name: Метод расчета эмиссии канцерогенных полициклических ароматических углеводородов камерами сгорания авиационных газотурбинных двигателей
keyword_list: эмиссия ГТД суррогат керосина кинетическая модель горения керосина ПАУ бенз(а)пирен
abstract: Необходимость применения углеводородных топлив в транспортном секторе и энергетике сохранится ещё многие десятилетия, по этой причине, снижение выбросов канцерогенных полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) на этапе проектирования и совершенствования камер сгорания (КС) авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) является важной экологической и инженерной задачей.
  Целью диссертационной работы является повышение эффективности процессов проектирования малоэмиссионных камер сгорания авиационных ГТД путём разработки численного метода расчёта эмиссии канцерогенных углеводородов при сжигании авиационных топлив с использованием детальной химической кинетики. 
  Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи: 
  1.	Разработка и валидация численного метода расчёта выбросов канцерогенных ПАУ камерами сгорания авиационных ГТД.
  2.	Разработка новых блоков элементарных химических реакций и формирование расширенной кинетической модели для расчёта эмиссии канцерогенных ПАУ при сжигании суррогата авиационного керосина в КС ГТД.
  3.	Теоретическое исследование механизмов роста ПАУ и определение констант скоростей химических реакций для расширенной кинетической модели горения керосина в КС авиационных ГТД.
  4.	Расчётно-экспериментальное исследование характеристик горения углеводородов, используемых при разработке суррогатов авиационного керосина для валидации кинетических моделей горения керосина в КС ГТД.
  5.	Выбор компонентного состава суррогата авиационного керосина для прогнозирования эмиссии канцерогенных углеводородов камерами сгорания авиационных ГТД.
  В результате проведённого исследования решена важная научная задача, направленная на повышение эффективности проектирования малоэмиссионных КС ГТД и установок, сформулированы следующие основные результаты:
  1.	Разработан и валидирован метод расчёта эмиссии канцерогенных ПАУ камерами сгорания авиационных ГТД, основанный на комбинации расчётов газовой динамики в трёхмерной постановке и реакторного моделирования с использованием разработанной кинетической модели «А17». Разработанный численный метод позволяет определить эмиссию бенз(а)пирена как индикатора присутствия канцерогенных ПАУ в продуктах сгорания на этапе проектирования КС ГТД без применения полуэмпирических моделей и соответствующих ресурсоёмких экспериментов, с погрешностью не более 20%, что сопоставимо с погрешностью экспериментального определения ПАУ.
  2.	Для математического моделирования процессов горения керосина с образованием ПАУ в КС авиационных ГТД, разработана и валидирована кинетическая модель «А17» из 374 веществ и 2719 реакций, отличающаяся новыми блоками химических реакций и уточнёнными значениями кинетических данных.
  3.	Для уточнения кинетической модели образования ПАУ при горении суррогатов авиационных топлив, высокоточными методами компьютерной химии исследованы реакции образования ПАУ и окисления углеводородов. Получены новые значения скоростей реакций отрыва водорода радикалами горения от молекул бенз(а)пирена, хризена и изомеров ксилола. Исследованы два новых механизма роста ПАУ: димеризация ПАУ с образованием мостиковой «E-bridge» связи и НАСА преобразование пятичленного цикла. Определены скорости реакций кетена с радикалами ОН, СН2 и СН3. 
  4.	Для валидации кинетической модели горения авиационных топлив проведено расчётно-экспериментальное исследование нормальной скорости распространения пламени углеводородов, используемых при разработке суррогата авиационного керосина. Посредством экспериментального стенда HeatFlux с погрешностью ±1 см/с были определены зависимости скорости пламени н-декана, бензола, метилциклогексана и бутилциклогексана от состава топливовоздушной смеси. Вычисления с применением разработанной модели «А17» отклоняются от экспериментальных зависимостей не более чем на 15%, что говорит о возможности применения модели для описания горения авиационных топлив в КС ГТД. 
  5.	Исследованы и обобщены закономерности выбросов ПАУ от компонентного состава суррогата авиационного керосина. Для расчёта эмиссии канцерогенных ПАУ камерами сгорания авиационных ГТД, были выбраны и валидированы суррогаты UM1 и su4. 
  Научная новизна работы заключается в следующем:
  1.	Разработан новый метод расчёта эмиссии канцерогенных ПАУ камерами сгорания авиационных ГТД с использованием кинетической модели горения суррогата керосина, отличающейся новыми блоками элементарных химических реакций формирования ПАУ.
  2.	Создана новая кинетическая модель образования канцерогенных ПАУ из 374 веществ и 2719 химических реакций для математического моделирования процессов горения керосина в авиационных ГТД, отличающаяся новыми блоками химических реакций и константами скоростей реакций, полученных высокоточными методами квантовой химии.
  3.	Получены новые экспериментальные зависимости нормальной скорости распространения пламени н-декана, бензола, бутилциклогексана и метилциклогексана от состава топливовоздушной смеси для валидации кинетических моделей окисления суррогатов керосина, используемых при моделировании горения в КС авиационных ГТД.
  4.	Получены зависимости для выбросов канцерогенных ПАУ от компонентного состава суррогата авиационного керосина.
  Полученные результаты диссертационного исследования могут быть использованы при проектировании газотурбинных двигателей и установок на ПАО «ОДК ‒ Кузнецов» г. Самара, ПАО «ОДК‒Сатурн»  г. Рыбинск,  ПАО «ОДК-УМПО» г. Уфа, АО «КМПО» г. Казань, АО «ОДК-Авиадвигатель» г. Пермь  и других предприятиях авиационной промышленности.
  Перспектива дальнейшего развития темы состоит в совершенствовании кинетических моделей горения для прогнозирования эмиссии более крупных ПАУ и сажи, а также оптимизации метода для более быстрых и точных вычислений.
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: Академик
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: 55.42.03
rubrics.name: Теоретические и экспериментальные исследования. Моделирование двигателей
rubrics.code: 55.42.47
rubrics.name: Авиационные двигатели
rubrics.code: 55.42.42
rubrics.name: Реактивные и турбореактивные 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: Лукачев С.В.
supervisors.scientific_degree: Доктор технических наук
supervisors.speciality_code: Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов
supervisors.responsible_type: Научный руководитель
opponents.fio: Мингазов Б.Г.
opponents.scientific_degree: Доктор технических наук
opponents.speciality_code: Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов
opponents.responsible_type: Оппонент
opponents.fio: Тесля Д.Н.
opponents.scientific_degree: Кандидат технических наук
opponents.speciality_code: Военные науки
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