Представлены результаты численного моделирования рабочего процесса в универсальной камере сгорания для сжигания разнородных по составу и теплотворной способности нефтяных газов различных месторождений. В предложенной математической модели уравнения рабочего процесса рассмотрены с позиций законов сохранения массы, энергии и импульса. В исследуемой утилизационной камере реализуется турбулентный режим течения и горения, поэтому эффективные значения параметров переноса определяются с использованием модели турбулентности, в которой используется система двух нелинейных диффузионных уравнений - для массовой плотности турбулентной энергии и скорости диссипации турбулентной энергии.
Результаты численного моделирования получены с использованием программного пакета ANSYS Fluent. Достоверность результатов о моделирования зависит от способа задания граничных условий. Параметры процесса на входной границе (смесительная головка) зависят от типа и схемы расположения форсунок топливного газа и окислителя. На боковой поверхности используются граничные условия типа «стационарная стенка». На выходной границе камеры сгорания задаются граничные условия типа «истечение». Условия в плоскости истечения экстраполируются изнутри области расчета и не влияют на поток вверх по течению. Результаты численного моделирования представлены в виде полей и радиальных профилей в характерных сечениях по длине камеры сгорания. Выполнен подробный анализ скоростей, температур, коэффициентов избытка окислителя и концентрации наиболее коррозионно-активного диоксида серы в зонах горения и разбавления. Коэффициент избытка окислителя определен с помощью дополнительно разработанной программы. Концентрация диоксида серы определена с использованием параметров течения по ANSYS Fluent и результатов предварительно проведенных термохимических и термодинамических расчетов.
Полученные результаты численного моделирования позволили отказаться от принятой ранее концепции распределения вторичного воздуха по длине камеры сгорания. Показано, что подбором параметров подачи вторичного воздуха можно добиться расположения фронта пламени в центральной области камеры как по ее длине, так и по радиусу. Это снижает тепловые нагрузки на конструктивные элементы камеры сгорания и концентрацию серосодержащих соединений в пристеночной области и увеличивает ресурс ее работы.
Список литературы
1. Бачев Н.Л., Бетинская О.А., Бульбович Р.В. Численное моделирование рабочего процесса в камере сгорания для утилизации попутного нефтяного газа // Инженерно-физический журнал. – 2016. – Т. 89. – № 1. – С. 212–220.
2. Бетинская О.А., Бачев Н.Л., Бульбович Р.В. Трехмерная модель исследования рабочего процесса в камере сгорания для утилизации нефтяного газа // Нефтяное хозяйство. – 2015. – № 2. – С. 96–99.
3. Бачев Н.Л., Бетинская О.А., Бульбович Р.В. Стационарная трехмерная модель горения топливных газов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2015. – № 41. – С. 103–0119.
4. Разработка газотурбинной установки для утилизации нефтяного газа с выработкой электрической и тепловой энергии на малодебитных месторождениях / О.А. Зуева, Н.Л. Бачев, Р.В. Бульбович, А.М. Клещевников // Нефтяное хозяйство. – 2014. – № 1. – С. 98–101.
5. Лебединский Е.В., Калмыков Г.П., Мосолов С.В. Рабочие процессы в жидкостном ракетном двигателе и их моделирование / Под ред. А.С. Коротеева. – М.: Машиностроение, 2008. – 512 с.
6. Численное моделирование рабочего процесса в камере сгорания жидкостных ракетных двигателей с дожиганием генераторного газа при сверхкритических параметрах / Н.Л. Бачев, О.О. Матюнин, А.А. Козлов, Н.Ю. Бачева // Вестник МАИ. – 2011. – Т. 18. – № 2. – С. 108–116.
7. Программный комплекс ANSYS Fluent 15.0 2013. Руководство пользователя. – М.: Тесис, 2013. – 511 с.
