name: Гибридная методика определения характеристик распыла жидкого топлива центробежными форсунками камер сгорания авиационных ГТД
keyword_list: газотурбинный двигатель камера сгорания центробежные форсунки полуэмпирические методики моделирование двухфазных потоков эмиссия вредных веществ
abstract: Актуальность темы исследования.
  Загрязнение атмосферы Земли веществами, образованными вследствие сжигания углеводородного топлива, является одной из глобальных проблем человечества и в последние десятилетия жёстко регламентируется различными международными организациями (например, международной организацией гражданской авиации, ICAO). Рост интенсивности пассажирских и транспортных перелётов приводит к увеличению негативного воздействия на окружающую среду продуктов сгорания авиационных топлив, источником выбросов которых являются авиационные газотурбинные двигатели (ГТД). Узлом, отвечающим за образование вредных веществ, является камера сгорания (КС), так как именно в ней происходят процессы сгорания углеводородного топлива в двигателе.
  Для прогнозирования эмиссионных характеристик КС разработаны различные методики, самыми перспективными из которых являются численные методы моделирования. Важным фактором, влияющим на характеристики процессов горения, в том числе, образование загрязняющих веществ в КС, является распыл топлива, который в современных авиационных двигателях обеспечивается различными типами форсунок, в основном центробежными форсунками. Поэтому, при формировании математической модели рабочего процесса в камерах сгорания ГТД, необходимо достаточно точно определять граничные условия для моделирования процесса впрыска жидкого топлива в первичную зону КС, такие как: угол распыла, расходная характеристика, средний диаметр капель, начальная скорость движения капель и другие. Для определения параметров, характеризующих распыл жидкого топлива центробежными форсунками, обычно используют полуэмпирические методы. При этом границы применимости полуэмпирических методик, как правило ограничены теми параметрами режимов работы двигателя, форсуночных устройств и характеристик топлива, для которых они были разработаны. Поэтому полуэмпирические методики не являются универсальными и не охватывают все возможные конструктивные решения для центробежных топливных форсунок (ЦБТФ) и не учитывают изменения физических свойств топлив на различных эксплуатационных режимах. Параметры, характеризующие распыл топлива, можно получить экспериментально, но для проведения подобных исследований необходимо изготовить опытный образец форсуночного устройства и обеспечить необходимые стендовые условия проведения экспериментов, что связано с существенными материальными и временными затратами. Решение данной задачи возможно при использовании методов вычислительной газовой динамики (CFD) для расчёта течения жидкости внутри форсунки, формирования конуса топливного факела на выходе из её сопла и последующего распада плёнки жидкости на отдельные капли. Однако подобные модели требуют значительных вычислительных ресурсов, применяются в фундаментальных исследованиях и недоступны в инженерной практике. Рациональным выходом является применение гибридных методов, использующих при оптимальном сочетании преимущества CFD моделей и полуэмпирических соотношений. Поэтому, разработка гибридной методики расчёта характеристик центробежных форсунок является актуальной задачей.
  
  Степень разработанности темы. 
  В разработку методов определения характеристик распыла топлива существенный вклад внесли такие исследователи как: Н. Домбровски, Б. Раушенбах, Л. Витман, Ю. Хавкин, Ю. Дитякин, Г. Симмонс, А. Лефевр, Н.  Ризк, Г. Абрамович, Г. Коуто, В. Третьяков, А. Диденко, А. Сипатов, М. Халдер, C. Ким, C. Вэй, Ю. Куценко, Е. Строкач и другие. Н. Домбровски, Б.В. Раушенбах, Г. Абрамович, А. Лефевр, Г. Коуто и другие на основе исследования течения жидкости внутри форсунки и процессов распада струи (или плёнки) разработали первые полуэмпирические методики, позволяющие получать характеристики распыла топлива форсунками. Однако, разработанные методики имели ряд допущений, в частности, в них отсутствовал учёт гидравлических потерь в элементах форсунки. Ю. Дитякин, А. Диденко, С. Вэй и другие, развили полуэмпирические методики с учётом гидравлических потерь в элементах форсунки. Однако построенные на основе этих обобщений прогностические модели зависят от эмпирических коэффициентов, справедливых в сравнительно узком диапазоне режимных параметров и геометрических характеристик форсунок.Начиная с работ Т. Менарда, М. Геррмана, А. Сипатова, С. Сербина и других, были предложены методы численного моделирования процессов распада топливной струи для определения характеристик распыла. К сожалению, для центробежных форсунок, с учетом их разнообразия, не разработано верифицированных расчётных методик, работающих в широком диапазоне режимных и конструктивных параметров, а также учитывающих свойства используемой жидкости. В последнее время, активно ведутся работы по разработке гибридных методик определения характеристик распыла топлива, которые сочетают в себе численные и полуэмпирические методы. Такие методы предложены в работах Ю. Куценко, Т. Иноуэ, Е. Строкача, К. Баде и других. Несмотря на существование данных методов, их применимость в широком диапазоне режимных и конструктивных параметров центробежных форсунок до сих пор остаётся открытым вопросом.
  Цель работы: повышение эффективности проектирования камер сгорания авиационных ГТД за счет разработки и применения гибридной методики определения параметров, характеризующих распыл топлива, на основе численных методов трёхмерного моделирования двухфазных потоков и полуэмпирических методик расчёта центробежных форсунок.
  Задачи работы:
  1.	Экспериментальное исследование зависимостей коэффициента расхода сопла и угла факела распыла топлива от геометрических и режимных параметров центробежной форсунки, а также от свойств используемой жидкости.
  2.	Разработка и валидация алгоритма численного расчёта расходной характеристики, угла факела распыла и толщины топливной плёнки центробежной форсунки с использованием метода объёма жидкости (VOF).
  3.	Разработка и валидация гибридной методики расчёта среднего диаметра капель и распределения капель по размерам при распыливании топлива центробежными форсунками.
  4.	Расчётно-экспериментальное исследование эмиссионных характеристик модельной камеры сгорания и камеры сгорания в составе авиационного ГТД с использованием разработанной гибридной методики расчёта центробежных форсунок.
  Научная новизна:
  1. Новые экспериментальные данные о расходно-геометрических характеристиках распыла топлива центробежными форсунками камер сгорания авиационных ГТД в зависимости от геометрических и режимных параметров, а также от свойств используемой жидкости.
  2. Новая методика обработки экспериментальных данных, отличающаяся использованием современных методов распознавания изображений, позволяющая более информативно и точно проводить измерения угла факела распыла топлива.
  3. Новая гибридная методика, отличающаяся сочетанием методов моделирования двухфазных потоков внутри форсунки и полуэмпирических методик расчёта размеров капель в топливном факеле, позволяющая определять основные параметры, характеризующие распыл топлива центробежными форсунками, такие как: коэффициент расхода сопла, угол распыла первичного топливного факела, толщина топливной плёнки на срезе сопла, средний диаметр капель (D32), а также распределение капель по размерам и начальная скорость их движения.
  Теоретическая и практическая значимость работы.
  Теоретическая значимость работы заключается в определении зависимостей параметров распыла жидкого топлива от режимных и конструктивных параметров форсунок, а также свойств используемого топлива, и результатах определения параметров, характеризующих распыл при переходных режимах истечения топлива из центробежных форсунок.
  Практическая значимость работы заключается в возможности прогнозирования характеристик центробежных форсунок без проведения экспериментальных исследований, за счёт разработанной гибридной методики определения параметров, характеризующих распыл ЦБТФ, основанной на сочетании численных и полуэмпирических методов расчёта.
  Разработанная гибридная методика расчёта параметров, характеризующих распыл авиационного топлива позволяет улучшить прогностическую способность при моделировании процессов горения в камерах сгорания авиационных двигателей, что существенно повышает эффективность проектирования или доводки камер сгорания газотурбинных двигателей.
  Результаты диссертации нашли практическое применение при выполнении исследований в рамках договора с АО «ОДК» «Гибридная методика расчёта параметров распыла авиационного топлива в камерах сгорания ГТД» по договору №1700-06-20-026424 от 17 марта 2020 г. о предоставлении научной стипендии на выполнение работы соответствующей перечню перспективных технологий, определённых Стратегией развития АО «ОДК».
  Результаты диссертации также используются в рамках решения одной из задач гранта Российского научного фонда № 21–19–00876 «Разработка моделей нагрева и испарения капель суррогатов керосина».
chairman_dissertation_council.name: Евгений
chairman_dissertation_council.surname: Шахматов
chairman_dissertation_council.patronymic: Владимирович
chairman_dissertation_council.position: Научный руководитель Самарского университета
chairman_dissertation_council.degree: Доктор технических наук
chairman_dissertation_council.rank: Член-корреспондент РАН
chairman_dissertation_council.wos_research_id: R-1716-2017
chairman_dissertation_council.scopus_author_id: 7801406193
chairman_dissertation_council.rinc_id: 108744
chairman_dissertation_council.url: https://ssau.ru/
chairman_dissertation_council.orcid: 0000-0001-8001-2324
chairman_dissertation_council.territory: РОССИЯ
organization_supervisor.name: Владимир
organization_supervisor.surname: Богатырев
organization_supervisor.patronymic: Дмитриевич
organization_supervisor.position: ректор
organization_supervisor.territory: РОССИЯ
rubrics.code: 55.42.47
rubrics.name: Авиационные двигатели
oecds.code: 02.03.AI
oecds.name: ENGINEERING, AEROSPACE
speciality_codes.name: Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов
speciality_codes.code: 05.07.05
supervisors.fio: Матвеев С.Г.
supervisors.scientific_degree: Кандидат технических наук
supervisors.speciality_code: Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов
supervisors.responsible_type: Научный руководитель
opponents.fio: Бакланов А.В.
opponents.scientific_degree: Кандидат технических наук
opponents.speciality_code: Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов
opponents.responsible_type: Оппонент
opponents.fio: Шайкин А.П.
opponents.scientific_degree: Доктор технических наук
opponents.speciality_code: Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов
opponents.responsible_type: Оппонент
protection_organization.short_name: САМАРСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
protection_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "САМАРСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С.П.КОРОЛЕВА"
protection_organization.ogrn: 1026301168310
protection_organization.supervisor_name: ВЛАДИМИР
protection_organization.supervisor_surname: БОГАТЫРЕВ
protection_organization.supervisor_patronymic: ДМИТРИЕВИЧ
protection_organization.organization_type: Организация
protection_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
protection_organization.okopf: Федеральные государственные автономные учреждения
author_organization.short_name: САМАРСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
author_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "САМАРСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С.П.КОРОЛЕВА"
author_organization.ogrn: 1026301168310
author_organization.supervisor_name: ВЛАДИМИР
author_organization.supervisor_surname: БОГАТЫРЕВ
author_organization.supervisor_patronymic: ДМИТРИЕВИЧ
author_organization.organization_type: Организация
author_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
author_organization.okopf: Федеральные государственные автономные учреждения