Двухфазные высокоскоростные потоки в наземных и аэрокосмических приложениях

Изучение различных типов двухфазных газожидкостных течений, реализующихся при работе перспективных энергосиловых установок, является одним из важнейших направлений развития технологий, обеспечивающих освоение космического и воздушного пространства. Конкретной задачей, на решение которой направлен проект, является поиск путей решения проблемы организации эффективного двухфазного смешения в силовых установках и стендовом оборудовании для испытаний в до-, транс- и сверхзвуковом потоке высокоэнтальпийного газа. В рамках данного проекта в соответствии с планом российской и индийской сторонами были выполнены работы по следующим основным направлениям: - Экспериментальные исследования двухфазных течений на созданных лабораторных установках. - Создание уникальных математических моделей для моделирования двухфазных течений в пространственном до-, транс- и сверхзвуковом газовом потоке. - Параметрические расчетно-аналитические исследования способов инжекции топлива и методов интенсификации дробления и испарения капель жидкости, обеспечивающих повышение качества смесеобразования в аэрокосмических приложениях. В результате проведённых работ научным коллективом были получены следующие результаты. 1. В рамках данной работы проведены исследования в области определения основных характеристик распыла жидкости, дробления и испарения капель в высокоскоростных потоках с применением адаптированной математической модели деструкции и испарения жидких капель в пространственном высокоэнтальпийном газовом потоке. Исследования проведены в кооперации с коллегами по проекту с индийской стороны. В случае дозвукового течения воздушного потока (M = 0,24…0,55) в результате газодинамического дробления (при We = 13,5…71,2) диаметр первичных капель уменьшается на 25…79 % относительно их начального значения. При этом до 40 % потерянной первичными каплями массы являются следствием воздействия на них интенсивных пульсаций скорости газа в вихревом следе за пилоном. Экспериментальные значения среднего диаметра капель, образующихся по завершению газодинамического дробления в вихревом следе за пилоном могут быть аппроксимированы степенной зависимостью относительно We. При переходе к сверхзвуковым скоростям течения воздушного потока (M = 1,74…2,74) проведены оценки скорости газодинамического дробления капель жидкости в зависимости от среднего числа Вебера. Полученные значения начального числа Вебера для исследуемых капель со средними диаметрами 37,88…206,70 мкм находятся в диапазоне от 16 до 115. При этом, в исследуемой области скорость потери массы каплями при их газодинамическом дроблении составляет до 3,7х10-9 кг/с. Наличие косого скачка уплотнения неоднозначно сказывается на скорости газодинамического дробления капель жидкости. При числах Маха менее 2,5 практически для всех давлений жидкости перед форсункой косой скачок приводит к снижению скорости газа и соответствующему снижению скорости газодинамического дробления. Увеличение скорости потока до М = 3 приводит к интенсификации процесса деструкции капель за скачком уплотнения. Турбулентные пульсации, определяемые относительным числом Рейнольдса (исследован диапазон от Re=50 до Re=200), значительно влияют на скорость дробления капель при невысоких числах Маха. С ростом числа Маха потока и числа Вебера влияние турбулентности на скорость деструкции капель уменьшается. Анализ полученных данных показал, что влияние турбулентности может быть аппроксимировано экспоненциальной зависимость. В случае инжекции через поперечные форсунки, характерная протяженность пути, пройденного каплями до их полного разрушения, составляет менее 3 мм для варианта инжекции с давлением жидкости более 1,6 МПа и 20…35 мм для варианта инжекции с давлением жидкости около 0,4 МПа. Пример показан на рисунке 3. Это связано с тем, что уменьшение количества форсунок и соответствующее увеличение перепада давления в них приводит к снижению начального диаметра капель с 100…125 мкм до 15…25 мкм. Масса капель при этом снижается более чем в 64 раза, что приводит к резкому сокращению времени их деструкции. Увеличение перепада давления в форсунках с одной стороны позволяет повысить поперечную скорость капель, а с другой стороны приводит к сокращению времени их деструкции. Таким образом, влияние изменения количества форсунок на пробивную способность и качество смешения носит двоякий характер. Область наиболее качественного распыла по давлению жидкости и последующего смешения с потоком должна выбираться для каждого конкретного случая. В экспериментах показано, что для капель диаметром 20…80 мкм реализуется дробление за циклическими ударными волнами до размеров 3…14 мкм. Интенсивность дробления, определяемая как отношение диаметров капель на входе в резонатор к среднему заутеровскому размеру капель на выходе из резонатора D/D0, имеет зависимость от начального размера капель и уровня пульсаций давления. Согласно полученным данным установлено, что «взрывное» дробление (характеризуется D/D0≥10) капель реализуется при давлениях подачи воздуха от 17 до 25 бар при частотах прохождения ударных волн в диапазоне около 3200 Гц и амплитудах более 110 дБ для капель с начальным размером более 50 мкм. 2. На основе проведенных российским и индийским научными коллективами исследований по дроблению капель жидкости и формированию двухфазной смеси в высокоскоростных воздушных потоках была разработана систематизированная база экспериментальных данных. Разработанная база экспериментальных данных позволит существенно упростить процесс выбора конфигурации и режимов систем инжекции жидкости в высокоскоростной поток. Помимо этого, на основе полученных экспериментальных данных в широком диапазоне режимных параметров возможно проведение валидации математических моделей дробления жидких капель. В части организации удаленного доступа к разработанным базам экспериментальных данных были проведены соответствующие работы. Так, доступ может быть предоставлен индийскому коллективу по запросу с их стороны. 3. Проведены работы по изучению двухфазных потоков плазмы с твердой дисперсной средой. Экспериментально определены такие параметры дисперсной среды, как температура и скорость движения. В качестве твердой дисперсной среды использованы частицы оксида алюминия, молибдена, титана с размерами 10–100 мкм. Проведено численное моделирование движения твердой фазы в плазменном потоке и сравнение результатов с экспериментальными данными. Для повышения эффективности обработки при нанесении керамических материалов и тугоплавких сплавов была предложена и предварительно испытана новая технологическая схема плазменного нанесения с подачей порошка аксиально к катоду. На основе плазмотрона с расширяющимся каналом выходного электрода разработан прототип для плазменного напыления, в котором распыляемый порошок подавался как в зону зажигания катодной или анодной дуги, так и в бестоковую плазменную струю. Исследованы электрофизические параметры аргонового плазмотрона, характер движения, скорость, размер и температура частиц напыляемого порошка. Было показано, что скорость частиц порошка Al2O3 в зависимости от расхода газа и тока дуги достигает 100 м/с. Температура частиц порошка вблизи подложки при токе 300 А равна 2400–2500 К. Экспериментально были измерены усредненные значения скорости и температуры частиц на оси, а также их вариация при различных режимах работы плазмотрона. Полученные результаты позволят выбрать оптимальный режим распыления, при котором частицы при налетании на поверхность будут находиться в жидком агрегатном состоянии, а их динамические и тепловые характеристики будут однородны. Теоретические значения, полученные из модельного описания динамики нагрева и абляции частиц в тракте генератора низкотемпературной плазмы для определенного температурного поля плазмы, находятся в удовлетворительном согласии c экспериментальными данными о температуре, скорости и размерах частиц. 4. В рамках работ по созданию взрывобезопасного маслонаполненного высоковольтного электрооборудования был создан макетный образец, который представляет собой гибридный трансформатор, в котором используется разработанная авторами проекта система, состоящая из трансформаторного масла и небольшого количетва создаваемых и поддерживаемых пузырьков элегаза в пристеночной области корпуса трансформатора. На базе созданного макетного образца масляного трансформатора проведены экспериментальные исследования процессов, происходящих в высоковольтном маслонаполненном электрооборудовании при коротком замыкании в сети, вызванным пробоем изоляции высоковольтного элемента внутри трансформатора на «землю». В результате проведенных исследований установлено, что: - макетный образец с защитой корпуса трансформатора созданием и поддержанием в пристеночной области пузырьков газа работоспособен при коротком замыкании с параметрами дуги I=49 кА (примерно втрое больше, чем при коротком замыкании аналогичного трансформатора в сети напряжением 10,5 кВ) и вкладываемой энергии E=200 кДж; - при коротком замыкании с параметрами: I=59 кА, E=312 кДж произошла разгерметизация корпуса в результате образования небольшой трещины, которая с точки зрения взрыво- и пожаробезопасности не представляет никакой угрозы; - создание и поддержание пузырьков газа в пристеночной области бака трансформатора является эффективным способом создания взрывобезопасного маслонаполненного трансформатора; - проведенные испытания показали, что после некоторой доработки макетного образца можно создать опытный образец взрывобезопасного маслонаполненного трансформатора напряжением 220/110 кВ. 5. На основе комплексного анализа расчетно-экспериментальных данных предложена математическая модель, описывающая интенсивность газодинамической деструкции капель диаметром от 5 до 85 мкм в потоке с числами Маха М = 2…3. В математической модели учитывается влияние чисел маха, Вебера и Рейнольдса на скорость газодинамического дробления капель в высокоскоростном потоке. Предложенная математическая модель дает расхождение с экспериментом не более 3,6 %. 6. Разработана комплексная математическая модель, используемая для решения задач нестационарного двухфазного газодинамического течения (для идеального вязкого теплопроводного газа) со сложной ударно-волновой структурой и интенсивными высокочастотными пульсациями давления. Математическая модель основана на системе нестационарных уравнений Навье-Стокса для газовой фазы и на основе подхода DPM (Descret Phase Model), учитывающего движение, газодинамическое дробление и испарение капель различных жидкостей. Для описания газодинамического дробления в математической модели могут быть использованы созданные в рамках проекта базы данных и апроксимирующие зависимости. Полученные расчетно-экспериментальные данные и предложенная математическая модель позволяют оценивать интенсивность газодинамического дробления капель жидкости в высокоскоростных потоках. Для решения представленной системы уравнений создан специализированный алгоритм, машинный код и программный модуль, который может быть использован в качестве подключаемого приложения к погромным комплексам Fluent, «Куб-3Д» и др. 7. Разработан методический аппарат для моделирования пространственной локализации распределения дискретных частиц (вероятность нахождения твердой частицы или капли жидкости в пространстве) в высокоскоростных двухфазных потоках. Данная методика позволяет оценить равномерность распределения дискретных частиц в сечениях рассматриваемого проточного тракта. С применением данного методического аппарата создана математическая модель высокого уровня, описывающая физико-химические процессы воспламенения, горения и деструкции оксидной пленки конденсированных частиц при их смешении с воздухом применительно к задачам численного моделирования рабочего процесса в камерах сгорания атмосферных энергосиловых установок, использующих в качестве горючего продукты газификации энергоемких конденсированных составов. Для данной математической модели также был разработан метод редуцирования полной системы уравнений химической кинетики от большого числа уравнений к меньшему числу уравнений, которые можно решить, используя доступные вычислительные средства без значимой потери точности. Этот метод позволяет получить общий набор дифференциально-алгебраических уравнений, которые применимы к любой системе, в которой можно выделить быстрые и медленные реакции. 8. На основе проведенных исследований сформированы научные основы интенсификации газодинамического дробления жидкости посредством оптимизации перепада давления на форсунках, возбуждения нестационарного течения за местом инжекции в дозвуковом потоке газа и формирования ударно-волновой структуры в сверхзвуковом потоке газа. Показано, что оптимизация перепада давления жидкости и надлежащего выбора количества форсунок дает возможность повысить эффективность двухфазного смешения на 15…20 %. При этом в дозвуковых потоках нестационарное течение за местом инжекции топлива дает возможность интенсифицировать процесс деструкции. Для исследованного диапазона We = 13,5…71,2 экспериментально получено, что в результате газодинамического дробления диаметр капель уменьшается на 25 …79 % относительно начального значения. Формирование ударно-волновой структуры, вызывающих пульсации давления и скорости в сверхзвуковом потоке газа дает возможность получить «взрывное» дробление капель при амплитудах пульсаций более 110 дБ и частоте около 3200 Гц. Для капель с начальным размером более 50 мкм «взрывное» дробление дает возможность получить за ударной волной мелкодисперсную взвесь жидкости с размером дисперсной фазы менее 5 мкм. 9. Разработанные математические модели были использованы при проведении параметрических исследований влияния режимных и геометрических параметров модельных камер сгорания, использующих в качестве горючего двухфазные и многокомпонентные составы, на эффективность рабочего процесса. В результате проведённых исследований установлено следующее. - Показано, что увеличение относительного скоростного напора при инжекции двухфазных продуктов газификации энергоемких конденсированных составов в 1,5 и 2 раза приводит к снижению неравномерности (параметра σ) распределения частиц (диаметром 5 мкм) на 27% и 46% соответственно. Установлено, что на входе в камеру сгорания для диаметра частиц 5…10 мкм значение σ не превышает значения 1050 кг/(с·м2). При дальнейшем увеличении диаметра частиц наблюдается слабая деформация потока конденсированных частиц, приводящая к увеличению параметра σ более чем на порядок. Далее по потоку камеры сгорания происходит снижение среднеквадратичного отклонения до значений σ = 75…400 кг/(с·м2), зависящих как от диаметра частиц, так и от относительного скоростного напора инжектируемых двухфазных продуктов газификации. - Проведена оценка влияния конфигурации системы инжекции на характеристики смесеобразования конденсированных частиц с воздухом и интенсивности воздействия частиц на стенки камеры сгорания малого удлинения. Рассмотрены варианты подачи двухфазного горючего через одно сопловое отверстие поперек потока воздуха в камере сгорания, поперек потока воздуха в камере сгорания в область за пилоном и соосно воздушному потоку в камере сгорания с пилона. Комплексный анализ результатов расчетного исследования показал, что для рассматриваемой конфигурации модельной камере сгорания наиболее предпочтительным по критериям эффективности смешения и минимизации эрозионного воздействия на стенку проточного тракта является вариант № 3 – когда инжекция двухфазного горючего реализуется спутно потоку через сопловое отверстие, расположенное на торцевой поверхности пилона. Спутная с воздушным потоком инжекция продуктов газификации позволяет повысить эффективность смешения за счет минимизации осаждения частиц на стенках проточного тракта. Для варианта со спутной системой подачи интегральный параметр смешения в 1,5 раза выше относительно варианта подачи со стенки поперек воздушного потока и в 4 раза относительно варианта подачи со стенки поперек воздушного потока в область за пилоном. - Проведено численное моделирования горения двухкомпонентной смеси в прямоугольных каналах переменного сечения. Рассчитаны коэффициенты полноты сгорания топлива двумя различными способами. Оценена сила, действующая на проточный тракт в продольном направлении. На основании проведённых расчётов сделан вывод, что обратный уступ в дозвуковой камере сгорания позволяет улучшить рабочий процесс. Полученные результаты параметрического исследования были применены на этапе предварительной разработки облика стендового демонстратора модельной камеры сгорания энергосиловой установки. Полученные результаты позволили провести обобщение и сформировать основы научного знания, описывающего процессы течения двухфазных потоков в наземных и аэрокосмических приложениях. Сотрудничество индийского и российского научных коллективов позволило обменяться опытом в части изучения двухфазных потоков в наземных и аэрокосмических приложениях. Обе стороны обладают высокими компетенциями в вопросах экспериментальных и расчетно-аналитических исследований физико-химических аспектов газожидкостных до- и сверхзвуковых высокоэнтальпийных течений. В результате совместного сотрудничества был произведен обмен опытом, касающимся методов и подходов к разработке уникальных узлов и систем лабораторных установок для изучения распыла и дробления капель жидкости в высокоскоростных до-, транс- и сверхзвуковых потоках. Результаты проведенных совместных исследований отражены в двух работах, опубликованных в рамках данного проекта. Результаты выполненных в рамках проекта работ отражены в 1 монографии, 12 публикациях в периодических научных изданиях, в том числе 4 публикации в изданиях Q1, а также представлены с 6 докладами на международных конференциях.