Отправить статью по E-mail 
Кинетическая модель и суррогат керосина для расчёта эмиссии канцерогенных углеводородов газотурбинными двигателями
- Авторы: Семенихин А.С.1, Идрисов Д.В.1, Чечет И.В.1, С. Г. Матвеев С.Г.1, Лукачев С.В.1
-
Учреждения:
- Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва
- Выпуск: Том 21, № 3 (2022)
- Страницы: 58-68
- Раздел: АВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА
- URL: https://journals.ssau.ru/vestnik/article/view/10848
- DOI: https://doi.org/10.18287/2541-7533-2022-21-3-58-68
- ID: 10848
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Для расчёта эмиссии канцерогенных полициклических ароматических углеводородов камерами сгорания авиационных газотурбинных двигателей разработана кинетическая модель «А17», отличающаяся новыми блоками элементарных химических реакций окисления углеводородных соединений и синтеза полициклических ароматических углеводородов. Результаты валидации модели показали удовлетворительное согласование с экспериментальными данными и возможность её применения для описания процессов горения в камерах сгорания газотурбинных двигателей. Проведён обзор и численное исследование для 14 суррогатов (модельных топлив) авиационного керосина, горение которых может быть описано с помощью модели «А17». Моделирование стабилизированного пламени предварительно подготовленной смеси показало эффективность суррогатов Drexel, Liu, su4, UM1, прогнозы которых удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными и обеспечивают ожидаемые уровни концентрации полициклических ароматических углеводородов. Расчёты показывают зависимость концентрации наиболее канцерогенного полициклического ароматического углеводорода – бенз(а)пирена и отношения основных продуктов горения СО2/Н2О от молярной массы топлива. Для экспериментально определённого значения молярной массы керосина ТС-1 наименьшее отклонение (до 0,25%) демонстрируют суррогаты su4 и UM1. По причине наилучшей прогностической способности для времени задержки воспламенения, нормальной скорости распространения пламени, продуктов пиролиза и горения суррогаты su4 и UM1 могут быть выбраны для расчёта эмиссии канцерогенных полициклических ароматических углеводородов камерами сгорания авиационных газотурбинных двигателей.
Об авторах
А. С. Семенихин
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва
Автор, ответственный за переписку.
Email: semenikhin.as@ssau.ru
ORCID iD: 0000-0001-7196-3304
аспирант кафедры теплотехники и тепловых двигателей
РоссияД. В. Идрисов
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва
Email: idrisov57@yandex.ru
аспирант кафедры теплотехники и тепловых двигателей
РоссияИ. В. Чечет
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва
Email: chechet@ssau.ru
ORCID iD: 0000-0002-0439-1921
кандидат технических наук, доцент кафедры теплотехники и тепловых двигателей
РоссияС. Г. С. Г. Матвеев
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва
Email: msg@ssau.ru
ORCID iD: 0000-0002-2865-241X
кандидат технических наук, профессор кафедры теплотехники и тепловых двигателей
РоссияС. В. Лукачев
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва
Email: lukachev@ssau.ru
доктор технических наук, профессор кафедры теплотехники и тепловых двигателей
РоссияСписок литературы
- Семенихин А.С. Метод расчёта эмиссии канцерогенных полициклических ароматических углеводородов камерами сгорания авиационных газотурбинных двигателей. Дис. … канд. техн. наук. Самара, 2022. 156 с.
- Чечет И.В. Методика определения эмиссии канцерогенных ароматических углеводородов камерами сгорания газотурбинных двигателей и установок. Дис. ... канд. техн. наук. Самара, 2018. 149 с.
- Wang H., Dames E., Sirjean B., Sheen D.A., Tango R., Violi A., Lai J.Y.W., Egolfopoulos F.N., Davidson D.F., Hanson R.K., Bowman C.T., Law C.K., Tsang W., Cernansky N.P., Miller D.L., Lindstedt R.P. A high-temperature chemical kinetic model of n-alkane (up to n-dodecane), cyclohexane, and methyl-, ethyl-, n-propyl and n-butyl-cyclohexane oxidation at high temperatures, JetSurF version 2.0. September 19, 2010. http://web.stanford.edu/group/haiwanglab/JetSurF/JetSurF2.0/index.html
- Ranzi E., Frassoldati A., Grana R., Cuoci A., Faravelli T., Kelley A.P., Law C.K. Hierarchical and comparative kinetic modeling of laminar flame speeds of hydrocarbon and oxygenated fuels // Progress in Energy and Combustion Science. 2012. V. 38, Iss. 4. P. 468-501. doi: 10.1016/j.pecs.2012.03.004
- ANSYS Chemkin Theory Manual 17.0. San Diego: Reaction Design, 2015. 412 p.
- Белов Г.В., Деминский М.А., Иориш В.С., Потапкин Б.В. Информационная система по физико-химическим свойствам программного комплекса «Chemical Workbench» // Сб. тезисов XI Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС'2001) (2-6 июля 2001 г., Москва-Истра, Россия). М.: Изд-во МАИ, 2001. P. 75-76.
- Blanquart G., Pitsch H. Thermochemical properties of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) from G3MP2B3 calculations // Journal of Physical Chemistry A. 2007. V. 111, Iss. 28. P. 6510-6520. doi: 10.1021/jp068579w
- Raj A., Prada I.D.C., Amer A.A., Chung S.H. A reaction mechanism for gasoline surrogate fuels for large polycyclic aromatic hydrocarbons // Combustion and Flame. 2012. V. 159, Iss. 2. P. 500-515. doi: 10.1016/j.combustflame.2011.08.011
- Wang Y., Raj A., Chung S.H. A PAH growth mechanism and synergistic effect on PAH formation in counterflow diffusion flames // Combustion and Flame. 2013. V. 160, Iss. 9. P. 1667-1676. doi: 10.1016/j.combustflame.2013.03.013
- Slavinskaya N.A., Frank P. A modelling study of aromatic soot precursors formation in laminar methane and ethene flames // Combustion and Flame. 2009. V. 156, Iss. 9. P. 1705-1722. doi: 10.1016/j.combustflame.2009.04.013
- Semenikhin A.S., Savchenkova A.S., Chechet I.V., Matveev S.G., Liu Z., Frenklach M., Mebel A.M. Rate constants for H abstraction from benzo(a)pyrene and chrysene: A theoretical study // Physical Chemistry Chemical Physics. 2017. V. 19, Iss. 37. P. 25401-25413. doi: 10.1039/c7cp05560a
- Frenklach M., Mebel A.M. On the mechanism of soot nucleation // Physical Chemistry Chemical Physics. 2020. V. 22, Iss. 9. P. 5314-5331. doi: 10.1039/D0CP00116C
- Semenikhin A.S., Savchenkova A.S., Chechet I.V., Matveev S.G., Frenklach M., Mebel A.M. On the mechanism of soot nucleation. II. E-bridge formation at the PAH bay // Physical Chemistry Chemical Physics. 2022. V. 22, Iss. 30. P. 17196-17204. doi: 10.1039/d0cp02554b
- Frenklach M., Semenikhin A.S., Mebel A.M. On the mechanism of soot nucleation. III. The fate and facility of the E-Bridge // Journal of Physical Chemistry A. 2021. V. 125, Iss. 31. P. 6789-6795. doi: 10.1021/acs.jpca.1c04936
- Semenikhin A.S., Savchenkova A.S., Chechet I.V., Matveev S.G., Frenklach M., Mebel A.M. Transformation of an embedded five-membered ring in polycyclic aromatic hydrocarbons via the hydrogen-abstraction-acetylene-addition mechanism: A theoretical study // Journal of Physical Chemistry A. 2021. V. 125, Iss. 16. P. 3341-3354. doi: 10.1021/acs.jpca.1c00900
- Savchenkova A.S., Semenikhin A.S., Chechet I.V., Matveev S.G., Konnov A.A., Mebel A.M. Mechanism and rate constants of the CH2 + CH2CO reactions in triplet and singlet states: A theoretical study // Journal of Computational Chemistry. 2019. V. 40, Iss. 2. P. 387-399. doi: 10.1002/jcc.25613
- Savchenkova A.S., Semenikhin A.S., Chechet I.V., Matveev S.G., Konnov A.A., Mebel A.M. Rate constants calculations of the CH2 + CH2CO reactions in triplet and singlet states by ab initio methods // Proceedings of the International Conference on Combustion Physics and Chemistry (July, 24-28, 2018, Samara, Russian Federation). Samara: Publishing OOO «Insoma-Press», 2018. P. 102.
- Savchenkova A.S., Semenikhin A.S., Chechet I.V., Matveev S.G., Konnov A.A., Mebel A.M. Revisiting diacetyl and acetic acid flames: The role of the ketene + OH reaction // Combustion and Flame. 2020. V. 218. P. 28-41. doi: 10.1016/j.combustflame.2020.04.021
- Castaldi M.J., Marinov N.M., Melius C.F., Huang J., Senkan S.M., Pit W.J., Charles K. Experimental and modeling investigation of aromatic and polycyclic aromatic hydrocarbon formation in a premixed ethylene flame // Symposium (International) on Combustion. 1996. V. 26, Iss. 1. P. 693-702. doi: 10.1016/S0082-0784(96)80277-3
- Liu J., Hu E., Zeng W., Zheng W. A new surrogate fuel for emulating the physical and chemical properties of RP-3 kerosene // Fuel. 2020. V. 259. doi: 10.1016/j.fuel.2019.116210
- Kim D., Martz J., Violi A. A surrogate for emulating the physical and chemical properties of conventional jet fuel // Combustion and Flame. 2014. V. 161, Iss. 6. P. 1489-1498. doi: 10.1016/j.combustflame.2013.12.015
- Матвеев С.Г. Разработка компонентного состава суррогата авиационного керосина для моделирования рабочего процесса камеры сгорания газотурбинного двигателя // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2019. Т. 18, № 1. С. 78-87. doi: 10.18287/2541-7533-2019-18-1-78-87
- Коломзаров О.В., Абрашкин В.Ю., Зубрилин И.А., Матвеев С.Г., Гамируллин М.Д., Азимов Р.А., Сипатов А.М. Экспериментальное исследование горения предварительно испарённого суррогата авиационного керосина в модельной камере сгорания // Сб. докладов Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (23-25 июня 2021 г., Самара, Россия). Т. 2. Самара: Издательство Самарского университета, 2021. С. 158-159.
- Lindstedt R.P., Maurice L.Q. Detailed chemical-kinetic model for aviation fuel // Journal of Propulsion and Power. 2000. V. 16, Iss. 2. P. 187-195. doi: 10.2514/2.5582
- Dean A.J., Penyazkov O.G., Sevruk K.L., Varatharajan B. Autoignition of surrogate fuels at elevated temperatures and pressures // Proceedings of the Combustion Institute. 2007. V. 31, Iss. 2. P. 2481-2488. doi: 10.1016/j.proci.2006.07.162
- Humer S., Frassoldati A., Granata S., Faravelli T., Ranzi E., Seiser R., Seshadri K. Experimental and kinetic modeling study of combustion of JP-8, its surrogates and reference components in laminar nonpremixed flows // Proceedings of the Combustion Institute. 2007. V. 31, Iss. 1. Р. 393-400. doi: 10.1016/j.proci.2006.08.008
- Colket M., Edwards T., Williams S., Cernansky P.N., Miller D.L., Egolfopoulos F., Lindstedt P., Seshadri K., Dryer F.L., Law C.K., Friend D., Lenhert D.B., Pitsch H., Sarofim A., Smooke M., Tsang W. Development of an experimental database and kinetic models for surrogate jet fuels // 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting (January, 8-11, 2007, Reno, Nevada, USA). V. 14. P. 9446-9466.
- Doute C., Delfau J., Akrich R., Vovelle C. Chemical structure of atmospheric pressure premixed n-decane and kerosene flames // Combustion Science and Technology. 1995. V. 106, Iss. 4-6. P. 327-344. doi: 10.1080/00102209508907785
Дополнительные файлы
