КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 19-79-00325

НазваниеРазработка суррогата авиационного керосина для определение эмиссии полициклических ароматических углеводородов двигателями гражданской авиации

РуководительМатвеев Сергей Сергеевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева", Самарская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2019 - 06.2021 

Конкурс№40 - Конкурс 2019 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-405 - Транспортная энергетика (наземного, водного, воздушного, космического транспорта)

Ключевые словакамера сгорания, ГТД, хроматография, эмиссия, керосин, ПАУ, суррогат керосина

Код ГРНТИ55.42.03

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Необходимость использования углеводородных топлив в транспортных двигателях и энергетических установках сохранится еще на многие десятилетия, поэтому совершенствование организации рабочего процесса в камерах сгорания различного назначения продолжает оставаться актуальным. Особое внимание уделяется экологическим аспектам сжигания топлив. В настоящее время Международной организацией гражданской авиации (ИКАО) для авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) нормируются выбросы: оксида углерода (CO), несгоревших углеводородов (HC), оксидов азота (NOX) и дыма (SN). Аналогично, и крупные компании (ПАО «Газпром») вводят и свои стандарты на выбросы СО и NOX в установках наземного применения. Вместе с тем, известно, что продукты сгорания углеводородных топлив обладают и канцерогенной активностью, так как в составе несгоревших углеводородов содержатся полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), которые способны вызывать раковые заболевания у живых организмов и мутацию клеток. Ущерб, наносимый окружающей среде за счет выброса отдельных ПАУ, например, бенз(а)пирена, сопоставим с ущербом от выбросов CO или NOx. Однако, если учесть, что в продуктах сгорания содержится целый спектр ПАУ, то становится очевидным, что вклад группы канцерогенных ПАУ в общее загрязнение окружающей среды при сжигании топлив может оказаться решающим. Кроме того, ПАУ являются основными промежуточными веществами в цепи реакций формирования сажистых частиц. Для снижения выбросов канцерогенных ПАУ весьма актуальной является задача выявления механизмов их образования при горении углеводородных топлив. В настоящее время этот процесс моделируется с использованием детальных кинетических схем, включающих тысячи химических реакций и сотни реагирующих веществ. Перспективные методы расчёта характеристик турбулентного горения углеводородных топлив основываются на совместном решении нестационарных уравнений газовой динамики и детальной химической кинетики методами прямого численного моделирования (DNS). Однако в настоящее время в такой постановке решение задач применительно к камерам сгораниям ГТД не может быть реализовано из-за ограниченных возможностей вычислительной техники. Решение этой проблемы видится в применении комбинированных методов, заключающихся в достаточно точном решении каждой подзадачи в отдельности и объединении их в единый алгоритм. При этом моделирование химической кинетики невозможно без использования детальных и редуцированных реакционных механизмов, для формирования которых необходимо знать точный состав исходного топлива. Основным топливом ГТД является авиационный керосин, состоящий из десятков индивидуальных углеводородных компонентов. Кроме того, его состав может изменяться в зависимости от месторождения сырья и производителя топлива. Поэтому для численного моделирования необходимо иметь смесь известного состава, состоящую из ограниченного количества химических компонентов и воспроизводящую основные свойства реального топлива. Такие смеси называют суррогатами. Создаваемый кинетический механизм окисления суррогата должен моделировать необходимые физико-химические свойства процесса горения керосина в камере сгорания ГТД. Таким образом, разработка суррогата авиационного керосина для определение эмиссии полициклических ароматических углеводородов двигателями гражданской авиации является актуальной.

Ожидаемые результаты
1. Верифицированный суррогат авиационного керосина, позволяющий моделировать образования ПАУ в камерах сгорания авиационных двигателей. Значимость и возможность практического применения - разработанный суррогат керосина может быть использован на этапе проектировании и доводки камер сгорания авиационных газотурбинных двигателей при их CFD расчётах. 2. Верифицированный детальный кинетический механизм окисления суррогата керосина. Значимость и возможность практического применения- выбранный и доработанный детальный кинетический может быть использован на этапе проектировании и доводки камер сгорания авиационных газотурбинных двигателей при их CFD расчётах. 3. Зависимость ламинарной скорости распространения пламени суррогата керосина от температуры и состава смеси. Значимость и возможность практического применения - экспериментально полученные значения нормальной скорости распространения могут быть использованы для верификации кинетических механизмов.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В ходе работы по проекту, была составлена база известных суррогатов авиационного керосина, включающая в себя 25 суррогатов и более 30 индивидуальных углеводородных компонентов для составления суррогатов. База данных включает в себя следующие физико-химические свойства углеводородов: наличие в составе основных групп углеводородов в соответствующих пропорциях (алканы, циклоалканы, ароматические углеводороды); плотность, ρ; отношение количества атомов водорода к количеству атомов углерода в условной молекуле, H/C; молярная масса; производное цетановое числ (Derived Cetane Number); пороговый индекса сажи (Threshold Sooting Index); наличие детальных кинетических механизмов для расчета характеристик процесса горения; стехиометрический коэффициент, L0. Для отдельных индивидуальных углеводородов (n-dodecane, n-octane, n-heptane, cyclohexane, p-xylene, o-xylene, butylcyclohexane) была определена нормальная скорость распространения пламени методом нулевого теплового потока Heat Flux. Полученные экспериментальные данные можно использовать для верификации разрабатываемых кинетических механизмов горения углеводородных топлив. Также в рамках проводимого исследования был создан детальный кинетический механизм окисления суррогатов керосина. Создание кинетического механизма для моделирования горения суррогата керосина проводилось путем слияния кинетических механизмов PoliMi и JetSurf 2.0. Полученный механизм-прототип расширялся реакциями из других механизмов. Были добавлены блоки реакций, отвечающие за горение бензола, циклопентадиена и толуола. Механизм ПАУ основан на нескольких путях реакций. Первый путь соответствует механизму HACA. Ароматические кольца, состоящие из шести атомов углерода, образуются при последовательном добавлении двух молекул ацетилена. Второй путь – добавление радикалов пропаргила к замещенным ароматическим молекулам. Третий путь – добавление винилацетилена (C4H4) к ароматическому радикалу с последующей прямой циклизацией. Окончательно пятикольцевые ПАУ формируются путем прямой циклизации после добавления ацетилена к радикалам, таким как нафтил. Этот путь был включён для нафталина, фенантрена и пирена. Разрабатываемый кинетический механизм также пополнялся дополнительными реакциями образования ПАУ. В результате проведенной работы на основании схем-прототипов, был создан детальный кинетический механизм, включающий пути образования канцерогенных ПАУ и оксидов азота, состоящий из 597 веществ и 11897 реакций. Механизм был верифицирован по нормальной скорости распространения пламени отдельных углеводородных компонентов, а также некоторых суррогатов. Для верификации механизма по пиролизу полициклических ароматических углеводородов была проведена серия расчетов в кинетических реакторах Premixed burner stabilized, Premixed laminar flame-speed calculator и Plug flow, с решением уравнений энергии, для различных начальных параметров. В результате были получены влияния содержания бензол, толуол, метилнафталин в топливе на пиролиз бенз(а)пирена. Теоретические зависимости хорошо согласуются экспериментальными. Незначительные отклонения могут быть объяснены необходимостью доработки кинетического механизма. При этом качественный характер роста бенз(а)пирена и порядок концентраций, повторяется.

 

Публикации

1. Гураков Н.И.,Зубрилин И.А.,Чечет И.В., Анисимов В.М., Матвеев С.С., Идрисов Д.В., Анисимов М.Ю. Simulation of Pollutant Emissions In a Small-Sized Combustion Chamber With a Gas Fuel for Various Regime Modes American Society of Mechanical Engineers, GTINDIA2019-2687, vol.2, V002T04A023; 8 pages (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1115/GTINDIA2019-2687

2. Поултон Л., Рыбдылова О., Зубрилин И.А., Матвеев С.Г., Гураков Н.С., Аль Губаиси М., Аль-Эсави Н., Хан Т., Гунько В.М., Сажин С.С. Modelling of multi-component kerosene and surrogate fuel droplet heating and evaporation characteristics: A comparative analysis Fuel, Volume 269, 1 June 2020, 117115 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.117115

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В ходе работы по проекту, была дополнена база суррогатов авиационного керосина, включающая в себя 27 суррогатов и более 30 индивидуальных углеводородных компонентов для составления суррогатов. База данных включает в себя следующие физико-химические свойства углеводородов: наличие в составе основных групп углеводородов в соответствующих пропорциях (алканы, циклоалканы, ароматические углеводороды); плотность, ρ; отношение количества атомов водорода к количеству атомов углерода в условной молекуле, H/C; молярная масса; производное цетановое числ (Derived Cetane Number); пороговый индекса сажи (Threshold Sooting Index); наличие детальных кинетических механизмов для расчета характеристик процесса горения; стехиометрический коэффициент, L0. Для отдельных суррогатов авиационного керосина была определена нормальная скорость распространения пламени методом нулевого теплового потока Heat Flux. Полученные экспериментальные данные можно использовать для верификации разрабатываемых кинетических механизмов горения углеводородных топлив. Также в рамках проводимого исследования был редуцирован созданный детальный кинетический механизм окисления суррогатов керосина. Механизм был верифицирован по нормальной скорости распространения пламени отдельных углеводородных компонентов, а также некоторых суррогатов. Экспериментально, на выходе из модельной камеры сгорания были определены концентрации полициклических ароматических углеводородов бензо(а)пирена и флуорантена. Были получены зависимости концентраций ПАУ от коэффициента избытка топлива камеры сгорания. Численное моделирование образования ПАУ было выполнено в программном пакете ANSYS Fluent комбинированным подходом к моделированию кинетических реакторов. Моделирование сетей химических реакторов для определения состава продуктов сгорания проводились с помощью встроенных моделей в ANSYS Fluent, в ANSYS ChemKin и ANSYS Chemkin Enrgico. В результате было получено, что использование способа реализованного в ANSYS ChemKin Energico дает наилучшее совпадение с результатами экспериментальных данных.

 

Публикации

1. Локачари Н., Куккадапу Г., Сонг Х., Ванхове Г., Лайо М., Дайма Г., Сериньель З., Чжан К., Дофин Р., Этц Б., Ким С., Стеглич М., Боди А., Фиорони Г., Хембергер П., Матвеев С.С., Коннов А.А., Даго П., Вагнон С.В., Питц В.Дж., Карран Х.Дж. A comprehensive experimental and kinetic modeling study of di-isobutylene isomers: Part 1 Elsevier, Combustion and Flame, 2022, Номер статьи 112301 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2022.112301

2. Матвеев С.С., Идрисов Д.В., Матвеев С.Г., Гураков Н.И., Анисимов М.Ю., Савченкова А.С., Зубрилин И.А., Хернандес Моралис М. Experimental study of the combustion of surrogates of aviation kerosene TS-1 AIP Publishing, AIP Conference Proceedings 2304, 020014 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1063/5.0033852

3. Матвеев С.С., Идрисов Д.В., Семенихин А.С., Литвиненко З.С., Гураков Н.И., Чечет И.В., Савченкова А.С., Матвеев С.Г. Study of the formation of polycyclic aromatic hydrocarbons in the combustion chambers of aircraft engines AIP Publishing, AIP Conference Proceedings 2304, 020014 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1063/5.0033856

4. - Исследования самарских ученых увеличат точность прогнозирования канцерогенных выбросов авиадвигателей сайт Самарского университета, - (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
Результаты исследования могут быть использованы при проектировании газотурбинных двигателей, в частности при доводке камер сгораний для предсказания