Проблемы моделирования спутных сверхзвуковых турбулентных струй применительно к задачам инжекции топлива

18 Сентября 2018

Докладчик: Ширяева Анна Александровна (ФГУП ЦАГИ), anja.shiryaeva@gmail.com

Тезисы доклада "Проблемы моделирования спутных сверхзвуковых турбулентных струй применительно к задачам инжекции топлива" 

В докладе описывается разработка, программная реализация и верификация эффективного метода численного моделирования турбулентных течений с горением на базе трехмерных уравнений RANS, ориентированного на исследования течений в высокоскоростных камерах сгорания. Акцент в работе делается на оценку влияния учета взаимодействия турбулентности и горения (Turbulence-Combustion Interaction, TCI). Расчеты выполнены при помощи модуля zFlare из прикладного пакета EWT-ЦАГИ, предназначенного для описания течений смесей совершенных газов переменной теплоемкости с неравновесными химическими реакциями. В программе реализованы несколько кинетических моделей для горения H₂ и углеводородного топлива в воздухе совместно с двухпараметрическими моделями турбулентности. Для описания TCI выбран подход, основанный на методах диссипации вихрей (Eddy Dissipation Concept Model, EDC) и частично перемешанного реактора (Partially Stirred Reactor model , PaSR), а также его усовершенствованных версиях: Generalized PaSR (GPaSR), Extended PaSR (EPaSR).

На основе обзора литературы отобраны и проанализированы экспериментальные данные по турбулентному горению, необходимые для валидации моделей и вычислительных программ газовой динамики: 1) эксперименты J.S. Evans et al; 2) M.C. Burrows & A.P. Kurkov; 3) A.D. Cutler et al.; 4) T.S. Cheng et al. и 5) P. Magre, P. Moreau et al.

Приводятся результаты моделирования экспериментов как без учета TCI, так и с использованием различных моделей учета TCI. Полученные результаты сравниваются между собой, сопоставляются с экспериментальными данными и расчетами других авторов. Применение методов семейства PaSR к сверхзвуковым течениям простой конфигурации (J.Evans, M.Burrows, T.Cheng) показало, что учет влияния турбулентности на горение в этих случаях не позволяет приблизиться к экспериментальным данным. Вклад различных газодинамических эффектов сопоставим с влиянием TCI. Показано, например, что учет боковых пограничных слоев, которыми часто пренебрегают в расчетах, иногда позволяет достичь заметно лучшего согласования с экспериментом. С другой стороны, на примере расчета глубоко дозвукового течения (M~0.1) в камере сгорания с обратной ступенькой P.Magre et al. показано, в этих условиях методы семейства PaSR позволяют приблизиться к экспериментальным данным.