EXPERIMENTÁLNÍ A NUMERICKÝ VÝZKUM SPALOVACÍ KOMORY

Transkript

1 10 th conference on Power System Engineering, Thermodynamics & Fluid Flow - ES 2011 June 16-17, 2011, Pilsen, Czech Republic EXPERIMENTÁLNÍ A NUMERICKÝ VÝZKUM SPALOVACÍ KOMORY TŮMA Jan, KUBATA Jan, BĚTÁK Vojtěch Research of small Combustion chamber by numerical and experimental method. Termocolor was used for temperature mesurements of combustion chambers walls. CFD numerical RANS simulation of flow combustion was made by OpenFOAM solvers. Klíčová slova: teplocitlivá barva, spalovací komora, plamenec, OpenFOAM, C(P)DT Úvod V rámci plnění projektu: FT-TA5/073, "Výzkum nové koncepce spalovací komory C(P)DT", bylo cílem navrhnout spalovací komoru, tak aby svými vlastnostmi vyhovovala současným nárokům. Hlavními požadavky jsou nízké emise NOx a CO, dobrý pracovní rozsah-stabilita hoření, tlakový poměr > 0,94 a levná konstrukce. Měření teploty stěny plamence spalovací komory pomocí teplocitlivé barvy spolu s dalšími experimenty a numerickými simulacemi dává hlubší pochopení procesů uvnitř komory. Tyto znalosti jsou neocenitelné pro návrh a optimalizaci chlazení plamence. Obr. 1: experimentální systém segmentu komory C(P)DT 1

2 TŮMA Jan, KUBATA Jan, BĚTÁK Vojtěch 2. Teplocitlivá barva Teplocitlivá barva je založena na silikonové pryskyřici a mění barvu podle teploty podkladového materiálu. Tloušťka nanesené vrstvy by měla být přibližně 2 až 25 μm, před použitím se barva musí po dobu jedné hodiny vypalovat při teplotě 220 C. U předchozích zkoušek s teplocitlivou barvou jsme zaznamenali rozdíly teplotních rozsahů oproti hodnotám udávaných výrobcem. Pomocí laboratorního kahanu a termočlánků byl po sérii měření stanoven nový rozsah teplot pro jednotlivé barvy. Tmavě modrá barva se na zkušebních vzorcích vůbec neobjevila a pro objevení lesklé černé nebyla (pomocí laboratorního kahanu) dosažena potřebná teplota. 3. Zkouška na plamenci Teplocitlivá barva byla dále použita u zkoušky na segmentu spalovací komory C(P)DT JETIS. Na následujícím obrázku je vidět segment 1/12 plamence spalovací komory složené ze tří pro názornost barevně rozlišených částí. Experimentální komora je složena celkem ze tří trysek s tím, že měřená je pouze střední a dvě okrajové trysky simulují okrajové podmínky zkoušenému segmentu jako je v reálné zkušební komoře. Na vnější stěny celého plamence byla nanesena barva (Therm-O-Signal 7 H 42) a po vypálení barvy (220 C po dobu jedné hodiny) bylo provedeno měření teploty stěny na zkušebním zařízení. Obr. 2: segment plamence komory C(P)DT; zelená-horní část, fialová čelo, modrá spodní část plamence 2

3 Experimentální a numerický vývoj spalovací komory Obr. 3: spodní a horní část plamence se zkušebním vzorkem Obr. 4: čelo plamence se zkušebním vzorkem Po předchozích zkouškách teplocitlivé barvy TSP na testovacích vzorcích a na segmentu plamence byla provedena zkouška celé prstencové spalovací komory C(P)DT JETIS v demonstračním motoru TJ100CPDT. 3

4 TŮMA Jan, KUBATA Jan, BĚTÁK Vojtěch 4. Numerická simulace Numerické simulace dávají možnost relativně rychle namodelovat řadu variant řešeného problému. Získat detailní informace o průběhu proudění a dalších parametrech (koncentrace látek, pozice plamene, atd.). Porovnáním výsledků jednotlivých variant lze vybrat tu, která co nejlépe splňuje požadovaná kritéria (stabilita hoření v celé pracovním rozsahu a zároveň produkce minimálních emisí NOx a CO). Pro výpočet úloh se spalováním je nutné použít stlačitelnou formulaci Navier-Stokesových rovnic. Jako turbulentní model byl zvolen k-omegasst, který dává v oblasti spalování lepší výsledky než modely k-epsilon. Všechny vztahy a modely lze nalézt v řešiči dieselfoam, který je součástí balíčku Open-Source CFD kódů OpenFOAM. V řešených úlohách můžeme najít pouze okrajové podmínky typu stěna, rovina symetrie a obecná okrajová podmínka. Obr. 5: příklad použité strukturované výpočetní sítě Obr. 6: rozložení teplotního pole v řezu přes trysku 4

5 Experimentální a numerický vývoj spalovací komory Obr. 7: teplotní pole v rovině vstupu laserového listu pro měření PIV a PLIF Obr. 8: izoplochy teplotního pole s kapičkami paliva Závěr Při zkoušce segmentu spalovací komory C(P)DT byla na jeho plamenec nanesena teplocitlivá barva. Po expozici při provozních teplotách barva reagovala a na povrchu vznikly barevné mapy, jež dávají lepší představu o rozložení teplot na stěnách plamence. Znalost teplot na stěně (spolu s dalšími experimentálními měřeními a numerickými simulacemi) umožňuje lépe pochopit procesy uvnitř komory a pomáhá při hledání nového konstrukčního uspořádání spalovací komory C(P)DT. Současně lze znalost rozložení teplot použít pro přesnější nastavení okrajových podmínek numerických výpočtů. 5

6 TŮMA Jan, KUBATA Jan, BĚTÁK Vojtěch Stabilita a rychlost CFD výpočtu je značně závislá na kvalitě použité výpočtové sítě, kdy rozhodujícím faktorem je objem buňky, poměr objemů dvou sousedních buněk, velikost buněk u stěny a typ algoritmu pro rozklad oblasti pro paralelní výpočet. Z toho důvodu je nutné se zaměřit na vhodnou optimalizaci sítě pro rychlost a stabilitu výpočtu na dostupných zdrojích hardwaru. Při použití velkých objemů nebo při velkých poměrech objemů sousedních buněk může dojít k destabilizaci produkčních členů v rovnici pro entalpii, která se projeví pádem výpočtu z důvodu překročení mezí v termofyzikálním modelu. Tuto chybu lze odstranit opětovným spuštěním výpočtu nebo snížením Courantova čísla. Dále tyto parametry ovlivňují stabilitu dispersního modelu při modelování kapiček kapalného paliva, kdy vedou k jeho značné nestabilitě a nutnosti tento model vypnout. Celková konstrukce sítě (objem buněk, velikost buněk u stěny, ) může ovlivnit model kapek tak, že dojde ke vzniku singulárních bodů a k zacyklení modelu. Tento problém lze odstranit dočasným zvýšením časového kroku a přeskočením kritického místa v síti. Velikost buňky u stěny může ovlivnit výpočet proudového pole. Dalším parametrem ovlivňující rychlost výpočtu je volba rozkladu výpočtové oblasti. Při použití algoritmů pro automatický rozklad oblasti může dojít k nevhodnému rozkladu, kdy v jedné oblasti může dojít k řešení velkého počtu kapek z celkového počtu vyskytujícího se ve výpočtové oblasti. Je proto nutné zvolit lepší metodu rozkladu oblasti tak, aby řešení probíhalo na stejnoměrně na všech procesorech. Po doladění výpočtové sítě podle předchozích předpokladů by mělo dojít ke zvýšení stability výpočtu a i ke zvýšení Courantova čísla ze současných 0,1-0,2 na 0,4-0,6. Na provedených simulacích bylo ukázáno, že použitý model chemie a termofyzikálních vlastností paliva byl vhodně zvolen, ale bylo by vhodné vyhledat alternativní model pro spalování kapalného paliva a srovnat jej se současným modelem. Pro další práce na vývoji modelů pro simulaci kapalného paliva by bylo vhodné zvážit přepis rovnic pro chemii, pohyb kapek a jejich vypařování z Lagrangeova do Eulerova tvaru. Literatura FEDINA, E., FURBEY, CH. CFD Calculations of CESAR Small-Sized Combustion Chamber, Swedish Defence Poděkování OpenFOAM: User Guide, 2010 OpenFOAM: Programmer Guide, 2010 Tento projekt byl realizován za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu Ing. Tůma Jan, VZLU a.s., Beranových 130, Praha, tuma@vzlu.cz Ing. KUBATA Jan, VZLU a.s., Beranových 130, Praha, kubata@vzlu.cz Ing. BĚTÁK Vojtěch, VZLU a.s., Beranových 130, Praha 6