Для многих из нас турбулентность – неприятное явление, которое сопровождается тряской самолета. Она возникает, когда потоки воздуха хаотично завихряются вместо того, чтобы двигаться прямо. Но если заглянуть внутрь авиадвигателя, то окажется, что такой же процесс может быть полезным и даже необходимым для самолета. Турбулентные завихрения, возникающие внутри камеры сгорания, активно перемешивают кислород с топливом, что увеличивает скорость реакции горения и делает полет стабильным и безопасным. Математическое моделирование всех этих процессов позволяет предсказать поведение материалов при высоких температурах и давлениях, а также повысить эффективность использования топлива. Ученые Пермского Политеха выяснили, какой показатель турбулентности нужно использовать для корректного моделирования горения. От точных расчетов зависит качественная оценка работы двигателя и выявление его неисправностей.

Исследование опубликовано в журнале «Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника», №78, 2024.

В системах, от которых требуется высокая мощность – в технологических горелках, топках и газотурбинных двигателях – используется беспламенное горение. Применимо к самолетам, например, оно позволят обеспечить плавный полет без рывков. Это процесс, при котором топливо сжигается, но столп огня не появляется. Благодаря этому реакция сгорания протекает стабильно, в отличие от обычного горения, в котором пламя может обрываться и гаснуть. Такая реакция происходит при высоких температурах около 800 °С. Вдобавок ее ускоряет возникающая турбулентность, которая появляется на некотором расстоянии от входных отверстий двигателя, через которые в камеру сгорания поступает воздух или его смесь с топливом.

Для безопасного использования и контроля беспламенного горения необходимо точно понимать особенности протекания химических реакций. Их можно предсказать с помощью математического моделирования, которое дает возможность оптимизировать процессы сгорания и снизить затраты ресурсов на проведение экспериментов.

На результаты расчетов сильно влияет показатель турбулентности. Она может меняться в зависимости от скорости потока воздуха и удаления от входного отверстия. Поэтому важно понимать точное значение этого параметра, чтобы не допустить ошибок.

Ученые Пермского Политеха выяснили, какие показатели интенсивности турбулентности нужно использовать в расчетах, чтобы получать качественную оценку работы двигателя. Политехники моделировали горение на разном расстоянии для трех отверстий: вход топлива, вход воздуха и вход туннельного воздуха. Затем сравнивали полученные показатели с данными реальных экспериментов.

– Выяснилось, что лучше всего проводить моделирование с применением разных показателей – 5, 10 и 15% интенсивности – для каждого входного потока. Так, значение в 5% подходит только для входа горючего на расстоянии до 20 мм, а в остальных случаях этот же показатель приводит к сильным отклонениям от экспериментальных данных. По мере удаления от входа и уменьшения скорости потока турбулентность увеличивается, – комментирует Роман Бульбович, профессор кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ПНИПУ, доктор технических наук.

– Кроме того, на корректность расчетов влияет также гидравлический диаметр – этот параметр измеряет, насколько эффективно канал двигателя пропускает топливо. Чем он меньше, тем больше сопротивление потоку, т. е. тем хуже топливо поступает в двигатель, – поясняет Юрий Фролов, аспирант кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ПНИПУ.

Для получения более точных результатов моделирования ученые Пермского Политеха рекомендуют проводить расчеты гидравлического диаметра и интенсивности турбулентности отдельно для каждого входного потока воздуха и горючего. Это поможет избежать ошибок в расчетах, которые могли бы повлечь за собой неверную оценку работы двигателя и, как следствие, неисправности в его работе.