Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе выполнения этапа проекта было проведено расчетно-экспериментальное исследование нормальной скорости распространения пламени метановоздушной смеси, обогащённой водородом и/или разбавленной паром при атмосферном давлении и начальной температуре смеси 300 и 330 К. Определение нормальной скорости распространения пламени производилось методом нулевого теплового потока (Heat Flux). Скорость распространения пламени метана, обогащённого водородом, определялась при атмосферном давлении и T=300 К в диапазоне изменения коэффициента избытка топлива ϕ = 0,7-1,4. Объёмная доля водорода в топливе составляла 0,25 и 0,35. Добавка водорода до 35% по объёму увеличивает скорость пламени на 35%, что улучшает стабилизацию пламени. Однако, при этом происходит повышение температуры во фронте пламени, а в следствии чего и повышение NOx. Для уменьшения выбросов NOx, топливовоздушную смесь разбавляют водяным паром. Скорость пламени метана, разбавленного водяным паром, измерялась при атмосферном давлении, ϕ = 1 и температурах T=300 и T=330 K. Объёмная доля водяного пара в ТВС изменялась в пределах 0…2,3% при T=300 К и 0…1,1% при T=330 К. Диапазон был ограничен величиной давления насыщенного водяного пара при данных температурах. Пламя метана, одновременно разбавленного парами воды и обогащенного водородом, исследовалось в диапазоне ϕ = 0,7-1,4 при температуре T=330 К. Объемная доля водяного пара в суммарном потоке изменялась в пределах 0-15%. Объёмная доля водорода в топливе составляла 35%. С увеличением концентрации пара наблюдалось линейное снижение скорости пламени метановоздушной смеси. Динамика снижения скорости пламени при разбавлении водяным паром не зависит от степени обогащения водородом. Добавка 15% водяного пара в метановоздушную смесь, обогащённую водородом, приводит к снижению нормальной скорости распространения пламени стехиометрических смесей в два раза. Предложены рекомендации по использованию кинетических механизмов для моделирования пламени метановоздушной смеси при её обогащении водородом и разбавлении водяным паром. Полученные экспериментальные данные сравнивались с прогнозами трех кинетических моделей. В целом, все модели показывают хорошую сходимость с экспериментальными данными, поэтому любая из них может быть использована для описания горения метановоздушных смесей, обогащённых водородом и разбавленных водяным паром. Наиболее точные результаты были достигнуты при использовании модели NuigMech. В тоже время, при небольшой потере в точности, можно использовать модель Wang, которая ввиду меньшей детализации позволит проводить более быстрые вычисления, что является значимым при моделировании в программах CFD. Также в рамках этапа были проанализированы 20 кинетических моделей горения, составлена база кинетических моделей горения метана, обогащенного водородом. Модели Aramco, А. Коннова 2018, а также механизмы FFCM 1.0 и CaltechMech могут быть успешно применены для моделирования горения метановодородных топливных смесей, однако для прогнозирования концентраций оксидов азота эти модели должны быть расширены, что планируется выполнить на следующем этапе проекта. При реализации этапа проекта были получены зависимости концентраций оксидов азота в продуктах сгорания от доли добавки водорода в топливо были получены на экспериментальной установке HeatFlux. Пламя модельной горелки имеет вид плоского стабилизированного диска. Газовый анализ осуществлялся проточным газоанализатором MGA5plus, с измерительной системой на основе ИК сенсоров повышенной точности и стабильности. Погрешность экспериментального определения концентраций оценивается в +/- 2 ppm. Разрешение проводимых измерений составляет 0,1 ppm. Для оценки эффективности анализатора и его настройки был воспроизведён эксперимент Coppens [35] и проведены измерения для других составов. Содержание водорода в топливе варьировалось от 0% до 35%. Концентрации оксидов азота измерены на фиксированном расстоянии от плиты горелки (10,15,20мм). Коэффициент избытка топлива ϕ = 0,7…1.5. Полученные результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными других авторов. В бедном пламени обогащение водородом мало влияет на NO, в то время как в богатом пламени концентрация оксида азота значительно снижаются. Новое измерительное оборудование - газоанализатор MGA5plus хорошо воспроизводит опубликованные измерения с использованием хемилюсцентного анализатора. Работа предоставляет новые значения для валидации кинетических моделей и подтверждает ранее опубликованные данные. Также в ходе выполнения этапа проекта на модельной одногорелочной камере сгорания, были определены режимы срыва и проскока пламени при различном содержании водорода в предварительно подготовленной метановодородной смеси. Полученные экспериментальные данные использованы для верификации методики численного определения режимов устойчивого горения, которая задействует вычисления нормальной скорости распространения пламени и данные выбранной кинетической модели. Представленная в работе методика в сочетании с моделью Wang с удовлетворительной точностью предсказывает границы срыва (расхождения до 20%) и проскока пламени (расхождение до 10%) вверх по потоку, и может использоваться для определения границ устойчивой работы газотурбинных установок при их переводе на водородосодержащие топлива. На другой модельной камере сгорания были проведены расчетно-экспериментальное исследование концентраций продуктов сгорания и эмиссии вредных веществ при горении предварительно подготовленных метановодородных смесей. Горелочное устройство камеры сгорания использовалось в двух компоновках — с кварцевым насадком и жаровой трубой. В компоновке с кварцевой трубой проводилась фото и видеофиксация на камеру Nikon D5300 для определения границ бедного срыва пламени. Содержание вредных веществ CО2, NОx и т. д. определялось путем отбора проб с последующим анализом в компоновке горелочного устройства с жаровой трубой. Отбор проб для определения состава продуктов сгорания осуществлялся с помощью интегрального охлаждаемого пробоотборника и мобильного высокоточного газового анализатора MGA5plus, достоверность показаний которого, были определены в рамках решения второй задачи проекта. Газодинамический расчет выполнен в трехмерной постановке в программе ANSYS Fluent с использованием RSM модели турбулентности и FGM модели горения, настроенной с применением кинетического механизма Wang . Дополнительно выполнено кинетическое моделирование в ANSYS Fluent c помощью модели Wang в подходе сетей химических реакторов RNM (Reactor network model, он же CRN - chemical reactor network). Используемая кинетическая модель показала хорошее качественное и количественное согласование расчетных и экспериментальных данных по основным продуктам сгорания, а также качественное согласование по эмиссии вредных веществ. Таким образом, использованные модели могут быть использованы для анализа эмиссионных характеристик разрабатываемых камер сгорания газотурбинных установок, предназначенных для работы на водородосодержащих смесях.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В ходе выполнения этапа проекта, ранее сформированная база кинетических моделей из 23 источников была дополнена материалами последних работ Hu и Yin, где были актуализированы данные о реакциях аммиака и других азотистых соединений. Также была добавлена новая версия модели NUIG 1.3 из работы Zhu, где уточнялись реакции значимые для описания пламени пропана. Различие результатов при моделировании пламени водорода послужило поводом для тщательного анализа задействуемых кинетических данных. Результаты исследования показывают, что только последние модели Коннова и NUIG используют актуальные коэффициенты из работы Джаспера и Миллера для описания межмолекулярных взаимодействий (модели переноса). Для сравнительного анализа кинетических данных передовых моделей горения был сформирован код на Python, включающий наборы команд для записи наиболее значимых реакций и соответствующих констант скоростей из результатов анализа чувствительности, выполненного в Chemkin для конкретной задачи. Следующий скрипт сопоставляет сделанные записи для различных моделей и представляет графики анализа чувствительности и констант скоростей реакций для сравнительного анализа моделей. Результаты анализа чувствительности, совместно с обзором литературных источников позволяют составить списки ключевых реакций для формирования NO. Однако, выявленные константы скорости реакций, отличные от известных экспериментов, послужили причиной для отказа от формирования новых моделей за счёт слияния данных. По этой причине, в качестве основных моделей для исследования были выбраны модели Коннова, NUIG и актуализированная модель Wang, после чего проводились модификации отдельных кинетических данных, представленных на примере модели Wang. Результаты проведённого анализа чувствительности реакций модели Wang2018 для концентраций оксидов азота выявили 9 наиболее значимых реакций для стехиометрической предварительно подготовленной смеси водорода с воздухом при атмосферном давлении и температуре 300 К. Были рассмотрены и проанализированы константы скорости реакций, наиболее сильно влияющих на вычисления концентраций оксидов азота пламени водорода: H2 + OH = H2O + H, (3.1) H + O2 = OH + O, (3.2) H + HO2 = OH + OH, (3.3) O2+H (+M) = HO2(+M), (3.4) O + H2 = OH + H (3.5) H2O+M = H+OH+M, (3.6) 2H2O = H+H2O+OH, (3.7) HO2 + OH= H2O + O2, (3.8) H+ HO2 = H2 + O2, (3.9) Далее проведен более детальный анализ и совершенствование базового кинетического механизма с использованием достигнутых к настоящему времени результатов по уточнению констант элементарных химических реакций, входящих в кинетические схемы окисления метано-водородных топлив. Применение в кинетическом механизме Wang2018 новых выражений для скоростей реакций (3.1) – (3.9), в большинстве случаев, ведёт к увеличению точности моделирований концентраций NO, но, делает результаты моделирования завышенными. Основной причиной завышенных результатов можно предположить отсутствие в модели Wang2018 серии тримолекулярных реакций: H+O2+H=H2+O2, (3.10) H+O2+H=OH+OH, (3.11) H+O2+O=OH+O2, (3.12) H+O2+OH=H2O+O2, (3.13) Которые могут играть существенную роль в моделировании NO. Скорости данных реакций были приняты из модели Konnov2019. Также из модели Konnov2019 были приняты выражения для уточнения констант скоростей реакций (3.14) и (3.15): H2O2+H=H2O+OH, (3.14) OH+OH=H2O+O, (3.15) А выражение скорости значимой реакции для богатых водородных смесей: O+HO2=O2+OH, (3.16) принято из работы Yang (2021 г.). Учёт данных выражений (3.10) – (3.13), а также уточнение констант скоростей реакций для (3.14) – (3.16) уменьшают расчетные значения NO примерно на 4 – 10%, что значительно улучшает достоверность расчетов при использовании предпочтительных выражений для (3.1) – (3.9) в механизме Wang2018. В рамках реализации поставленных задач по расчетно-экспериментальному исследованию характеристик турбулентности и горения традиционных и альтернативных видов топлива были выполнены расчётно-экспериментальные исследования образования NOx при горении водорода в модельной камере сгорания с кластерным микрофакельным горелочным устройством [1]; исследование влияния значений нормальной скорости распространения пламени на результаты расчёта границы бедного срыва пламени при горении метан-водородных смесей [2], расчетно-экспериментальное исследование проскока пламени на модельном горелочном устройстве в закрученном потоке при горении метано-водородных смесей с различной долей содержания водорода [3] и исследование влияния концепции ведущих точек при моделировании фронта пламени в камерах сгорания в трехмерной постановке. В рамках выполненных работы было проведено расчетно-экспериментальное исследование характеристик турбулентности и горения традиционных и альтернативных видов топлива, в том числе с закруткой потока, на модельных установках. Определены границы применимости существующих моделей горения для различных режимов турбулентного горения. Рассмотрено моделирование, основанное на совместном использовании моделей TFC или FSC, flamelet и presumed PDF. Для предсказания значительного увеличения скорости турбулентного горения в бедных водородосодержащих смесях из-за эффектов избирательной диффузии была исследована концепция лидирующих точек. Также исследовано влияние нормальной скорости распространения метано-водородного пламени на характеристики устойчивости пламени. В соответствии с поставленными задачами исследования и необходимостью валидации разрабатываемых методик численного моделирования границ проскока пламени в камерах сгорания ГТД и ГТУ при использовании метано-водородного топлива в рамках данной работы модернизирован стенд научно-образовательного центра газодинамических исследований Самарского университета им. Королева. В ходе работ было проведено расчетно-экспериментальное исследование границ проскока пламени при использовании метано-водородного топлива в горелочном устройстве с предварительной подготовкой ТВС и закруткой потока. Полученные результаты показывают, что при проведении расчетов в RANS постановке с использованием базовых алгоритмов, заложенных в стандартных коммерческих программных продуктах (Ansys Fluent и др.), полученные значения αпроскока отличаются от экспериментальных данных на 40% во всем диапазоне добавок водорода. Эти результаты не могут являться приемлемыми даже для предварительных инженерных расчетов. Модернизация математической модели с учетом использования разработанных зависимостей для скорости пламени SL = f (ϕ, Pk, Tk) позволяет в два раза сократить отклонение от эксперимента (до 20%). Проскок пламени является нестационарным явлением и чувствителен к крупномасштабным пульсациям турбулентного потока, которые не описываются в стационарных подходах (RANS). Поэтому, для адекватного описания нестационарных явлений должен использоваться метод моделирования крупных вихрей (LES. Погрешность данного метода при использовании разработанных зависимостей для скорости пламени дает отклонение не более 5%. Разработанная методика определения границ проскока пламени была апробирована с целью выработки рекомендаций по возможности использования метано-водородных топлив с различным содержанием H2 в смеси в реальных камерах сгорания газотурбинных двигателей и энергетических установок без риска возникновения проскока пламени в горелочное устройство. Исследования проведены на модельной камере сгорания, которая является прототипом используемых малоэмиссионных камер сгорания с предварительной подготовкой смеси в перспективных авиационных газотурбинных двигателях и энергетических установках. 1 Гураков Н.И. Расчётно-экспериментальное исследование образования NOx при горении водорода в модельной камере сгорания с кластерным микрофакельным горелочным устройством / Н.И. Гураков, О.В. Коломзаров, В.Ю. Абрашкин, С.С. Матвеев, С.Г. Матвеев, Н.И. Фокин, Д.С. Тарасов // Физика горения и взрыва — 2024. — т.60 — №4. 2 Гураков Н.И. Исследование влияния значений нормальной скорости распространения пламени на результаты расчёта границы бедного срыва пламени при горении метан-водородных смесей / Н.И. Гураков, Д.В. Идрисов, С.В. Лукачев, А.А. Кузнецова, С.С. Матвеев // Краткие сообщения по физике 3 Идрисов Д.В. Расчетно-экспериментальное определение границ проскока пламени при использовании метановодородного топлива в камерах сгорания газотурбинных двигателей и энергетических установок / Д.В. Идрисов, С.С. Матвеев, Н.И. Гураков, А.А. Литарова, О.В. Коломзаров, А.С. Савченкова, А.Д. Попов // Физика горения и взрыва — 2024. — т.60 — №4.