Изложены материалы, связанные с постановкой задачи математического моделирования камер сгорания газотурбинных двигателей, анализом существующих моделей, выбором эффективных способов решения систем дифференциальных уравнений. Рассмотрены особенности математического описания турбулентных течений с горением. Представлены результаты расчетов камер сгорания различной геометрии и проведено их сравнение с экспериментальными данными.

Работа посвящена проблеме интенсификации сжигания органических топлив в судовых энергетических установках с помощью плазмохимических систем. Обоснован универсальный метод расчета камер сгорания и топочных устройств судовой энергетики с учетом плазменного воздействия на характеристики рабочего процесса. Обобщен опыт разработки и исследования систем плазмохимической интенсификации горения жидких и газообразных топлив для газотурбинных двигателей, двигателей внутреннего сгорания и парогенераторов. Рассмотрены аспекты практического использования плазменных систем в судовой, транспортной и стационарной энергетике. С единых методических позиций проанализированы вопросы теории проектирования плазмохимических систем судовой энергетики, определения их рациональных геометрических и режимных параметров. Представлены обобщенные результаты теоретических и экспериментальных исследований основных элементов систем: плазмохимических реакторов, плазменно-топливных форсунок, плазмохимических генераторов водородсодержащего газа, плазменных воспламенителей, а также источников их электропитания.

Рассмотрены вопросы численного моделирования жидкотопливных камер сгорания газотурбинных двигателей. Показана возможность применения численного эксперимента для проведения оптимизации основных характеристик камер сгорания при проектировании жидкотопливных форсунок и камер сгорания газотурбинных двигателей. Полученные в ходе расчетов данные позволили определить влияние основных параметров распыливания жидкого топлива на распределение температуры в выходном сечении камеры сгорания и ее экологические характеристики.

Проведена верификация математической модели смешения в низкоэмиссионном горелочном устройстве с предварительным перемешиванием газообразного топлива и воздуха. Представлены результаты численного и модельного экспериментов.

Рассмотрены вопросы численного моделирования жидкотопливных камер сгорания газотурбинных двигателей с помощью современных инструментов вычислительной гидродинамики (CFD) и трехмерных виртуальных моделей. Показана возможность применения численного эксперимента для проведения оптимизации структуры потока и температурного поля при проектировании камер сгорания газотурбинных двигателей. Полученные в ходе расчетов данные позволили определить влияние геометрических параметров радиального завихрителя и схемы подачи воздуха в жаровую трубу на распределение температуры и структуру потока в камере сгорания судового ГТД с максимальной температурой газа 1645 К.

Представлены результаты экспериментальных исследований плазмохимических систем в модельных камерах сгорания ГТД на низкосортном топливе. Приведены данные о коэффициенте полноты сгорания, компонентном составе, структуре и динамике развития плазмохимического факела. Проанализированы возможные места расположения плазмохимического устройства в газотурбинной камере сгорания. Наиболее предпочтительным является расположение плазмохимического устройства в начальных сечениях камеры сгорания. Полученная область запуска газотурбинной камеры по коэффициенту избытка воздуха в несколько раз шире области срыва пламени основного топлива.

Рассмотрены вопросы моделирования загрязняющих веществ в камере сгорания стационарной газотурбинной установки, работающей на газообразном топливе. Проанализированы механизмы образования оксидов азота с учетом впрыска экологического и энергетического водяного пара.

Рассмотрена возможность определения конуса распыла одно- и двухканальной центробежных форсунок, работающих на жидком топливе, путем математического моделирования течения жидкой и газообразной фаз в каналах топливных форсунок энергетических ГТУ. Представлены результаты численных экспериментов по прогнозированию процессов истечения топлива с помощью VOF-модели. Представленные контуры объемных долей жидкой фазы, давлений и скоростей свидетельствуют о сложном характере гидродинамического взаимодействия потоков в каналах форсунок.

Рассмотрены вопросы определения теплового состояния стенок жаровых труб жидкотопливных камер сгорания газотурбинных двигателей с помощью современных инструментов вычислительной гидродинамики (CFD) и известных полуэмпирических зависимостей. Показана возможность применения численного эксперимента для определения структуры течений и температурного поля потока при сгорании жидкого топлива в камерах сгорания газотурбинных двигателей. Полученные в ходе моделирования данные позволили определить тепловое состояние жаровой трубы в наиболее теплонапряженных сечениях с помощью полуэмпирических зависимостей с учетом конвективного и лучистого теплообмена между факелом и жаровой трубой.

Рассмотрены вопросы численного моделирования камер сгорания газотурбинных двигателей, работающих на традиционном и альтернативном топливах, с помощью современных инструментов вычислительной гидродинамики (CFD). Показана возможность применения численного эксперимента при проектировании камер сгорания газотурбинных двигателей. Проведены вариантные расчеты и на основе результатов математического моделирования проанализированы основные выходные характеристики камеры сгорания газотурбинного двигателя мощностью 2,5 МВт, работающей на метане и низкокалорийном синтез-газе.

Рассмотрены вопросы моделирования процессов газификации низкосортных углей. Проведен ряд численных экспериментов, в результате которых определены основные параметры плазменной кислородной и кислородно-паровой газификации углей различного морфологического состава. По результатам расчетов определены теплотворные способности и количество массовых частей получаемого синтез-газа при газификации угля. Прогнозирование характеристик получаемого синтез-газа позволяет оценить дальнейшую возможность его использования в камерах сгорания газотурбинных двигателей.

Рассмотрены две плазмохимические системы - воздушная низкотемпературная и воздушно-паровая плазма. В соответствии с кинетической схемой, включающей 258 реакций, с помощью расчетного метода определен состав газовой фазы в массовых долях компонентов.

Рассмотрены вопросы численного моделирования термо-акустических процессов в камерах сгорания газотурбинных двигателей (ГТД). Проведен обзор экспериментальных исследований по подавлению пульсаций в камерах сгорания ГТД. Проанализированы пульсационные процессы в низкоэмиссионной камере сгорания ГТД с помощью современных инструментов вычислительной гидродинамики. Рассмотрены основные методы модернизации существующих камер с целью разработки конструктивных мероприятий, направленных на уменьшение вероятности возникновения режимов пульсационного горения в камере сгорания ГТД, работающей на газообразном топливе.

Рассмотрены вопросы численного моделирования рабочих процессов камер сгорания газотурбинных двигателей, работающих на альтернативном топливе, с помощью современных инструментов вычислительной гидродинамики (CFD). Показана возможность применения численного эксперимента при проектировании камер сгорания ГТД. Исследованы вопросы возможности применения синтетических газов различного состава в камерах сгорания ГТД. Проведены вариантные расчеты и на основе результатов математического моделирования проанализированы основные выходные характеристики камеры сгорания газотурбинного двигателя мощностью 2,5 МВт, работающей на низкокалорийном синтетическом газе.

Выполнен анализ интенсивности теплообмена во вращающемся гладком канале, моделирующем охлаждающий канал рабочей лопатки газотурбинного двигателя. В качестве базового варианта выбран канал круглого сечения диаметром 6 мм и длиной 80 мм. Проведены расчеты теплообмена во вращающемся и неподвижном каналах, которые позволили оценить влияние вихревого течения на интенсивность теплообмена. Вращение канала с частотой 7400 оборотов в минуту моделировалось путём вращения домена, при этом ось вращения находилась на расстоянии 0,49 м от корневого сечения канала. На входе в канал задавалось полное давление 1040000 Па и температура 733 К, на выходе из канала задавался расход охлаждающего воздуха 0,02 кг/с. В качестве рабочей среды использовался идеальный газ - воздух, а в качестве модели турбулентности - SST (Shear Stress Transport), расчет производился с учетом эффекта плавучести. Проведена верификация расчетной модели теплообмена во вращающемся канале рабочей лопатки газотурбинного двигателя по данным экспериментальных исследований. Граничные условия на входе и выходе из канала задавались таким образом, чтобы параметры потока при расчете в точности соответствовали экспериментальным характеристикам. Полученные в результате численных расчетов распределения температуры и чисел Нуссельта качественно и количественно соответствует эксперименту. Расчетным путем определено распределение чисел Нуссельта на передней и задней стенках для вращающегося и неподвижного каналов, а также зависимости относительной тангенциальной скорости от относительной длины канала. Показано, что среднее значение чисел Нуссельта на передней стенке практически одинаково для вращающегося и неподвижного каналов, несмотря на наличие интенсивных вторичных течений во вращающемся канале, которые должны способствовать интенсификации теплообмена. Среднее значение чисел Нуссельта на задней стенке вращающегося канала выше по сравнению с неподвижным в результате действия вторичных течений, вызванных силой Кориолиса, перемещающей охлаждающий воздух из ядра потока к задней стенке.