Determining the dependence of the consumption characteristics of the screw-centrifugal nozzle and spray angle on the minimum size of elements and setting

Full Text

Качество распыла жидкого топлива оказывает влияние на протекание процесса горения, а, следовательно, на основные характеристики камеры сгорания [1]. Поэтому, на этапе проектирования камер сгорания ГТД необходимо определять параметры топливных форсунок такие как расход топлива, угол распыла и других [1]. В данной работе представлены результаты отработки методики, основанной на методах вычислительной газовой динамики CFD в трехмерной постановке, позволяющей рассчитывать характеристики форсунок без проведения экспериментальных исследований. Предметом исследования в данной работе является топливная центробежная форсунка с трёхзаходным шнеком и диаметром сопла форсунки d_сопл.=350 мкм (рис. 1). Расчёты выполнены в трёхмерной нестационарной и стационарной постановках. Использовалась модель турбулентности k-omega [2]. В нестационарной постановке расчет проводился с переменным шагом по времени с условием сохранения числа Куранта [3], не превышающим единицу. На входе в расчётную область задавалось избыточное давление в диапазоне 0,5­­­­ ­– ­­­­­­10 кПа.

Для определения влияния размера элементов расчеты проводились с сеточными моделями с минимальными линейными размерами элемента (l_min), варьирующимися в пределах от 12,5 до 100 мкм. Измельчение сетки производилось во входных каналах, сопле, камере закручивания и области распыла. Минимальный размер достигался в последней, там, где образуется угол (рис. 2).

По данным расчетов построены графики, которые отображают зависимости расхода (рис. 3) и угла распыла топлива (рис. 4) от перепада давления при использовании сеток с различными размерами элемента.

Представленные на рисунке 3 данные показывают, что расхождение между расчетными и экспериментальными данными по расходной характеристике в среднем не превышают 2 % для всех исследуемых размеров элементов сетки.

 

Рис. 1. Геометрическая модель трехзаходной шнекоцентробежной форсункиа) – схема устройства форсунки, (1-пружина, 2-шнек, 3-сопло) б) – геометрическая модель проточной части внутри форсунки

 

Рис. 2. Расчётная сеточная модельа) lmin=100 мкм, б) lmin=55 мкм

 

Рис. 3. Изменение массового расхода от перепада давления в стационарной (а) и нестационарной постановках (б)

 

Рис. 4. Изменение угла распыла от перепада давления в стационарной (а)и нестационарной постановках (б)

 

Таблица 1

Среднеквадратичное отклонение результатов расчёта от данных эксперимента

lmin, мкм	Среднеквадратичное отклонение, град		Среднеарифметическая относительная погрешность, %
	стационарная  постановка	нестационарная постановка	стационарная постановка	нестационарная постановка
12,5	11,9	–	17,7	–
40	16,5	9,4	26,4	16,4
55	18,9	8,9	33,1	14,6
75	23,8	15,1	42,5	21,0
100	57,6	29,3	100,0	53,4

 

Максимальное расхождение соответствует наиболее высокому перепаду давления (ΔP=10 атмосфер) и равно 8%. Также показано, что результаты расчета расходов топлива в стационарной постановке относительно результатов при использовании нестационарной различаются не более чем на 0,5%. Таким образом для задач определения расходной характеристики форсунки можно использовать сеточную модель с относительно крупным размером элементов. Кроме этого, расчёты могут быть выполнены в стационарной постановке для уменьшения времени расчёта.

Получены результаты расчётов угла распыла топлива для разных сеток в зависимости от перепада давления.

В случае с углом распыла постановка задачи оказывает существенное влияние. Так, для l_min=100 мкм при использовании стационарной постановки угол не образуется, данное явление отображено на графике нулевыми значениями угла распыла. В итоге это приводит к большим отклонениям и погрешностям при использовании этой модели для расчета угла распыла и делает ее нерелевантной. При CFD расчете отклонение зависит от размера элементов, значения отклонений при разных l_min сведены в таблицы, где результаты использования CFD метода сравниваются с данными эксперимента.

Таким образом, на результаты расчета угла распыла топлива существенное влияние оказывает как постановка задачи, так и размер элемента в расчётной области. Видна общая тенденция повышения отклонения при переходе к стационарной постановке и увеличении размера элемента.

Использование адаптации

   Для уменьшения времени расчета использовалась динамическая адаптация расчетной сетки в области сопла форсунки. За счет ее использования было достигнуто семикратное уменьшение количества элементов в расчетной сетке, использующей адаптацию для получения l_min=12,5 мкм, по сравнению с сеткой, в которой данный размер был задан изначально. Адаптация проводилась по критерию, характеризующему поверхность раздела фаз – керосина и воздуха. На основе вышеизложенного можно сделать вывод о необходимости использования адаптации для оптимизации расчета, в случае необходимости малого минимального размера элемента.

Заключение

   В результате работы показано, что минимальный размер элемента и постановка задачи оказывают существенное влияние на результаты расчёта угла распыла топлива. Так, при переходе к нестационарной постановке расхождение получаемых значений углов распыла с экспериментальными данными уменьшается. Уменьшение минимального размера элементов приводит к увеличению углов, получаемых с помощью CFD. В то же время оба фактора не оказывают существенного влияния на расход топлива и для его расчёта могут быть использованы модели с меньшим количеством элементов и стационарная постановка для увеличения скорости расчёта. В связи с высоким расхождением результатов, полученных при использовании сеток с большим минимальным размером элементов, можно сделать вывод, что для определения угла распыла форсунки необходимо использовать сеточную модель с l_min меньше 75 мкм. Необходимо дальнейшее расширение исследуемой области размеров элементов для определения максимального l_min, после дальнейшего увеличения которого его влияние на расход становится ощутимым.

About the authors

Denis Vladimirovich Yakushkin

Samara University

Author for correspondence.
Email: fs_barsa@mail.ru

student III course

Russian Federation, 443086, Russia, Samara, Moskovskoye Shosse, 34

Vsevolod Vladimirovich Yastrebov

Samara University

Email: seva.yastrebov@yandex.ru

student III course of the Institute of Engine and Power Plant Engineering of the Samara University

Russian Federation, 443086, Russia, Samara, Moskovskoye Shosse, 34

Supplementary files