Экспериментальное и численное изучение нестационарной структуры и развитие методов интенсификации горения низкоуглеродных и водородных топлив в массивах закрученных комбинированных струй и противоточных течений

Закрутка потока является одним из наиболее широко применяемых способов интенсификации теплофизических процессов в современных энергетических установках. Взаимосвязь процессов газодинамики, тепломассообмена и горения в закрученном течении определяет особенности формирования в нем крупномасштабных вихревых структур, прецессирующего вихревого ядра, формы и положения фронта пламени. Изучение этих моментов является важным как с фундаментальной точки зрения, так и в качестве последующего применения полученных результатов на практике. Исследования горения при закрутке потока в настоящее время ведутся во многих отечественных научных школах: МЭИ, МГТУ, ОИВТ РАН, ВТИ, ЦИАМ (Москва), СПбПУ (Санкт-Петербург), ИТ СО РАН, НГУ (Новосибирск), КАИ-КНИТУ (Казань), СУ (СГАУ, Самара), ОДК-Авиадвигатель (Пермь), САФУ (Архангельск), СФУ (Красноярск), ДВФУ (Владивосток), УГТУ (Ульяновск), ВГТУ (Воронеж), РГАТУ, ОДК-Сатурн (Рыбинск). За рубежом исследования горения в закрученных потоках активно ведутся в США, Канаде, Китае, Индии, Японии, Австралии, Израиле, Иране, странах Европейского Союза, Беларуси, Казахстане и других государствах. Из экспериментальных работ авторского коллектива и других исследователей известны характерные особенности, присущие газодинамике ограниченных противоточных закрученных течений с реакциями горения. Перспективной технологией организации горения является структуризация течения в виде массивов различной размерности, основу которых составляют элементарные реагирующие комбинированные и противоточные струи. В таких течениях имеет место целый комплекс теплофизических процессов, включающий формирование крупной и мелкомасштабной турбулентности, наличие ламинарно-турбулентных переходов, отрывные явления в присутствии химических и фазовых превращений. Наиболее актуальным вопросом организации массивов реагирующих струй является вопрос концептуального выбора схемы течения и механизма горения в отдельных элементах системы. В настоящее время наибольшее распространение получили массивы закрученных предварительно перемешанных топливовоздушных течений, а также диффузионных топливных струй. Последние являются более стабильными, а также обуславливают меньшее время пребывания реагентов во фронте пламени, что приводит к сокращению образования NOx (Weiland и др., 2011, 2013). Кроме того, исследования взаимодействия диффузионных реагирующих струй (Kuwana и др., 2016; Tao и др., 2019) показывают, что явление слияния пламён главным образом зависит от расстояния между топливными форсунками, а также оказывает сильное влияние на характер функции тепловыделения. Отмеченные наблюдения подтверждаются как для различных газообразных видов топлива (метан, пропан, водород), так и при варьировании количества струй в массиве (Li и др., 2018). Массивы предварительно перемешанных топливовоздушных струй значительно менее устойчивы в сравнении с диффузионными, поэтому для их стабилизации чаще всего используются дополнительные мероприятия, связанные с внесением в струю центрального плохообтекаемого тела либо организацией закрутки потока (Chen и др., 1990, Samarasinghe и др. 2016). Существующие исследования массивов различной размерности и условий закрутки (Rajasegar и др., 2018, 2019; Choi и др., 2020; Liu и др., 2014, 2017; Ruan и др., 2020; Kwong и Steinberg, 2020; Lee и др., 2019; Kang и др., 2020; Abdelhafez и др., 2021; Yang и др., 2021; Hussain и др., 2020) показывают, что граница устойчивости при бедном горении топливовоздушных смесей лежит в диапазоне от 1.8 <  < 2.0. При этом наиболее перспективной является организация противоположно направленной закрутки струй, расположенных в плоских компоновках. Учитывая перечисленные преимущества и недостатки диффузионных и предварительно перемешанных топливовоздушных струй, наиболее перспективным видится компромиссное решение, основанное на использовании течений с частичным смешением компонентов смеси. Характерным примером такого течения является комбинированная коаксиальная струя, состоящая из раздельно подаваемых в зону горения потоков топлива и окислителя, смешение которых начинается до момента воспламенения. Горение в комбинированных закрученных струях характеризуется высокой устойчивостью, сокращением объема зоны реакции и снижением эмиссии вредных веществ относительно диффузионного сценария протекания химических реакций (Feikema и др., 1991; Degeneve и др., 2019; Rashwan, 2018; Shao и др., 2021). Структура закрученных коаксиальных струй с горением хорошо изучена с использованием современных бесконтактных методов измерения (Cozzi и Coghe, 2012; Boushaki и др., 2019). Наиболее важными особенностями такого типа течений являются резкое уменьшение закрутки потока после воспламенения, связанное с ростом осевой компоненты скорости, а также формирование области нулевой осевой скорости внутри нижней части струи, в которой имеет место зона рециркуляции. Другим примером реализации частично перемешанного горения является противоточное закрученное течение. Организация горения в противоточном закрученном течении соответствует большинству из требований, предъявляемых к перспективным концепциям сжигания топлива. В силу особенностей газодинамики закрученных течений, когда расход воздуха, подаваемый на вход в противоточный горелочный модуль, преодолевает расстояние вдоль оси устройства не менее двух раз, возникают эффективные условия для качественного перемешивания топлива и окислителя, надежного воспламенения образующейся смеси и ее стабильного горения. Формирование крупномасштабных тороидальных вихревых структур вблизи области подачи топлива приводит к значительному увеличению времени его пребывания в зонах смешения и горения, повышению полноты сгорания и снижению эмиссии монооксида углерода. Одновременно с этим появляется возможность существенного расширения области режимов работы противоточных вихревых горелок по соотношению топливо-окислитель, что позволяет реализовать процесс горения в более "бедных" топливом условиях, снизить среднемассовую температуру горения и сократить, а в ряде случае полностью устранить образование оксидов азота NOx. Эти и ряд других особенностей газодинамики и горения в противоточном закрученном течении были подробно изучены в последние 20 лет такими отечественными и зарубежными специалистами, как В.Н. Штерн (Новосибирск, Россия), Ш.А. Пиралишвили и А.И. Гурьянов (Рыбинск, Россия), N. Syred (Великобритания), M. Chiaverini, J. Majdalani, P. Strykowski, D. Forliti, I.B. Matveev (США), A T. Augousti (Великобритания), N. Yu и D. Sun (Китай), V. Aghakashi и M. Saidi (Иран), T. Rajesh и T. Jothi (Индия). В настоящее время нестационарная турбулентная структура в массивах закрученных комбинированных струй и противоточных течениях с закруткой изучена лишь частично. В литературе практически отсутствуют данные об особенностях взаимодействия и горения таких струй в массивах. Практически не исследованы проблемы организации сжигания в противоточном течении различных видов топлива, в том числе низкоуглеродных, водородных, синтетических и смешанных. Численное моделирование выполнялось с использованием определенного набора моделей турбулентности, что абсолютно не позволяет прогнозировать поведение таких потоков при создании новых технических устройств, а также выбрать возможные подходы к интенсификации процессов горения, что особенно актуально при переходе на сжигание низкоуглеродных и смешанных топлив. Не обоснованы многотопливные режимы горения, оптимальные условия конвективной тепловой защиты. Наиболее достоверным способом изучения структуры реагирующих комбинированных и противоточных закрученных течений и струй является экспериментальное исследование бесконтактными оптическими методами, в частности PIV и высокоскоростной визуализацией. Выполнение указанных фундаментальных исследований позволит получить совершенно новые результаты и знания об особенностях нестационарной турбулентной структуры и механизмах горения в комбинированных и противоточных закрученных течениях и струях. Вместе с тем, коллективом РГАТУ за прошедшие 5 лет создан существенный задел в рассматриваемой области исследований. Он включает исследование механизмов горения в противоточном течении (Guryanov и др., 2020,2021), изучение особенностей сжигания твердого топлива (Evdokimov и др., 2019-2021), определение параметров и условий тепломассообмена (Veretennikov, 2018-2021). Также разработан комплекс перспективных технических устройств, реализующих горение в комбинированных и противоточных закрученных течениях – многофорсуночные камеры сгорания ГТД (Guryanov и др., 2022), малоразмерные горелки и воспламенители (Evdokimov и др., 2019), многотопливные горелочные модули (Guryanov и др., 2021), противоточные водород-кислородные пароперегреватели и камеры сгорания (Guryanov и др., 2020, 2022). Развитие указанной выше тематики будет направлено на создание научных основ организации горения в массивах противоточных и комбинированных закрученных течений. Это требует обобщения большого количества ранее опубликованных результатов, постановки новых экспериментальных исследований с применением современных теплофизических панорамных измерений, проведения нестационарного трехмерного численного моделирования в вихреразрешающей постановке, разработки методик проектирования и расчета новых камер сгорания и горелочных устройств, а также управления их рабочим процессом. Цель исследования - на основе бесконтактных методов экспериментального исследования и трехмерного численного моделирования получить новые знания и изучить особенности нестационарной турбулентной структуры и механизмов горения в массивах закрученных комбинированных струй и противоточных течений с целью развития методов интенсификации сжигания водородных и смешанных видов топлива