Тип публикации: отчёт о НИР
Год издания: 2022
Ключевые слова: Повышение эффективности энергетических технологий, камеры сгорания газотурбинных установок, турбулентность, горение топлива, гидроэнергетика, математическое моделирование, Rans, les, оптические методы исследования потоков, piv, LiF, управление с обратной связью, машинное обучение, нейронные сети, двухфазные течения
Аннотация: Проведена серия экспериментальных исследований по активному управлению течением за цилиндром со щелевым вдувом в корму цилиндра с использованием пульсирующей струи. Показано, что интегральное сопротивление изменяется при вариации давления, создающего пульсирующую струю и слабо зависит от частоты пульсаций. При постоянном вдуве наблПоказать полностьююдались снижение сопротивления по сравнению с пульсирующими режимами, вследствие большего расхода воздуха через щель при равных давлениях. Для исследования конфигурации течения применялся скоростной PIV и дальнейший корреляционный анализ изображений частиц для оценки мгновенных полей скорости в отрывной зоне за цилиндром. Hеализовано активное управление потоком при обтекании цилиндра на основе обратной связи по датчику термоанемометра, установленному в следе за цилиндром напротив щели. Поиск в пространстве функций выполнялся методом генетического программирования из класса эволюционных алгоритмов, где из поколения в поколение переходят наиболее приспособленные законы управления. Реализованный метод управления позволил снизить сопротивление на более чем 20%.?В ходе работы по проекту разработана модель обучаемой нейронной сети на базе архитектуры PWC-Net для оценки полей скорости по изображениям частиц. Представлены результаты оценки мгновенного поля скорости нейросетевым алгоритмом и алгоритмами оптического потока и точным, но медленным алгоритмом Dual TV L1.?На основе вихреразрешающего численного моделирования, верифицированного на основе экспериментальных данных проведен анализ влияния входных условий, закрутки потока и соотношения топлива-окислитель на распределение концентрации CO и NOx в ближней области модельной камеры сгорания. Показана эффективность снижения вредных выбросов и уменьшении пульсаций давления при подавлении естественных гидродинамических мод в модельной камере сгорания ГТУ при горении метана со значительным избытком воздуха и повышенном давлении на основе многомодового воздействия и применения машинного обучения, в том числе с использованием искусственных нейронных сетей. Для случаев наиболее эффективного управления проанализированы динамика потока и гидродинамические моды на основе панорамных оптических измерений и вихреразрешающего численного моделирования с использованием методов понижения размерности стохастических динамических систем. В результате получен научно-технический задел по интеллектуальному управлению смешением и горением в камерах сгорания реальных газовых турбин.?Реализована методика внесения азимутально-неравномерного акустического возмущения при помощи системы из четырёх динамиков с фазовым сдвигом сигнала для каждого динамика. Выполнена диагностика структуры факела распыла образца промышленно производимой центробежной форсунки при воздействии указанного возмущения в различных конфигурациях. Получены данные о распределении скорости капель в факеле распыла, геометрии факела и распределении относительной концентрации жидкости в факеле при воздействии азимутально неравномерного возмущения. Отмечается, что акустическое возмущение в исследованных условиях не оказывало существенного влияния на структуру факела и распределение скорости капель в нём. Отмечается определённое влияние возмущения на распределение концентрации жидкости и траекторию движения мелкой фракции распыла. В целом можно заключить, что в исследовавшихся конфигурациях влияние на спрей акустического возмущения является слабым, и проявляется только в осреднённых характеристиках.?Проведены экспериментальные исследования влияния параметров перегретого водяного пара, при сжигании газообразных (пропан-бутановая смесь) и жидких углеводородов (керосин) в условиях паровой газификации, на концентрацию токсичных продуктов сгорания (CO, NOx). Получено, что при подаче пара обеспечивается значительное снижение содержания монооксида углерода (в 1.7 раз для жидкого топлива и 1.6 раза для газообразного топлива) и оксидов азота в продуктах сгорания (в 2 раза для жидкого топлива и 1.8 раза для газообразного топлива) по сравнению с подачей вместо пара нагретого воздуха. Полученные результаты демонстрируют, что метод сжигания газообразных и жидких углеводородов в условиях паровой газификации оказывается предпочтительным для повышения экологических показателей. Предложенный способ сжигания топлива в струе водяного пара может быть использован при проектировании малоэмиссионных газотурбинных двигателей.?В данном разделе проекта проведено численное моделирование импульсной импактной газокапельной струи для различных форм импульсов (прямоугольная, синусоидальная и треугольная). Для описания динамики и теплопереноса нестационарного осесимметричного течения была использована система нестационарных осесимметричных осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье–Стокса. Для описания турбулентности газа будут использованы модель переноса компонент рейнольдсовых напряжений, записанная с учетом двухфазности потока. Динамика и теплообмен в газокапельном потоке моделировались в эйлеровом приближении. Были проведены работы по созданию и обобщению базы данных численных исследований для нестационарных одно- и двухфазных турбулентных импактных струй. Проведен комплекс экспериментальных исследований нестационарного теплообмена при натекании импульсного двухфазного водно-воздушного спрея на вертикальную теплообменную поверхность. Проведена вариация параметров спрея в широких пределах: длительности импульса подачи жидкой фазы, частоты следования импульсов и скорости спутного потока воздуха, а также перепадов давления на жидкостных и газовых форсунках. Все опыты проведены в режиме постоянной температуры поверхности в 70 градусов Цельсия. Установлено, что спутный поток воздуха оказывает существенное влияние на интенсификацию теплообмена за счет турбулизации пристенного течения, разрушения жидкой пленки и возврата капель жидкости, отраженных от поверхности. Индивидуальный вклад импактный струи воздуха в суммарный теплообмен не велик и на балансе тепловой энергии практически не сказывается.?Экспериментально продемонстрирована возможность расширения области существования волн возмущения и срыва капель в дисперсно-кольцевых потоках при помощи наложения низкочастотных пульсаций расхода жидкости. Осуществимо как уменьшение критических расходов жидкости при высоких скоростях газа, так и снижение критической скорости газа практически до нуля при высоких расходах жидкости.?Проведено исследование истечения струи, генерируемой струйным осциллятором, в щелевой канал. Результаты исследования показали, что при равных значениях высоты канала и ширины горловины выходного сопла истечение струи в щелевой канал сопровождается формированием крупномасштабных квазидвумерных вихревых структур на основной частоте работы струйного осциллятора. Впервые при помощи 3D PIV измерений обнаружены крупномасштабные продольные вихревые структуры. Показано, что динамика этих структур связана с меандрирующим характером течения струи и развитием крупномасштабных квазидвумерных вихревых структур. ?Получена экспериментальная база средних и турбулентных характеристик течения для кавитационного обтекания гидрокрыла при наложенных внешних согласованных возмущениях. Проведен анализ результатов всего комплекса экспериментальных данных, полученных для модифицированного и оригинального гидрокрыла. Показана эффективность подавления нестационарности и кавитации реализованным методом. Для экспериментальных данных и данных численного моделирования кавитации проведен анализ POD и спектральных характеристик кавитационного течения около гидропрофиля. ?Для задачи завесного охлаждения пластины проведена многопараметрическая оптимизация формы поверхности на основе метода сопряженных полей и вихреразрешающего численного моделирования для получения максимальной эффективности теплозащиты. Получены результаты моделирования влияния нестационарности входной концентрации частиц на пристенную аккумуляцию частиц в турбулентном течении в плоском канале.?