Помощь студентам в учебе
3D моделирование процессов распыла и горения жидкого топлива
|
Аннотация
ВВЕДЕНИЕ 5
1 АКТУАЛЬНОСТЬ И ОБОСНОВАНИЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
3D МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАСПЫЛА И ГОРЕНИЯ ЖИДКОГО ТОПЛИВА 8
1.1 Роль компьютерного моделирования в современных исследованиях 8
1.2 Актуальность исследования моделирование жидкого топлива 13
1.3 Практическая ценность 14
2 СРАВНЕНИЕ ЗАРУБЕЖНЫХ И ОТЕЧЕСТВЕННЫХ АНАЛОГОВ 15
3 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ 19
4 НАУЧНАЯ ЧАСТЬ 20
4.1. Горение жидкого топлива 20
4.2. Распыливание жидкостей 31
4.3. Особенности горение жидкого топлива 46
5 СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 51
5.1 Математическая модель задачи о распыле и горении впрыска
жидкого топлива 51
5.2 Модель испарения, горения и столкновения капель 55
5.3 Исследование влияния начальной массы впрыска на горение жидкого
топлива 63
5.4 Исследование влияния начальной температуры в камере сгорания на
горение жидкого топлива
6 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ 69
7 ВОПРОСЫ ЭКОЛОГИИ 75
8 АВТОМАТИЗАЦИЯ 79
9 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ 81
10 ЭКОНОМИКА И УПРАВЛЕНИЕ 83
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 90
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 91
ВВЕДЕНИЕ 5
1 АКТУАЛЬНОСТЬ И ОБОСНОВАНИЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
3D МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАСПЫЛА И ГОРЕНИЯ ЖИДКОГО ТОПЛИВА 8
1.1 Роль компьютерного моделирования в современных исследованиях 8
1.2 Актуальность исследования моделирование жидкого топлива 13
1.3 Практическая ценность 14
2 СРАВНЕНИЕ ЗАРУБЕЖНЫХ И ОТЕЧЕСТВЕННЫХ АНАЛОГОВ 15
3 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ 19
4 НАУЧНАЯ ЧАСТЬ 20
4.1. Горение жидкого топлива 20
4.2. Распыливание жидкостей 31
4.3. Особенности горение жидкого топлива 46
5 СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 51
5.1 Математическая модель задачи о распыле и горении впрыска
жидкого топлива 51
5.2 Модель испарения, горения и столкновения капель 55
5.3 Исследование влияния начальной массы впрыска на горение жидкого
топлива 63
5.4 Исследование влияния начальной температуры в камере сгорания на
горение жидкого топлива
6 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ 69
7 ВОПРОСЫ ЭКОЛОГИИ 75
8 АВТОМАТИЗАЦИЯ 79
9 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ 81
10 ЭКОНОМИКА И УПРАВЛЕНИЕ 83
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 90
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 91
К жидким топливам относятся нефть, бензин, керосин, солярка, жидкий водород, гептил, гептан и др. При горении жидких топлив может быть выделено несколько его стадий. На первой стадии происходит впрыск топлива в камеру сгорания через форсунку с распылением на мелкие капли. Затем происходит испарение капель и смешение их с окислителем, после чего происходит воспламенение и горение топливовоздушной смеси. Первая часть процесса - распыление топлива - во многом определяет эффективность последующего горения, чем меньше капля, тем быстрее происходит испарение, смешение с окислителем и воспламенение. В дизельных двигателях жидкость подается через малые отверстия под действием очень высокого давления, за счет этого происходит распыление топлива - жидкость распадается на тонкие пленки и нити, которые затем принимают капельную форму. В ракетных двигателях распыление часто осуществляют столкновением струй. Это дает возможность подать большое количество топлива в камеру сгорания.
Горение жидких топлив отличается рядом специфических особенностей, обусловленных протеканием химических реакций в условиях динамического и теплового взаимодействия реагентов, интенсивного массопереноса при фазовых превращениях, а также зависимостью параметров процесса, как от термодинамического состояния системы, так и от ее структурных характеристик. Многообразие и сложность указанных факторов создают известные трудности при разработке полноценной теории. Существенные результаты в этом направлении могут быть получены на основе последовательного приложения методов механики гетерогенных систем к описанию процессов горения двухфазных сред.
Необходимость детального исследования физико-химических процессов, протекающих при горении жидких топлив, определена возросшими требованиями к эффективности работы различных технических устройств, точности прогнозирования воспламенения и обусловлена современными экологическими требованиями по охране окружающей среды. Эффективность работы различных технических устройств, в частности, двигателей внутреннего сгорания в значительной степени базируются на результатах фундаментального исследования физико-химических процессов горения.
Внедрение новых технологий требует значительных затрат, в связи с чем к методам проектирования и отработки оборудования предъявляются все возрастающие требования. Таким образом, в настоящее время, особое внимание приобретает не только создание эффективных физических и математических моделей, но и разработка новых более совершенных методов численной реализации систем разностных уравнений, описывающих конвективный тепломассоперенос в камерах сгорания. Математическое моделирование горения жидких топлив является сложной задачей, так как требует учета большого количества сложных взаимосвязанных процессов и явлений: многоступенчатые цепные химические реакции, перенос импульса, тепла и массы путем конвекции, молекулярный перенос, излучение, турбулентность, испарение жидких капель. Применение математического моделирования в области исследований процессов тепломассопереноса в течениях с горением привело к появлению различных программно-ориентированных пакетов, с помощью которых более или менее успешно решаются как фундаментальные задачи, так и прикладные.
Объект исследования - гептан впрыскиваемый в камеру сгорания
Предмет исследования - процесс распыла и горения жидкого топлива в камере сгорания
Метод исследования. Численное моделирование процессов распыла и горения впрыска жидкого топлива на основе решения дифференциальных уравнений турбулентного реагирующего течения с впрысками.
Цель работы. Исследование процессов распыла и горения жидких топлив в камере сгорания в зависимости от массы впрыскиваемого топлива и начальной температуры воздуха в камере сгорания.
Задачи исследования:
• Построить математическую модель, которая описывает процессы распыла и горения жидкого топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания;
• Исследовать влияния начальной массы впрыска на горение жидкого топлива;
• Исследовать влияния начальной температуры в камере сгорания на горение жидкого топлива.
Горение жидких топлив отличается рядом специфических особенностей, обусловленных протеканием химических реакций в условиях динамического и теплового взаимодействия реагентов, интенсивного массопереноса при фазовых превращениях, а также зависимостью параметров процесса, как от термодинамического состояния системы, так и от ее структурных характеристик. Многообразие и сложность указанных факторов создают известные трудности при разработке полноценной теории. Существенные результаты в этом направлении могут быть получены на основе последовательного приложения методов механики гетерогенных систем к описанию процессов горения двухфазных сред.
Необходимость детального исследования физико-химических процессов, протекающих при горении жидких топлив, определена возросшими требованиями к эффективности работы различных технических устройств, точности прогнозирования воспламенения и обусловлена современными экологическими требованиями по охране окружающей среды. Эффективность работы различных технических устройств, в частности, двигателей внутреннего сгорания в значительной степени базируются на результатах фундаментального исследования физико-химических процессов горения.
Внедрение новых технологий требует значительных затрат, в связи с чем к методам проектирования и отработки оборудования предъявляются все возрастающие требования. Таким образом, в настоящее время, особое внимание приобретает не только создание эффективных физических и математических моделей, но и разработка новых более совершенных методов численной реализации систем разностных уравнений, описывающих конвективный тепломассоперенос в камерах сгорания. Математическое моделирование горения жидких топлив является сложной задачей, так как требует учета большого количества сложных взаимосвязанных процессов и явлений: многоступенчатые цепные химические реакции, перенос импульса, тепла и массы путем конвекции, молекулярный перенос, излучение, турбулентность, испарение жидких капель. Применение математического моделирования в области исследований процессов тепломассопереноса в течениях с горением привело к появлению различных программно-ориентированных пакетов, с помощью которых более или менее успешно решаются как фундаментальные задачи, так и прикладные.
Объект исследования - гептан впрыскиваемый в камеру сгорания
Предмет исследования - процесс распыла и горения жидкого топлива в камере сгорания
Метод исследования. Численное моделирование процессов распыла и горения впрыска жидкого топлива на основе решения дифференциальных уравнений турбулентного реагирующего течения с впрысками.
Цель работы. Исследование процессов распыла и горения жидких топлив в камере сгорания в зависимости от массы впрыскиваемого топлива и начальной температуры воздуха в камере сгорания.
Задачи исследования:
• Построить математическую модель, которая описывает процессы распыла и горения жидкого топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания;
• Исследовать влияния начальной массы впрыска на горение жидкого топлива;
• Исследовать влияния начальной температуры в камере сгорания на горение жидкого топлива.
В выпускной квалификационной работе сформулирована и проанализирована
математическая модель горения жидких впрысков, которая основывается на уравнениях движения для жидкой стадии, сопровождаемой капельным испарением, а
также уравнениях энергии и переноса массы с соответствующими граничными
условиями.
Решена задача о горении жидких топлив в камере сгорания в зависимости от
массы впрыскиваемого топлива и начальной температуры воздуха в камере сгорания.
На основе решения уравнений энергии, переноса массы, химической кинетики, трехмерных уравнений Навье-Стокса, модели турбулентности получены характеристики процесса горения в камере сгорания в виде распределений капель
по размерам, полей температуры и концентрации топлива и углекислого газа при
сжигании гептана с различными начальными массами (0,006 г; 0,016 г; 0,04 г) в
камере сгорания, заполненной воздухом.
В результате проведенного исследования и анализа результатов вычислительных экспериментов, можно сделать следующие выводы:
увеличение массы впрыскиваемого топлива приводит к увеличению области
занятой факелом и повышению общей температуры в камере сгорания;
при больших значениях впрыскиваемой массы топливо сгорает не полностью;
из трех рассматриваемых вариантов наиболее оптимальным является вариант массы жидкого впрыска
m ã 0,016
, при котором топливо сгорает полностью.
В этом случае камера сгорания прогревается так же как при большем значении
впрыскиваемой массы; однако, при этом образуется не большое количество углекислого газа.
Было исследовано влияние начальной температуры на горение жидкого гептана и проведено сравнение температурных полей, распределения паров топлива и
сажи для разных начальных температур. В результате проведенных вычислительных экспериментов было выяснено, что при температурах, ниже 800 К, горение
гептана не происходит. При температуре 800 К факел охватывает большую часть
камеры, чем при начальной температуре, равной 900 К.
Полученные результаты имеют фундаментальное и практическое значение и
могут быть использованы для развития теории горения газовых и жидких топлив,
а также при проектировании двигателей внутреннего сгорания, камер сгорания,
химических реакторов.
математическая модель горения жидких впрысков, которая основывается на уравнениях движения для жидкой стадии, сопровождаемой капельным испарением, а
также уравнениях энергии и переноса массы с соответствующими граничными
условиями.
Решена задача о горении жидких топлив в камере сгорания в зависимости от
массы впрыскиваемого топлива и начальной температуры воздуха в камере сгорания.
На основе решения уравнений энергии, переноса массы, химической кинетики, трехмерных уравнений Навье-Стокса, модели турбулентности получены характеристики процесса горения в камере сгорания в виде распределений капель
по размерам, полей температуры и концентрации топлива и углекислого газа при
сжигании гептана с различными начальными массами (0,006 г; 0,016 г; 0,04 г) в
камере сгорания, заполненной воздухом.
В результате проведенного исследования и анализа результатов вычислительных экспериментов, можно сделать следующие выводы:
увеличение массы впрыскиваемого топлива приводит к увеличению области
занятой факелом и повышению общей температуры в камере сгорания;
при больших значениях впрыскиваемой массы топливо сгорает не полностью;
из трех рассматриваемых вариантов наиболее оптимальным является вариант массы жидкого впрыска
m ã 0,016
, при котором топливо сгорает полностью.
В этом случае камера сгорания прогревается так же как при большем значении
впрыскиваемой массы; однако, при этом образуется не большое количество углекислого газа.
Было исследовано влияние начальной температуры на горение жидкого гептана и проведено сравнение температурных полей, распределения паров топлива и
сажи для разных начальных температур. В результате проведенных вычислительных экспериментов было выяснено, что при температурах, ниже 800 К, горение
гептана не происходит. При температуре 800 К факел охватывает большую часть
камеры, чем при начальной температуре, равной 900 К.
Полученные результаты имеют фундаментальное и практическое значение и
могут быть использованы для развития теории горения газовых и жидких топлив,
а также при проектировании двигателей внутреннего сгорания, камер сгорания,
химических реакторов.
