Авторы

Нестационарные эффекты в криогенных топливных магистралях современных авиационных двигателей

DOI: 10.17586/1606-4313-2021-20-1-3-11
УДК 629.7.036.34, 532.526, 536.244

Нестационарные эффекты в криогенных топливных магистралях современных авиационных двигателей

Краев В. М., Асланов А. Р.

Ссылка для цитирования: Краев В.М., Асланов А.Р. Нестационарные эффекты в криогенных топливных магистралях современных авиационных двигателей. // Вестник Международной академии холода. 2021. № 1. С. 3-11. DOI: 10.17586/1606-4313-2021-20-1-3-11

Аннотация
В работе рассматриваются перспективы применения криогенного топлива для гражданских самолетов. Приводятся примеры успешных испытаний таких систем на жидком водороде в СССР в 90-х годах ХХ века. Оценивается перспективность применения жидкого метана в качестве авиационного топлива. Проводится анализ проблем, связанных с применением криогенных топлив для гражданской авиации. Одной из серьезных проблем, стоящих перед возможностью применения криогенного топлива, является чувствительность жидких криогенных топлив к нерасчетному изменению теплоотдачи и гидродинамики в магистралях системы подачи топлива. Двигателю, работающему на криогенном топливе, как любому авиационному двигателю, присуще переходные режимы работы, которые являются существенно нестационарными. Как вариант рассматривается изменение расхода топлива в несколько раз при переходе на взлетный режим. По анализу проведенных ранее исследований, авторы приходят к выводу о необходимости расчета переходных процессов в системах подачи криогенного топлива. Проведенные ранее экспериментальные исследования в МАИ показали существенное, до 2-3-х раз, изменение теплообмена и гидродинамики в топливных магистралях в переходных режимах работы двигателя. Анализ причин такого влияния говорит о перестройке структуры турбулентного потока, что и приводит к росту коэффициентов теплоотдачи и сопротивления при ускорении точения и к их снижению при замедлении. Авторы дают рекомендации по определению границ применимости квазистационарного подхода, когда для расчета нестационарных процессов применяются стационарные зависимости. Предлагаются варианты учета влияния гидродинамической нестационарности на работу криогенной топливной системы перспективных авиационных двигателей. Авторы считают необходимым проведение исследований с целью создания модели нестационарных турбулентных течений криогенных жидкостей в каналах.

Ключевые слова: криогенное топливо, авиационные двигатели, нестационарные процессы, гидродинамика и теплообмен в каналах

Список литературы

1. Грядунов К.И. Сравнительный анализ показателей качества авиационных керосинов, биотоплив и их смесей / К.И. Грядунов, А.Н. Козлов, В.М. Самойленко, Ш. Ардешири// Научный вестник МГТУ ГА. 2019. Т.22. №5. С. 67-75.

2. Airbus. Hydrogen. An important pathway to our zero-emission ambition [Электронныйресурс]: URL:https://www.airbus.com/innovation/zero-emission/hydrogen.html(дата обращения: 10.10.2020).

3. Ausilio Bauen; Niccolò Bitossi; Lizzie German, Anisha Harris; Khangzhen Leow. Sustainable Aviation Fuels. // Johnson Matthey Technology Review. 2020. V. 64. No 3, P. 263-278.

4. ЦИАМ. Крылья Родины. 2018. № 5-6. [Электронный ресурс]: URL:https://ciam.ru/Крылья%20Родины%205-6_2018%20Круглый%20стол%20Криогенные%20технологии.pdf(дата обращения: 10.10.2020).

5. Daily I.W.Resistance coefficients for accelerated and decelerated flow through smooth tubes and orifices / W.L. Daily, W.L. Hanrew, K.W. Olive, J.M. Jordan J.M. // Trans. ASME. 1956. V. 78. No 9. P. 1071-1077.

6. Sparrow E., Siegel R. Unsteady turbulent heat transfer in tubes. // Trans. ASME. Ser. C. Journal ofHeatTransfer. 1960. V. 82. No3. P. 170-180.

7. Лийв У.Р. О гидравлических закономерностях при ускоренном движении жидкости в напорном цилиндрическом трубопроводе. // Труды Таллиннского политехнического института. СерияА. 1965. № 223. С. 43-50.

8. Graham R.W., Deissler R.G. Prediction of flow acceleration effect an turbulent heat transfer. // Trans. ASME. Ser. C. Journal of Heat Transfer. 1967. V. 8a. No4. P. 54-67.

9. Галицейский Б.М.Экспериментальное исследование нестационарного теплообмена в трубе при изменении расхода газа / Б.М. Галицейский, Г.А. Дрейцер, В.Г. Изосимов, Э.К. Калинин, В.К. Кошкин / Изв. АН БССР. Сер. Физико-технических наук. 1967. № 2. С. 56-64.

10. Галицейский Б.М. Нестационарный теплообмен в трубе при изменении теплового потока и расхода газа / Б.М. Галицейский, Г.А. Дрейцер, В.Г. Изосимов, Э.К. Калинин, В.К. Кошкин // Теплофизика высоких температур. 1967. Т. 5. № 5. С. 867-876.

11. Koshkin V.K. Experimental study nonsteady convective heat transfer in tubes / V.K. Koshkin, E.K. Kalinin, G.A. Dreitser, B.M. Galitseyski, V.G. Izosimov // Int. J. Heat and Mass Transfer. 1970. V. 13. No 8. P. 1271-1281.

12. Kawamura H. Experimental and analytical study of transient heat transfer for turbulent flow in a circular tube. // Int. J. Heat Mass Transfer. 1977. V. 20. P. 443-480.

13. Марковский П.М., Малолетов И.Л., Четырин В.Ф. Исследование турбулентной структуры стационарных и нестационарных потоков газа в трубе. // В cборнике: Теплообмен в авиационной технике. М.: Изд. МАИ, 1984. С. 8-12.

14. Dreitser G.A.Experimental Study of Effect of Hydrodinamic Unsteadinesson a Turbulent Tube Gas Flow Structures and Heat Transfer/G.A. Dreitser, V.B. Bukharkin, V.M. Kraev, A.S. Neverov// Heat Transfer. Proc. of the ll-th Int. Heat and Mass Transfer Conf. August 23-28. 1998. V. 3. P. 93-95.

15. Kalinin E.K., Dreitser G.A. Unsteady Convective Heat Transfer in Channels. // Advances in Heat Transfer. 1994. V. 25. P. 1-150.

16. Дрейцер Г.А., Краев В.М.О влиянии гидродинамической нестационарности на структуру потока, коэффициенты теплоотдачи и гидравлического сопротивления при турбулентном течении теплоносителя в трубе. // Теплофизика высоких температур. 2004. Т. 48. № 3. С. 442-448.

17. Дрейцер Г.А., Краев В.М. Исследование структуры турбулентных течений, теплообмена и гидродинамики в условиях гидродинамической нестационарности. // Известия РАН. Энергетика. 2006. № 4. С.131-144.

18. Краев В.М.Современное состояние исследований нестационарных турбулентных течений. // Вестник Московского авиационного института. 2016. Т. 23. № 4. С.61-67.

19.Валуева Е.П., Попов В.Н.Нестационарное турбулентное течение жидкости в круглой трубе. // Известия Академии наук СССР. Механика жидкости и газа. 1993. № 5. С.150-157.

20. Valueva E.P., Popov V.N., Romanova S.Yu. Numerical simulation of processes of heat transfer and hydrodynamucs under conditions of liquid flow rate increasing with time. // High Temperature. 1996. vol. 34. no 4. С. 546-554.

21. Валуева Е.П. Гидродинамика и теплообмен при турбулентном течении жидкости в трубе в условиях монотонного изменения расхода во времени. // Теплофизика высоких температур. 2005. Т. 43. № 2. С. 212-222.

22. Iguchi M., Ohmi M. Turbulent accelerating and decelerating pipe flows in quasisteady motion. // Technol. Repst. OsakaUniv. 1983. V. 33. no1696. P. 97-107.

23. Фалий В.Ф.Нестационарный конвективный теплообмене в трубе. // Теплоэнергетика. 1991. № 3. С. 43-47.

24.Greenblatt D., Moss E.A.Rapid Transition to Turbulence in Pipe Flows Accelerated. // Journal of Fluids Engineering. 2003. No 125(6). P. 1072-1075.

25. Greenblatt D., Moss E.A. Rapid temporal acceleration of a turbulent pipe flow. // J. Fluid Mech. 2004. V. 514. P. 65-75.

26. Kraev V., Myakochin A. The unsteady turbulent flows structure study present status. // INCAS Bulletin. 2019. V. 11. I.2. P. 111-124.

27. Краев В.М., Мякочин А.С. Анализ структуры гидродинамически нестационарного турбулентного течения в каналах энергоустановок летательных аппаратов. // Известия высших учебных заведений. Авиационнаятехника. 2017. № 2. С. 75-81.

28. Bongwan Jeong, Jae Hwa Lee. Turbulence in temporally decelerating pipe flows. // Journal of the Korean Society of Visualization. 2016. V. 14. I.1. P.46-50.

29. Деревич И.В. О моделировании нестационарной гидродинамики при турбулентном течении в трубах. // Теплофизика высоких температур. 2005. Т. 43. № 2. С. 231-248.

30. Derevich I.V. Relative particle velocity in a turbulent flow. // Fluid Dynamics. 2008. vol. 43. no 3. p. 357-368.

31. Shuisheng H., Ariyaratne C., Vardy A.E. Wall shear stress in accelerating turbulent pipe flow. // Journal of Fluid Mechanics. 2011. V. 68(5). P.440-460.

32. Shuisheng H., Ariyaratne C., Vardy A.E. Wall friction and turbulence dynamics in decelerating pipe flows. // Journal of Hydraulic Research. 2010. V. 48(6). P. 810-821.

33. Shuisheng H., Ariyaratne C., Vardy A.E. A computational study of wall friction and turbulence dynamics in accelerating pipe flow. // Computers & Fluids. 2008. V. 37(6). P. 674-689.

34. Akshat M. Temporal acceleration of a turbulent channel flow / Akshat M., Som G., Shuisheng H., Show H. // Journal of Fluid Mechanics. 2017. V. 835. P. 471-490.

35. Shuisheng H. Experimental study and large eddy simulation of accelerating flow from an initial turbulent flow / H. Shuisheng, M. Akshat, S. Mehdi, G. Som // 10th International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena (TSFP). July 6-9, 2017, Chicago-IL, USA. 2017. V. 6. C-5. P. 1-6.

36. Stefan Fechter, Tim Horchler, Sebastian Karl, Klaus Hannemann. Numerical simulation of cryogenic flows under high-pressure conditions. // 17th International Conference on Numerical Combustion. 06-08. May 2019. Aachen, Germany. 2019. P. 141

37. Fechter S., Horchler T., Karl S. Efficient Handling of Cryogenic Equation of State for the Simulation of Rocket Combustion Chambers. // In book: Non-Ideal Compressible Fluid Dynamics for Propulsion and Power 2020. P. 19-30.

38. Haemisch J., Suslov D. Experimental Investigations of Heat Transfer Processes in Cooling Channels for Cryogenic Hydrogen and Methane at Supercritical Pressure. // In book: Non-Ideal Compressible Fluid Dynamics for Propulsion and Power. 2020. P. 3-16.

39. Ohira K., Nakayama T., Takahashi K. Pressure Drop and Heat Transfer Characteristics of Boiling Nitrogen in Square Pipe flow. // Physics Procedia. 2015. V. 67. P. 675-680.

40. Krayev V.M.Heat Exchange and Hydrodynamics of Turbulent Flows under Conditions of Hydrodynamic Nonstationarity // Russian Aeronautics. 2005. no3. P. 39-42.

41. Марков С.Б.Экспериментальное исследование скоростной структуры и гидравлических сопротивлений в неустановившихся напорных турбулентных потоках. // Механика жидкости и газа. 1973. № 2. С. 65-75.

42. Никифоров А.Н., Герасимов С.В. Изменение параметров турбулентного течения при ускорении и замедлении потока. // Инженерно-физический журнал. 1985. № 49(4). С. 533-539.

Читать статью полностью