Ć

wiczenie – modelowanie procesu spalania

w komorze silnika turbinowego

Opracowali:

Janusz Piechna, Witold Selerowicz

Obliczenia przepływu ze spalaniem w komorze

spalania silnika turbinowego

przykładowy silnik

Schemat silnika z widoczną komorą spalania

Schemat komory spalania

W ćwiczeniu wykorzystana zostanie uniwersalna geometria
modyfikowana przez studentów w trakcie ćwiczenia

Kwadrat 200x200 mm.

Prostokąt 200x100 mm. Odjąć. Otrzymujemy ogólny kształt komory
spalania

Prostokąt 180x70 mm. Przesunąć 20, 110. Otrzymujemy ogólny zarys rury
ogniowej

Prostokąt 50x10 mm. Przesunąć 14, 140. Otrzymujemy zarys wtryskiwacza

Prostokąt 10x10 mm. Przesunąć 90, 140. Otrzymujemy obszar z którego
napływa paliwo

Sweep x=50, pozbyć się podwójnej krawędzi. Otrzymujemy wylot do
turbiny

Dokonać splitu komory spalania przez rurę ogniową.

Dokonać splitu wnętrza rury ogniowej przez wtryskiwacz.

Przygotowanie geometrii - Gambit

Odjąć doprowadzenie wtryskiwacza.

Skopiować 17 razy co x=10 lewe punkty krawędzi rury ogniowej.

Skopiować 6 razy co y= 10 lewy dolny punkt krawędzi rury ogniowej.

Ż

mudna robota splitowania trzech krawędzi przez kolejne punkty.

Skopiować lewy górny punkt komory spalania o y=-30 mm

Utworzyć przez opcję sweep x=-20 doloty powietrza do komory spalania.

Schemat siatki.

Zsiatkować wszystkie powierzchnie siatką czworościenną o
boku 2.

Warunki brzegowe:

Wlot powietrza – teraz pressure_inlet, potem velocity_inlet lub
mass_flow rate

Wylot spalin – pressure_outlet

Elementy parzyste rury ogniowej – internal

Elementy nieparzyste rury ogniowej – wall

Sciany inżektora - wall

Wlot paliwa – pressure_inlet, potem velocity_inlet lub mass_flow_rate

Oznaczyć poszczególne powierzchnie jako płyn.

Schemat warunków brzegowych

Wyeksportować siatkę jako obiekt dwu-wymiarowy

Obliczenia przepływu ze spalaniem w komorze

spalania silnika turbinowego - FLUENT

1. Uruchomić Fluenta,
2. wczytać siatkę,
3. przeskalować (siatka w mm),
4. sprawdzić siatkę,
5. wyświetlić siatkę (wszystkie elementy typu wall)-sprawdzić, czy ściany
są prawidłowe

Ustawienia podstawowe (General)

1. Solver:

• Type: Pressure Based (Spalanie odbywa się przy wysokim, ale stałym
ciśnieniu. Spadek ciśnienia podczas przepływu przez komorę jest niewielki.
Zatem można stosować model płynu nieściśliwego)

• Velocity Formulation: Absolute

• Time: Steady

• 2D Space: Axisymmetric

2. Models:

• Energy: On (Równanie energii włączone).

• Viscous: Standard k-e, Standard wall-function (Model turbulencji k-eps w
najprostszej postaci. Wielkości k i epsilon będą potrzebne do jednego z modeli
spalania.)

• Species: Species transport, Reactions

Species model: (transport składników i spalanie)

• Model: Species Transport
• Mixture Properties: Mixture Material: methane-air
• Reactions: Volumetric
• Turbulence-Chemistry Interaction: Finite-Rate/Eddy-Dissipation
• Options: wszystkie włączone

3. Materials:

• Material Type: mixture
• FLUENT Mixture Materials: methane-air
• Properties:
• Reaction: finite-rate/eddy-dissipation
• Density: incompressible-ideal-gas

Reaction: finite-rate/eddy-dissipation

Proponowany tu model spalania wykorzystuje dwa sposoby obliczania szybkości
spalania:

1. Pierwszy model oparty jest na równaniu Arrheniusa, gdzie szybkość reakcji zależy

od energii aktywacji (zależnej od rodzaju reagujących czynników oraz

temperatury).
2. Drugi model zależny jest od poziomu turbulencji.

•

szybkości reakcji dla reakcji r (stała)

•

czynnik pre-expotencjalny

•

wykładnik temperatury

•

energia aktywacji

•

R

uniwersalna stała gazowa

RT

E

r

r

r

f

r

e

T

A

k

/

,

−

=

β

r

f

k

,

r

A

r

β

E

Model spalania laminarnego ze skończona szybkością
spalania (laminar finite-rate).

• Szybkość reakcji jest zależna od skali czasowej

κκκκ

/

εεεε

mieszania

dużych wirów

• Zatem spalanie zachodzi gdy tylko występuje turbulencja

κκκκ

/

εεεε

> 0

W zastosowanym modelu wykorzystuje się zależności Arrheniusa jako
kontroler zapłonu. Brana jest mniejsza z wartości (albo wartość z
szybkości kontrolowanej przez turbulencję, albo określona przez
zależność Arrheniusa) . Do momentu zapłonu zależność Arrheniusa nie
pozwala na palenie się. Po zapaleniu, równania dla spalania turbulentnego
dają mniejsze wartości szybkości spalania i one kontrolują przebieg
reakcji.

Model spalania turbulentnego wymaga obecności produktów spalania dla
zapoczątkowania reakcji. Podczas inicjalizacji Fluent sam ustawia
wartości produktów na poziomie 0.01.

Fluent – dalsze ustawienia:

4. Cell Zone Conditions:

• Zone środek – włączyć Reaction

• Operating Conditions: ustawić na
poziomie dwóch barów – tyle mają
proste komory spalania w małych
silnikach (w dużych to 6 do 30).
Takie ustawienie pozwoli nam
automatycznie pracować na
ciśnieniu odniesienia równym
panującemu w komorze spalania.

5. Boundary Conditions: Przechodzimy do warunków brzegowych:

• Na wlotach: dolnym i górnym (wlot-b i wlot-t) zmieniamy typ warunku
brzegowego (Type) z Velocity-inlet na wall.

• Wlot środkowy (wlot-m):
- prędkość dopływu powietrza 20 m/s,
- intensywność turbulencji 5 %,
- skala turbulencji 30 mm (wysokość wlotu)
- temperatura 400K

Na wlocie powietrza (wlot-m)ustalamy tylko ilość tlenu na 0.21 (ilość
azotu wyliczy się automatycznie jako dopełnienie do jedności).

Z powodu występowania teraz składników płynu:

metanu, tlenu, azotu, wody i dwutlenku węgla jako produktów spalania na
wszystkich wlotach trzeba zdefiniować ile czego dopływa (opcja Species).

Wlot-paliwa (velocity-inlet)

- prędkość dopływu paliwa 2 m/s,
- intensywność turbulencji 2 %,
- skala turbulencji 10 mm (wysokość wlotu)
- temperatura 400K

Ponadto na wlocie paliwa musimy zdecydować, co doprowadzamy, czy
mieszankę metanu z powietrzem czy tylko metan. Na początek
wprowadzimy sam metan (CH

4

= 1)

Rozwiązanie: Solution Methods

Obliczenia - Symulacja przepływu zimnego.

Inicjujemy z zerowej prędkości, temperatura 400 K, zawartość tlenu
0.21. W opcji patch (jeśli mamy tę możliwość) ustalamy obecność
metanu w inżektorze.

Po około 200 iteracjach przerywamy liczenie.

Rozkład stężenia zimnego metanu.

Przepływ ze spalaniem.

•

Dla zainicjowania spalania konieczne jest użycie jednej lub obu świec

zapłonowych.

• Zamieniamy krawędzie na radiator – tworząc świecę zapłonową.

• Ustalamy iż współczynnik przejmowania ciepła jest duży (rzędu 1000000),
a temperatura świecy wynosi 3000 K.

Wykonujemy ok. 100 iteracji

Wyłączamy świece (przestawiamy radiator na
internal) i iterujemy dalej

Po 100 iteracjach przy wyłączonych

ś

wiecach

Zadanie dla studentów:

• Sprawdzić, przy jakiej minimalnej ilości iteracji spalanie
nie wygaśnie samoczynnie

• Poprawić przepływ w komorze spalania przez zmiany
położenia wlotu powietrza, zmiany prędkości przepływu
oraz blokowanie otworów.

• Można zmienić rodzaj paliwa.

• Zobaczyć jaki jest skład gazów na wylocie.