Тип публикации: статья из журнала
Год издания: 2025
Идентификатор DOI: 10.31772/2712-8970-2025-26-4-518-531
Ключевые слова: vortex burner, methane-hydrogen mixture, flame, mathematical modeling, turbulence, combustion model, kinetic response mechanism, вихревая горелка, метано-водородная смесь, пламя, математическое моделирование, турбулентность, модель горения, кинетический механизм реагирования
Аннотация: The article devoted to the development of a mathematical model and the calculation of a methane-hydrogen flame generated by a vortex burner. The combustion products of hydrocarbon fuels, used in energy and transportation facilities, are the main source of greenhouse gas emissions, leading to increased ambient temperatures and globaПоказать полностьюl climate change. Therefore, there has been a recent focus on reducing carbon dioxide emissions from aircraft gas turbine engines and industrial gas turbines. The use of methane-hydrogen fuel can significantly reduce CO2 emissions, but it also leads to changes in combustion modes. There is an increase in flame temperature and propagation speed, which can lead to increased NOx emissions and burnout of installation elements. Therefore, when designing combustion devices and chambers, it is important to study the various combustion modes of methane-hydrogen flames in detail. Computational fluid dynamics methods are widely used to solve these problems, but mathematical models of combustion for methane-hydrogen fuels in relation to vortex flames are still not fully developed. To optimize the design and operation of burner devices, it is necessary to conduct complex mathematical modeling of aerodynamic, heat, and mass transfer processes and combustion. This article describes models for these processes, which were justified and selected based on previous research by the authors for different types of flames. It also presents a mathematical model for calculating swirling methane-hydrogen flames using the vortex-resolving large-eddy simulation (LES) model to describe turbulence. Additionally, the article discusses FGM combustion models with a kinetic reaction mechanism developed at the Institute of Chemical Kinetics and Combustion SB RAS, as well as a discrete ordinate radiation transfer model. A comparison of the calculation results with experimental data obtained by the German Aerospace Research and Technology Center (DLR) showed that the selected mathematical models of turbulent aerodynamics, heat and mass transfer, and chemical reaction processes, as well as the calculation algorithms, make it possible to simulate, with sufficient accuracy for engineering practice, the combustion of methane-hydrogen mixtures in swirling flows formed by vortex burners, which are widely used in the combustion chambers of gas turbines. The computational resources required for such calculations are reasonably acceptable when using available cluster systems. Статья посвящена разработке математической модели и расчету метано-водородного пламени, формируемого вихревым горелочным устройством. Выбрасываемые в атмосферу продукты сгорания углеводородных топлив, используемых в энергетических и транспортных установках, являются основным источником парниковых газов, приводящих к повышению температуры окружающей среды, что ведет к глобальному изменению климата на Земле. В связи с этим в последнее время в мире уделяется большое внимание вопросу снижения выбросов углекислого газа авиационными газотурбинными двигателями и промышленными газотурбинными установками. Использование метано-водородного топлива позволяет в разы снизить эмиссию СО2 в атмосферу, однако при этом существенно меняются режимы горения, происходит возрастание температуры во фронте пламени и увеличение скорости его распространения, что увеличивает выбросы NOx и может привести к прогару элементов установки. Поэтому при разработке горелочных устройств и камер сгорания необходимо детальное исследование различных режимов горения метано-водородных пламен. В последние годы для решения задач горения широко используются методы вычислительной гидродинамики. Однако в настоящее время математические модели горения метано-водородного топлива применительно к вихревым пламенам, реализуемым в камерах сгорания, недостаточно верифицированы. Для оптимизации конструкции и режимов работы горелочных устройств необходимо выполнение комплексного математического моделирования процессов аэродинамики, тепломассообмена и горения. В статье описаны модели этих процессов, обоснованные и выбранные на базе результатов предыдущих исследований авторов для различных типов пламен. Представлена математическая модель для расчета закрученных метано-водородных пламен, основанная на использовании вихреразрешающей LES модели для описания турбулентности, FGM модели горения с кинетическим механизмом реагирования, предложенным в Институте химической кинетики и горения СО РАН, дискретно-ординатной модели радиационного переноса. Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными, полученными немецким центром аэрокосмических исследований и технологий (DLR), показало, что выбранные математические модели процессов турбулентной аэродинамики, тепломассообмена и химического реагирования, а также алгоритмы расчета позволяют с достаточной для инженерной практики точностью моделировать горение метано-водородных смесей в закрученных потоках, формируемых вихревыми горелочными устройствами, широко используемыми в камерах сгорания газотурбинных установок. Вычислительные затраты, необходимые для проведения подобных расчетов, являются относительно приемлемыми при использовании доступных кластерных систем.
Журнал: Сибирский аэрокосмический журнал
Выпуск журнала: Т. 26, № 4
Номера страниц: 518-531
ISSN журнала: 27128970
Место издания: Красноярск
Издатель: Сибирский государственный университет науки и технологий им. акад. М.Ф. Решетнева