ВПЛИВ ІН'ЄКЦІЇ КРАПЕЛЬ РІДКОГО КЕРОСИНУ ПРИ РІЗНИХ РАДІАЛЬНИХ ТА ТАНГЕНЦІЙНИХ ШВИДКОСТЯХ НА УТВОРЕННЯ NOX, CO ТА РОЗПОДІЛ ТЕМПЕРАТУРИ

Автор(и)

  • Масуд Хаджіванд Національний аерокосмічний університету ім. Н.Є. Жуковського «ХАІ», Індія https://orcid.org/0000-0002-9990-9761
  • Дмитро Долматов Національний аерокосмічний університету ім. Н.Є. Жуковського «ХАІ», Україна https://orcid.org/0000-0002-7268-1509

DOI:

https://doi.org/10.20535/1813-5420.4.2024.315598

Ключові слова:

CFD, згоряння, розпилення, викиди, спрей, випаровування крапель, флеймлет.

Анотація

У цьому дослідженні представлено числовий аналіз і CFD-моделювання згоряння рідкого керосину шляхом варіювання радіальних і тангенціальних складових швидкості крапель керосину, інжектованих через форсунку в реальний камеру згоряння. Краплі розглядаються через розподіл розмірів частинок за Розіном-Раммлером з використанням моделі розпилення Ейлера-Лагранжа. Основною метою цього дослідження є оцінка процесів утворення викидів, таких як NO і CO, а також коливань розподілу температури в зоні первинного згоряння під час процесу горіння та випаровування крапель. Для моделювання горіння випареного керосину було використано модель Flamelet, яка дозволяє детально описати кінетичну схему хімічних реакцій між (JetA-C10H22) і повітрям, інтегровану в ANSYS CFX, включаючи термічне та швидке утворення NO. Було застосовано стандартну модель турбулентності k-ϵ з покращеним описом стінок і моделлю випромінювання P1. Верифікація та валідація результатів аналізу були розглянуті в цьому дослідженні, де результати, такі як розподіл температури та утворення NO на різних радіальних відстанях камери згоряння, порівнювалися з реальними експериментальними даними. Результати показали, що поведінка крапель, зумовлена швидкостями інжекції, значно впливає на процес згоряння, включаючи розподіл температури, утворення NOx та викиди CO, особливо в зоні первинного згоряння.

Посилання

Hajivand, M., & Dolmatov, D. A. (2021). NUMERICAL ANALYSIS OF KEROSENE SPRAY COMBUSTION IN VARIOUS INJECTION PREPARATIONS AND EMISSION BEHAVIOUR ASSESSMENT. Collection of Scientific Publications NUS, 1, 125–141. https://doi.org/10.15589/znp2021.1(484).18

Rink, K. K., & Lefebvre, A. H. (1989b). The Influences of Fuel Composition and Spray Characteristics on Nitric Oxide Formation. Combustion Science and Technology, 68(1–3), 1–14. https://doi.org/10.1080/00102208908924066

Kankashvar, B., Tabejamaat, S., EidiAttarZade, M., Sadatakhavi, S. M., & Nozari, M. (2021a). Experimental study of the effect of the spray cone angle on the temperature distribution in a can micro-combustor. Aerospace Science and Technology, 115, 106799. https://doi.org/10.1016/j.ast.2021.106799

Dafsari, R. A., Lee, H. J., Han, J., & Lee, J. (2019). Evaluation of the atomization characteristics of aviation fuels with different viscosities using a pressure swirl atomizer. International Journal of Heat and Mass Transfer, 145, 118704. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.118704

Lefebvre, A. H., & McDonell, V. G. (2017b). Atomization and Sprays. In CRC Press eBooks. https://doi.org/10.1201/9781315120911

Bokhart, A. J. (n.d.). An Investigation of the Spray Characteristics of Standard and Alternative Fuel Sprays from a Hybrid Airblast Pressure-Swirl Atomizer Operating at Lean Blowout and Chilled Conditions Using Phase Doppler Anemometry. Purdue e-Pubs. https://docs.lib.purdue.edu/open_access_theses/1255

Bishop, K., & Allan, W. (2010b). Effects of Fuel Nozzle Condition on Gas Turbine Combustion Chamber Exit Temperature Distributions. Volume 2: Combustion, Fuels and Emissions, Parts a and B. https://doi.org/10.1115/gt2010-23441

Lin, B., Wu, Y., Xu, M., & Chen, Z. (2021). Experimental investigation on spark ignition and flame propagation of swirling kerosene spray flames. Fuel, 303, 121254. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.121254

Ghose, P., & Datta, A. (2020). Effect of Inlet Swirl and Turbulence Levels on Combustion Performance in a Model Kerosene Spray Gas Turbine Combustor. In Lecture notes in mechanical engineering (pp. 493–504). https://doi.org/10.1007/978-981-15-7831-1_46

Alsulami, R., Windell, B., Nates, S., Wang, W., Won, S. H., & Windom, B. (2019). Investigating the role of atomization on flame stability of liquid fuels in an annular spray burner. Fuel, 265, 116945. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2019.116945

Fathinia, F., Khiadani, M., & Al-Abdeli, Y. M. (2019). Experimental and mathematical investigations of spray angle and droplet sizes of a flash evaporation desalination system. Powder Technology, 355, 542–551. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2019.07.081

Gong, J., & Fu, W. (2007). The experimental study on the flow characteristics for a swirling gas–liquid spray atomizer. Applied Thermal Engineering, 27(17–18), 2886–2892. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2007.04.006

Peters, N. (2000b). Turbulent Combustion. Cambridge University Press https://doi.org/10.1017/cbo9780511612701

Li, Q., Zhang, P., Feng, Y., & Wang, P. (2015). Implementation variations of adiabatic steady PPDF flamelet model in turbulent H2/air non-premixed combustion simulation. Case Studies in Thermal Engineering, 6, 204–211. https://doi.org/10.1016/j.csite.2015.10.001

CFX. ANSYS CFX-Solver Modeling Guide, ANSYS, Inc., Canonsburg, PA, USA, Release 18.2

CFX. ANSYS CFX-Solver Theory Guide, ANSYS, Inc., Canonsburg, PA, USA, Release 18.2

Pohl, S., Jarczyk, M., Pfitzner, M., & Rogg, B. (2013). Real gas CFD simulations of hydrogen/oxygen supercritical combustion. Progress in Propulsion Physics. https://doi.org/10.1051/eucass/201304583

Zimmermann, I. (2009). Modeling and Numerical Simulation of Partially Premixed Flames [Universität der Bundeswehr München, Fakultät für Luft- und Raumfahrttechnik]. http://athene forschung.unibw.de/node?id=86289

Golder, S., & Doom, J. J. (2017b). Simulation of an ethylene flame with turbulence, soot and radiation modeling. 55th AIAA Aerospace Sciences Meeting. https://doi.org/10.2514/6.2017-0540

Modest, M. F. (2013b). Radiative Heat Transfer. In Elsevier eBooks. https://doi.org/10.1016/c2010-0-65874-3

Höglauer, C., Kniesner, B., Knab, O., Schlieben, G., Kirchberger, C., Silvestri, S., & Haidn, O. J. (2015). Modeling and simulation of a GOX/kerosene subscale rocket combustion chamber with film cooling. CEAS Space Journal, 7(4), 419–432. https://doi.org/10.1007/s12567-015-0096-y

Strokach, E. A., Borovik, I. N., Bazarov, V. G., & Haidn, O. J. (2020). Numerical study of operational processes in a GOx-kerosene rocket engine with liquid film cooling. Propulsion and Power Research, 9(2), 132–141. https://doi.org/10.1016/j.jppr.2020.04.004

Ghose, P., Datta, A., & Mukhopadhyay, A. (2015). Effect of Prediffuser Angle on the Static Pressure Recovery in Flow Through Casing-Liner Annulus of a Gas Turbine Combustor at Various Swirl Levels. Journal of Thermal Science and Engineering Applications, 8(1). https://doi.org/10.1115/1.4030734

Ranz, W. E. ., & Marshall, W. R (1952). Evaporation from drops: Part II. Chemical Engineering Progress, 48, 173–180. http://ci.nii.ac.jp/naid/10020503031

Warnatz, J., Maas, U., & Dibble, R. (2006). Combustion: Physical and Chemical Fundamentals, Modeling and Simulation, Experiments, Pollutant Formation. https://doi.org/10.1007/978-3-540-45363-5

Jiang, B., Liang, H., Huang, G., & Li, X. (2006). Study on NOx Formation in CH4/Air Jet Combustion. Chinese Journal of Chemical Engineering, 14(6), 723–728. https://doi.org/10.1016/s1004-9541(07)60002-0

Yang, X., He, Z., Qiu, P., Dong, S., & Tan, H. (2019). Numerical investigations on combustion and emission characteristics of a novel elliptical jet-stabilized model combustor. Energy, 170, 1082–1097. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.12.189

Bauer, H. J., Eigenmann, L., Scherrer, B., & Wittig, S. (1995). Local Measurements in a Three Dimensional Jet-Stabilized Model Combustor. Volume 3: Coal, Biomass and Alternative Fuels; Combustion and Fuels; Oil and Gas Applications; Cycle Innovations. https://doi.org/10.1115/95-gt-071

Kurreck, M., Willmann, M., & Wittig, S. (1998). Prediction of the Three-Dimensional Reacting Two-Phase Flow Within a Jet-Stabilized Combustor. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 120(1), 77–83. https://doi.org/10.1115/1.2818090

Bazdidi-Tehrani, F., & Zeinivand, H. (2010). Presumed PDF modeling of reactive two-phase flow in a three dimensional jet-stabilized model combustor. Energy Conversion and Management, 51(1), 225–234. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2009.09.020

Zeinivand, H., & Bazdidi-Tehrani, F. (2012). Influence of stabilizer jets on combustion characteristics and NOx emission in a jet-stabilized combustor. Applied Energy, 92, 348–360. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2011.11.033

Bazdidi-Tehrani, F., & Teymoori, A. (2022). Optimization of a gas turbine model combustor due to variations in geometrical characteristics of stabilizing air jets. Applied Thermal Engineering, 217, 119206. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.119206

Alemi, E., & Zargarabadi, M. R. (2017). Effects of jet characteristics on NO formation in a jet-stabilized combustor. International Journal of Thermal Sciences, 112, 55–67. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2016.10.001

Ghose, P., Patra, J., Datta, A., & Mukhopadhyay, A. (2016). Prediction of soot and thermal radiation in a model gas turbine combustor burning kerosene fuel spray at different swirl levels. Combustion Theory and Modelling, 1–29. https://doi.org/10.1080/13647830.2016.1147607

Ghose, P., Patra, J., Datta, A., & Mukhopadhyay, A. (2014). Effect of air flow distribution on soot formation and radiative heat transfer in a model liquid fuel spray combustor firing kerosene. International Journal of Heat and Mass Transfer, 74, 143–155. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.03.001

##submission.downloads##

Опубліковано

2024-12-17

Номер

№ 4 (2024): 78

Розділ

ЕКОЛОГІЯ

Ліцензія

Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:

  1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
  1. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
  1. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).