможно получить, проведя моделирование в пространственной постановке.

57

Список литературы

1. Международные стандарты и рекомендуемая практика. Приложение 16 ИКАО. Т. 2. Эмиссия авиационных двигателей. 2008, 118 с.

2. Голубева А. О., Коротаева Т. А., Ларичкин В. В. Численный расчет рассеивания загрязняющих веществ от эксплуатации самолётов на прилегающих к аэропортам и аэродромам территориях // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. 2014. № 1(22). С. 52 — 61.

3. Руководство по летной эксплуатации. Самолет Ан-12. М.: АСЦ ГосНИИ ГА, 2007. 506 с.

4. Авиационный турбовинтовой двигатель АИ-20: инструкция по эксплуатации и техническому обслуживанию. Ростов-на-Дону: Технолог, 2004. 414 с.

5. Методика расчета выбросов загрязняющих веществ двигателями воздушных судов гражданской авиации. — М.: ФГУП ГосНИИ ГА, ЗАО ЦЭБ ГА, 2007. 21 с.

6. Мищенко К. П., Равдель А. А. Краткий справочник физико-химических величин. Л.: Химия, 1974. 200 с.

7. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания топлива на основе кислорода / Алемасов В. Е., Дрегалин А. Ф., Тишин А. П. [и др.] М., 1972. Т. 2. 256 с.

8. ANSYS FLUENT 14.0 Tutorial Guide. ANSYS, Inc. Southpointe. 2011. 1146 p.

•Jc -Jc -Jc

Korotaeva Tatyana A., Turchinovich Anna O. PECULIARITIES OF POLLUTANT FORMING AT COMPLETE AND INCOMPLETE COMBUSTION OF AVIATION FUEL

(Siberian branch of Russian academy of sciences Khristianovich institute of theoretical and applied mechanics, Novosibirsk state technical university, Novosibirsk; Novosibirsk state technical university, Novosibirsk)

Engine ground running procedure (GRP) is one of the most important stages of safe operation of aircrafts and involves checking engine performance capabilities in accord with the special program. This program is individual for each type of the engine. GPR includes testing at all thrust modes and takes long time. Thus all products of combustion occur in the vicinity of the place for ground running and influence on the state of environment negatively.

The purpose of this research is to model flow of combustion gases from nozzles and analyze the behavior of pollutants, taking into account their chemical activity. Numerical solutions are obtained employing Ansys Fluent software package.

Two modes are considered: run at idle power the full-power regime that can be characterized by the complete and poor combustion, respectively. The kinetic model of chemical reactions describes interaction between products of combustion of aviation fuel and air. Geometrical objects for numerical simulation are the planform view of An-12 and run-up area.

Keywords: airplane, engine ground running procedure, blast fence, pollutants, mathematical simulation, chemical reactions.

References

1. The international standards and the recommended practice. Appendix 16 ICAO, vol. 2 «Emission of aviation engines», 2008. 118 p. (In Russ.).

2. Golubeva A. O., Korotaeva T. A., Larichkin V. V. Chislennyy raschet rasseivaniya zagryaznyayushchikh veshchestv ot ekspluatatsii samolyetov na prilegayushchikh k aero-portam i aerodromam territoriyakh [Numerical calculation of a dispelling of

58

pollutants from operation of planes in territories, adjacent to the airports and airfields], Doklady Akademii nauk vysshej shkoly Rossijskoj Federacii, 2014, no. 1(22), pp. 52-61.

3. Guide to flight operation. An-12 plane, Moscow, 2007. 506 p. (In Russ.).

4. Aviation turbo-propeller AI-20 engine. Maintenance instruction and to maintenance, Rostov-na-Donu, publishing house «Technologist», 2004. 414 p. (In Russ.).

5. Method of calculation engine emissions civil aircraft, Moscow, 2007. 21 p. (In Russ.).

6. Mishhenko K. P., Ravdel' A. A. Kratkij spravochnik fiziko-himicheskih velichin (Quick Reference physico-chemical quantities), Leningrad, 1974. 200 p.

7. Alemasov V. E., Dregalin A. F., Tishin A. P. Termodinamicheskie i teplofizicheskie svojstva produktov sgoranija topliva na osnove kisloroda (Thermodynamic and thermal properties of products combustion Fuels on the basis of Oxygen), vol. 2, Moscow, 1972. 256 p.

8. ANSYS FLUENT 14.0 Tutorial Guide. Pupl. ANSYS, Inc. Southpointe. 2011. 1146 p.

•Jc -Jc -Jc

59