Numerical study of fuel combustion in a high-speed marine engine

Full Text

Введение

Актуальность применения природного газа в судовых двигателях

Применение природного газа в судовой энергетике активно развивается благодаря ужесточению требований к концентрации токсичных компонентов в отработавших газах судовых двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Для использования природного газа Международной морской организацией (IMO) разработаны и внедрены морские правила безопасности IGF (International Code of Safety for Ships Using Gases or Other Low-flashpoint Fuels), имеющие обязательный статус [1], а также действуют правила IMO: MSC.285(86) «Interim Guidelines on Safety for Natural Gas-Fuelled Engine Installations in Ship» и MSC.391(95) «Adoption of the international code of safety for ships using gases or other low-flashpoint fuels». В России действуют правила Российского морского регистра судоходства: раздел 9 «Требования к судам, оборудованным для использования газа или топлива с низкой температурой вспышки в качестве топлива» и раздел 14 «Требования к судам, подготовленным для переоборудования к использованию газового топлива» на соответствие требований знака GRS (Gas Ready Ship) части XVII Правил классификации и постройки морских судов. Данные документы устанавливают правила проектирования, контроля и мониторинга судов с целью минимизации рисков для экипажа и окружающей среды при использовании природного газа в качестве топлива. Анализ литературы показал, что в 2025 г. находится в эксплуатации около 800 судов, использующих в качестве топлива природный газ, и ещё около 1000 судов находятся на стадии строительства [2]. Также идёт активное строительство судов-бункеровщиков для заправки природным газом, развивается портовая инфраструктура. По прогнозам, к 2028 г. количество судов, использующих природный газ, достигнет 1200 единиц, что составит 70% судов, использующих альтернативное топливо [3].

В настоящее время многие иностранные компании производят двигатели, работающие на природном газе. Например, ведущие двигателестроительные корпорации MAN и Wartsila предлагают двухтопливные ДВС, использующие природный газ. Концерны Rolls-Royce, Hanwha Ocean и Yanmar также производят газопоршневые ДВС для грузовых и пассажирских судов. Интерес судовладельцев и производителей ДВС к природному газу обусловлен тем, что его применение позволяет снизить выбросы CO₂, CO, NO_x и CH на 10–30% по сравнению с традиционными видами топлива и почти полностью исключить выбросы серы и твёрдых частиц. Сжатый природный газ дешевле, чем дизельное топливо, и имеет большие запасы, что снижает эксплуатационные расходы и обеспечивает стабильность снабжения топливом морского транспорта. Особо отметим, что эффективность работы ДВС на природном газе во многом определяется совершенством тепловых и газодинамических процессов в камере сгорания. Незавершённость и нестабильность процесса сгорания природного газа приводят к снижению мощности ДВС, увеличению расхода топлива и токсичности выхлопных газов и утечкам метана в атмосферу [4]. Таким образом, успех применения природного газа в судовой энергетике зависит не только от развития портовой топливозаправочной инфраструктуры, но и от создания технологий, обеспечивающих эффективное сжигание природного газа в судовом ДВС.

Влияние процесса сгорания топлива на технико-экономические показатели судового двигателя

Исследование процесса горения в судовых ДВС является актуальной задачей, поскольку позволяет определить оптимальные конструкционные и эксплуатационные характеристики ДВС, обеспечивающие эффективность его работы, что способствует снижению расхода топлива, повышению эффективности использования альтернативных видов топлива и снижению концентрации загрязняющих веществ в выхлопных газах. Анализ механизмов горения с использованием экспериментальных и численных методов необходим для лучшего понимания сложного взаимодействия между химическим составом топлива, условиями эксплуатации ДВС и механизмом образования токсичных выбросов [5, 6].

Процесс распространения метановоздушного пламени в судовом ДВС определяется характеристиками ламинарного пламени (ламинарной скоростью распространения пламени, шириной зоны химических реакций, температурой пламени, концентрацией химических реагентов) и турбулентного пламени (турбулентной скоростью распространения пламени, шириной зоны турбулентного горения, числом Дамкелера, числом Карловица). Скорость распространения пламени отражает скорость, с которой пламя распространяется в камере сгорания ДВС. Данный параметр зависит от химического состава топлива, соотношения топлива и воздуха, температуры и давления в камере сгорания. Сжигание бедной или богатой топливовоздушной смеси приводит к снижению скорости распространения пламени, что ухудшает эффективность сгорания и увеличивает вероятность детонации. Температура пламени также играет ключевую роль в процессе горения, так как она отражает количество энергии, высвобождаемой в процессе горения. Температура пламени зависит от типа топлива, состава топливовоздушной смеси и давления в камере сгорания. Высокая температура пламени приводит к образованию оксидов азота (NO_x), в то время как низкая температура снижает эффективность сгорания топлива и, как следствие, снижается мощность ДВС. Регулирование ламинарных и турбулентных характеристик пламени позволяет оптимизировать процесс горения с целью снижения выбросов загрязняющих веществ и повышения эффективности работы ДВС.

Обзор научных публикаций российских и зарубежных учёных показал важность глубокого понимания механизмов горения в ДВС. V.C. Pham [7] с применением методов численного моделирования изучал процесс горения газообразных углеводородных топлив в ДВС. Его исследование показало, что угол опережения зажигания и начальная температура топливовоздушной смеси оказывают существенное влияние на эффективность сгорания топлива и концентрацию выбросов NO_x и CO₂. В статье Б.И. Руднева и О.В. Повалихиной [8] сделан вывод, что скорость распространения пламени и интенсивность тепловыделения в камере сгорания влияют на концентрацию NO_x и эффективность работы ДВС. В статье показано, что высокая температура пламени увеличивает выбросы NO_x, в то время как низкая температура снижает эффективность сгорания и повышает расход топлива. В своей статье J. Kowalski [9] приводит трёхмерную модель процесса горения в судовом ДВС. В работе В.В. Гаврилова и В.Ю. Мащенко [10] представлены теоретические основы для моделирования процесса горения и расчёта тепловыделения по индикаторным диаграммам. Большой вклад в изучение процесса сгорания в поршневых двигателях внесли российские учёные: профессор Ю.В. Галышев (СПбПУ им. Петра Великого), профессор Р.З. Кавтарадзе (МГТУ им. Н.Э. Баумана), профессор П.К. Сеначин (АлтГТУ им. И.И. Ползунова), профессор А.П. Шайкин (ТГУ).

Обзор кинетических механизмов горения метана

Для получения корректных результатов численного моделирования процесса сгорания метановоздушной смеси в судовом ДВС необходим правильный выбор кинетического механизма. В настоящее время кинетические механизмы горения классифицируются по уровню сложности на три основные группы: детальные, сокращённые (скелетные) и глобальные. Детальные механизмы (например, Aramco Mech, San Diego, USC Mech II и GRI-Mech 3.0) созданы для максимально полного описания химических процессов, поэтому в них используются тысячи элементарных химических реакций. В настоящее время механизм Aramco Mech версии 2.0 считается эталоном для описания химических соединений C₀–C₄ [11], так как он базируется на новейших константах скоростей реакций и прошёл валидацию в широком диапазоне граничных условий. Сокращённые кинетические механизмы (например, Z42 и DRM22) создаются путём исключения второстепенных химических реакций (то есть с низким коэффициентом чувствительности) из детального кинетического механизма, что позволяет снизить вычислительные затраты при сохранении высокой точности определения скорости ламинарного пламени [12]. Глобальные механизмы (например, WD1, WD2, JL4), состоящие всего из 1–4 химических реакций [13], наиболее экономичны с точки зрения вычислительных затрат, однако их использование ограничено областью применения, для которой они были созданы.

Последние исследования [14] показывают, что применение детальных (Aramco Mech и GRI-Mech 3.0) и сокращённых кинетических (Z42 и DRM22) механизмов для расчёта скорости ламинарного пламени демонстрирует хорошее соответствие экспериментальным данным в области бедных и стехиометрических смесей. Однако при сжигании богатых метановоздушных смесей погрешность большинства кинетических механизмов возрастает. Слабой стороной многих сокращённых кинетических механизмов является их недостаточная точность расчёта времени задержки воспламенения, что приводит к получению завышенных (по сравнению с экспериментом) значений скорости распространения пламени. Отметим также, что использование сокращённого кинетического механизма при численном моделировании процесса погасания пламени зачастую приводит к некорректным результатам — преждевременному срыву пламени при высоких температурах. Поэтому применение сокращённых кинетических механизмов в инженерных расчётах должно сопровождаться процедурой валидации результатов моделирования.

В настоящее время самым популярным кинетическим механизмом для моделирования сгорания метановоздушных смесей является GRI-Mech версии 3.0. Данный механизм был разработан в 90-х годах XX в. в Калифорнийском университете (США). В 1999 г. была выпущена версия 3.0, которая включала в себя 335 химических реакций и 53 вида веществ. Популярность механизма GRI-Mech 3.0 обусловлена оптимальным балансом между его точностью и вычислительной эффективностью. Несмотря на наличие более современных детальных кинетических механизмов (например, Aramco Mech) их применение в инженерных CFD-расчётах ограничено огромными вычислительными затратами. Например, расчёт одной и той же задачи, который у GRI-Mech 3.0 занимает около одной минуты, у Aramco Mech может длиться часами. Механизм GRI-Mech 3.0 показал высокую точность расчёта скорости горения и адиабатной температуры метановоздушного пламени при стандартных условиях [14]. Он зарекомендовал себя как надёжная функциональная модель в инженерных приложениях, предоставляя достаточно данных о промежуточных реакциях во фронте пламени, что важно для анализа взаимодействия химических и газодинамических процессов в ДВС. Из-за отсутствия обновления констант скоростей реакций, входящих в детальный кинетический механизм GRI-Mech 3.0, возможно снижение точности моделирования сгорания топлива при высоких давлениях (>20 МПа) и сжигании богатых топливовоздушных смесей. Несмотря на это, GRI-Mech 3.0 остаётся наиболее рациональным выбором для задач, требующих детального анализа структуры пламени при ограниченных вычислительных ресурсах. Таким образом, применение GRI-Mech 3.0 позволяет получить научно обоснованные результаты, сохраняя при этом низкие вычислительные затраты компьютера.

Цель исследования

Численное исследование процесса сгорания метановоздушной смеси, изучение закономерностей изменения кинетики химических реакций и характеристик ламинарного пламени в судовом высокооборотном двигателе.

Методы

Методика численного исследования процесса сгорания топлива

Объект исследования — процесс сгорания метановоздушной смеси в камере сгорания судового высокооборотного двигателя MAN E3262 (V12). Технические характеристики ДВС представлены в табл. 1.

 

Таблица 1. Технические характеристики двигателя MAN E3262

Table 1. Specifications of the MAN E3262 engine

Характеристика двигателя	Значение
Рабочий объём, л	25,8
Диаметр цилиндра, мм	132
Степень сжатия	12
Ход поршня, мм	157
Мощность двигателя, кВт	550
Частота вращения, мин–1	1500–1800
Соответствие экологическим нормам	IMO Tier III

 

Предмет исследования — характеристики ламинарного пламени (ламинарная скорость распространения пламени, адиабатная температура пламени и концентрация радикалов в зоне химических реакций пламени) и их зависимость от коэффициента избытка топлива (α), начальной температуры метановоздушной смеси (Т) и давления (Р) в камере сгорания ДВС.

Научная новизна работы заключается в определении закономерностей изменения характеристик ламинарного пламени от состава метановоздушной смеси и угла поворота коленчатого вала ДВС.

Коэффициент избытка топлива в исследовании изменялся от 0,7 до 1,3, температура метановоздушной смеси — от 400 до 800 K, давление в камере сгорания — от 1 до 10 МПа. На рис. 1 представлена схема расположения зон при численном моделировании метановоздушного пламени.

 

Рис. 1. Схема расположения зон при численном моделировании метановоздушного пламени. ТВС — несгоревшая топливовоздушная смесь; ЗХР — зона химических реакций пламени; ПС — продукты сгорания; сплошная линия — температура пламени (T); пунктирная линия — концентрация метана (g_CH4).

Fig. 1. Schematic diagram of zone arrangement in the numerical simulation of a methane-air flame.

 

Методика численного исследования процесса сгорания топлива соответствовала ГОСТ Р 57700.44–2024 «Численное моделирование физических процессов» и ГОСТ Р 57700.23–2020 «Компьютерные модели и моделирование. Валидация».

В работе рассмотрена модель тонкого фронта пламени «Flamelet», то есть турбулентное горение происходит во фронте ламинарного пламени. При этом турбулентные вихри масштаба Колмогорова не проникают в зону химических реакций пламени и не влияют на кинетику химических процессов [15]. Для данного режима горения характеристики ламинарного пламени зависят от коэффициента избытка топлива, начальной температуры метановоздушной смеси давления и не зависят от газодинамических характеристик вихревого потока в камере сгорания ДВС.Для моделирования процесса сгорания метановоздушной смеси применяли детальный кинетический механизм GRI-Mech 3.0, уравнения сохранения массы (1), энергии (2), состояния (3) и уравнение Аррениуса (4). Использование механизма GRI-Mech 3.0 в рамках данной работы было обусловлено оптимальным балансом точности и вычислительной эффективности. Данный кинетический механизм включает в себя 53 химических соединения (табл. 2) и 325 реакций. Механизм GRI-Mech 3.0 позволяет рассчитать характеристики ламинарного пламени, а также эмиссию СО и NO_x.

 

Таблица 2. Химические соединения, участвующие в моделировании процесса сгорания метановоздушной смеси с использованием детального кинетического механизма GRI-Mech 3.0

Table 2. Chemical compounds involved in modeling the combustion process of a methane-air mixture using the detailed kinetic mechanism from GRI-Mech 3.0

H2	H	O	O2	OH	H2O	HO2	H2O2
C	CH	CH2	CH2 (S)	CH3	CH4	CO	CO2
HCO	CH2O	CH2OH	CH3O	CH3OH	C2H	C2H2	C2H3
C2H4	C2H5	C2H6	HCCO	CH2CO	HCCOH	N	NH
NH2	NH3	NNH	NO	NO2	N2O	HNO	CN
HCN	H2CN	HCNN	HCNO	HOCN	HNCO	NCO	N2
AR	C3H7	C3H8	CH2CHO	CH3CHO

 

Уравнение сохранения массы:

$M=\rho uA$, (1)

где M — массовый расход, кг/с; ρ — плотность, кг/м³; u — скорость потока, м/с; A — площадь поперечного сечения, м².

Уравнение сохранения энергии:

$M\frac{dT}{dx}-\frac{1}{C_p}\frac{d}{dx}\left(\lambda A\frac{dT}{dx}\right)+\frac{A}{C_p}\sum _{k=1}^K\rho Y_k{V}_k{C_p}_k\frac{dT}{dx}+\frac{A}{C_p}\sum _{k=1}^K{\omega }_k{h}_k{\text{W}}_k+\frac{A}{C_p}{Q}_{rad}=0$ (2)

где T — температура, K; х — ось координат, м; C_p — удельная теплоёмкость смеси при постоянном давлении, Дж/(кг×K); λ — коэффициент теплопроводности, Вт/(м×K); K — общее число химических компонентов в смеси; Y_k — массовая доля k-го компонента; V_k — диффузионная скорость k-того компонента, м/с; C_pk — удельная теплоёмкость k-того компонента при постоянном давлении, Дж/(кг×K); ω_k — скорость образования k-того компонента в результате химических реакций, кмоль/(м³×с); h_k — удельная энтальпия k-того компонента, Дж/кмоль; W_k — молярная масса k-того компонента, кг/кмоль; Q_rad — объёмная плотность тепловыделения за счёт излучения, Вт/м³.

Уравнение состояния описывает связь между термодинамическими параметрами (давлением, температурой и объёмом):

$\rho =\frac{P\overline{\text{W}}}{RT}$, (3)

где $\overline{\text{W}}$ — средняя молярная масса газовой смеси, кг/кмоль; R — универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль×K).

Уравнение Аррениуса используется для определения константы скорости химических реакций при изменении температуры в камере сгорания ДВС:

$k_f=A{T}^{\beta }\exp \left(\frac{-E_A}{RT}\right)$, (4)

где k_f — константа скорости; A — предэкспоненциальный множитель; β — температурный показатель; E_a — энергия активации, Дж/кмоль.

Результаты

Валидация результатов численного моделирования

Согласно ГОСТ Р 57700.23–2020 «Компьютерные модели и моделирование. Валидация», проведение валидации, то есть «определение соответствия компьютерной модели реальному миру», является обязательным этапом численного моделирования. В данной работе валидацию проводили путём сравнения результатов численного моделирования с экспериментальными данными [16, 17]. На рис. 2 представлено влияние коэффициента избытка топлива на скорость распространения и адиабатную температуру ламинарного пламени при T = 400 K и P = 1 МПа.

 

Рис. 2. Влияние коэффициента избытка топлива (α) на ламинарную скорость распространения (a) и адиабатную температуру (b) метановоздушного пламени при T = 400 K и P = 1 МПа.

Fig. 2. Effect of the excess air ratio (α) on the laminar propagation velocity (a) and the adiabatic temperature (b) of a methane-air flame at T = 400 K and P = 1 MPa.

 

Исследование влияния давления (от 1 до 2 МПа) и начальной температуры (от 400 до 800 K) метановоздушной смеси на ламинарную скорость (U_n) и температуру пламени выявило, что применяемая в статье методика расчёта пламени имеет приемлемую точность. В частности, сравнение экспериментальной скорости [16] и адиабатной температуры [17] метановоздушного пламени с результатами расчёта, проводимыми с применением детального кинетического механизма GRI-Mech 3.0, показало сходимость данных не менее 93%.

Анализ результатов, представленных на рис. 2, также показал, что скорость распространения и адиабатная температура метановоздушного пламени имеют сильную зависимость от коэффициента избытка топлива и достигают максимальных значений вблизи стехиометрического состава смеси. Это свидетельствует о том, что при α = 1 реализуются оптимальные условия протекания экзотермических реакций горения. Отклонение состава смеси в сторону обеднения (α < 1) или обогащения (α > 1) метановоздушной смеси приводит к снижению температуры и скорости распространения пламени вследствие изменения кинетики лимитирующих химических реакций и снижения тепловыделения.

Интегральный анализ путей реакций горения метана

Для изучения влияния коэффициента избытка топлива на кинетический механизм горения метановоздушной смеси использовали метод интегрального анализа путей химических реакций. На рис. 3 представлена схема путей реакций горения метана в зоне химических реакций пламени (то есть во фронте пламени) и зоне продуктов сгорания при коэффициентах избытка топлива α = 0,7 (бедная смесь), α = 1 (стехиометрическая смесь) и α = 1,3 (богатая смесь).

 

Рис. 3. Схема путей реакций горения метана в зоне химических реакций (a–c) и зоне продуктов сгорания (d–f) при коэффициентах избытка топлива α = 0,7 (а, d); α = 1 (b, e); α = 1,3 (c, f). Пунктирная рамка — пусть окисления метана.

Fig. 3. Integral analysis of the reaction pathways of methane combustion in the chemical reaction zone (a–c) and the combustion product zone (d–f) with excess air ratios of α = 0.7 (а, d); α = 1 (b, e); α = 1.3 (c, f). Dashed box indicates methane oxidation pathway.

 

Метод интегрального анализа путей реакций позволяет определить влияние конкретной химической реакции и химического соединения на процесс горения. Чем толще стрелка, связывающая компоненты на рис. 3, тем важнее для химического механизма путь реакции. На рис. 3, а–с, видно, что коэффициент избытка топлива влияет на путь реакций, а не на химический механизм во фронте пламени. При использовании бедных смесей процесс горения протекает преимущественно по C₁-пути окисления метана, представляющему собой последовательность реакций химических соединений с одним атомом углерода: CH₄ → CH₃ → CH₂O → HCO → → CO → CO₂. На рис. 3, а, b, C₁-путь окисления метана выделен пунктирной рамкой. Анализ путей реакций для стехиометрической смеси показал, что в зоне химических реакций также доминирует C₁-путь окисления метана. При этом С₂-путь, начинающийся рекомбинацией метильного радикала (CH₃) в молекулу этана (С₂Н₆), имеет второстепенное значение. Для бедных и стехиометрических смесей характерны низкие концентрации СО в продуктах сгорания ДВС, что обусловлено его взаимодействием с радикалом ОН и образованием углекислого газа и атомарного водорода. При сжигании богатых метановоздушных смесей наблюдается изменение пути реакции окисления метана с C₁-пути на С₂-путь, то есть образование соединений с двумя атомами углерода: CH₄ → CH₃ → C₂H₆ → C₂H₅ → C₂H₄ → HCO → → CO → CO₂. Это способствует увеличению концентрации угарного газа и сажи в выхлопных газах судового ДВС. На рис. 3, с, C₂-путь окисления метана выделен пунктирной рамкой.

На рис. 3, d–f, видно, что коэффициент избытка топлива влияет на путь реакций и на химический механизм горения в зоне продуктов горения. Основная реакция — окисление угарного газа до CO₂. При сжигании бедных и стехиометрических смесей также выявлена ведущая роль HCN и NCO в механизме образования оксидов азота. Наличие кислорода способствует окислению синильной кислоты HCN до NO, доля которого в общих выбросах NO_x составляет от 82 до 90%. Промежуточный радикал NCO играет важную роль в образовании N₂O, который является токсичным компонентом в выхлопных газах судового ДВС. При сжигании богатых метановоздушных смесей отмечена важная роль формальдегида CH₂O в реакциях образования СО, СО₂ и сажи. Отсутствие в схеме путей реакций (см. рис. 3, е) полициклических ароматических углеводородов, участвующих в образовании сажи, объясняется тем, что кинетический механизм GRI-Mech 3.0 не содержит стадий образования сажи. Поэтому для моделирования механизма сажеобразования в ДВС рекомендуется использовать дополнительные специализированные кинетические механизмы (например, USC Mesh II).

Анализ чувствительности реакций горения метана

На рис. 4 представлено влияние коэффициента избытка топлива на чувствительность скорости распространения метановоздушного пламени. Отметим, что на рис. 4 приведены только реакции, у которых коэффициент чувствительности больше 0,005, так как считается [18], что реакции с меньшим коэффициентом чувствительности протекают очень быстро, и точность, с которой определена их константа скорости, практически не влияет на результат расчёта процесса сгорания.

 

Рис. 4. Влияние коэффициента избытка топлива на чувствительность скорости распространения метановоздушного пламени.

Fig. 4. Effect of the excess air ratio on the sensitivity of the methane-air flame propagation velocity.

 

Анализ чувствительности в зоне химических реакций пламени позволяет установить, какие именно из 325 химических реакций, участвующих в процессе горения метана, являются лимитирующими, то есть определяющими скорость его сгорания. Согласно монографии [18], «чувствительность реакции — это зависимость решения системы кинетических уравнений реакций горения от изменения константы скорости по времени». На рис. 4 видно, что коэффициент избытка воздуха влияет на коэффициенты чувствительности скорости распространения метановоздушного пламени, но лимитирующие реакции (табл. 3) остаются прежними.

 

Таблица 3. Сокращённый кинетический механизм горения метана

Table 3. Abbreviated kinetic mechanism of methane combustion

№ реакции	Химическая реакция
R1	H + O2 $\rightleftharpoons$ O + OH
R2	H + CH3 (+M) $\rightleftharpoons$ CH4 (+M)
R3	OH + H2 $\rightleftharpoons$ H + H2O
R4	H + O2 + H2O $\rightleftharpoons$ HO2 + H2O
R5	HO2 + H $\rightleftharpoons$ 2OH
R6	OH + CH4 $\rightleftharpoons$ CH3 + H2O
R7	H + CH4 $\rightleftharpoons$ CH3 + H2
R8	O + CH4 $\rightleftharpoons$ OH + CH3
R9	HO2 + CH3 $\rightleftharpoons$ OH + CH3O
R10	OH + CO $\rightleftharpoons$ H + CO2

 

Если изменение константы химической реакции ускоряет сгорание топлива, то такая чувствительность называется положительной [18]. Результаты расчёта показали, что скорость распространения метановоздушного пламени имеет наибольшую положительную чувствительность к константам скорости реакций R₁, R₂ и R₁₀ (см. табл. 3). Экзотермическая реакция взаимодействия СО с молекулой ОН (реакция R₁₀) протекает на этапе продолжения цепи и сопровождается выделением до 70% всей тепловой энергии. Оксид углерода (СО) относится к долгоживущим интермедиатам, и его превращение в СО₂ является лимитирующей стадией процесса сгорания. Отметим, что незавершённость данной реакции (например, из-за снижения температуры) приводит к увеличению концентрации СО в продуктах сгорания ДВС. Химическая реакция атомарного водорода (Н) с кислородом (реакция R₁) отвечает за процесс разветвления цепи. Данная реакция обеспечивает экспоненциальный рост числа радикалов (О и ОН), необходимых для развития процесса сгорания топлива.

Если изменение константы химической реакции замедляет сгорание топлива, то такая чувствительность называется отрицательной [18]. На рис. 4 видно, что скорость распространения метановоздушного пламени имеет наибольшую отрицательную чувствительность к константам скорости реакций R₆, R₇ и R₉ (см. табл. 3). Реакции R₆ и R₇ протекают на этапе продолжения цепи и приводят к образованию метильного радикала СН₃, играющего важную роль в механизме горения. С другой стороны, происходит гибель атомарного водорода (Н) и радикала ОН, участвующих в разветвлении цепи.

На основе анализа чувствительности реакций в зоне химических реакций пламени был предложен сокращённый кинетический механизм горения метана в условиях ДВС (см. табл. 3).

Представленный сокращённый кинетический механизм включает реакции с наибольшими коэффициентами чувствительности в зоне химических реакций пламени и учитывает основные стадии горения метана. Отсутствующие в кинетическом механизме химические реакции обладают малыми коэффициентами чувствительности и не оказывают заметного влияния на температурный профиль пламени и кинетику горения метана.

Применение предложенного кинетического механизма позволит существенно сократить временные и вычислительные затраты при численном моделировании сгорания метановоздушных смесей в ДВС.

Ламинарная скорость распространения метановоздушного пламени в камере сгорания судового ДВС

Тепловой расчёт газопоршневого двигателя MAN E3262 (V12), проведённый в программе Дизель РК, показал, что процесс сгорания топлива в ДВС характеризуется высокой начальной температурой несгоревшего топлива (от 600 до 800 K) и давлением (от 2 до 10 МПа). Информация о термодинамических параметрах смеси в камере сгорания была использована при построении зависимости ламинарной скорости распространения пламени от угла поворота коленчатого вала (УПКВ) двигателя (рис. 5).

 

Рис. 5. Зависимость ламинарной скорости распространения пламени (U_n) от угла поворота коленчатого вала (УПКВ) двигателя внутреннего сгорания.

Fig. 5. Dependence of the laminar flame propagation velocity (U_n) on the crankshaft rotation angle of the internal combustion engine.

 

Обсуждение

Проведённый анализ показал, что для всех используемых в исследовании составов метановоздушной смеси ламинарная скорость распространения пламени быстро возрастает в начальной фазе сгорания и достигает максимальных значений в основной фазе (345–365° УПКВ), что объясняется цепным механизмом воспламенения метановоздушной смеси (рис. 5). В заключительной фазе сгорания, проходящей в такте расширения, скорость пламени постепенно снижается из-за уменьшения температуры, скорости химических реакций, концентрации топлива и увеличения тепловых потерь в стенке камеры сгорания ДВС.

Выявлено также, что коэффициент избытка топлива оказывает существенное влияние на динамику процесса сгорания в ДВС. Наибольшие значения скорости распространения пламени (U_n = 70 см/с) зафиксированы при α = 1, тогда как при α = 1,3 максимальная скорость уменьшается до 60 см/с, а при α = 0,7 — до 40 см/с на всём рассматриваемом диапазоне УПКВ. Это объясняется тем, что при сжигании стехиометрической топливовоздушной смеси скорость химических реакций имеет максимальные значения, тогда как обеднённые и обогащённые смеси характеризуются пониженной интенсивностью горения и меньшей скоростью распространения пламени. Отметим, что сравнение полученной закономерности скорости пламени от УПКВ с результатами других учёных [19, 20], проводивших исследования горения углеводородных видов топлива в ДВС с иными (чем в данной статье) начальными условиями, выявило схожую тенденцию — максимальные значения скорости распространения пламени наблюдаются в начальной и основной фазе сгорания, а в такте расширения происходит монотонное снижение скорости пламени.

Заключение

В представленной методике численного моделирования процесса сгорания метановоздушной смеси в судовом поршневом ДВС сравнение экспериментальных и расчётных значений показало сходимость более 93%.

Установлено, что скорость распространения и адиабатная температура метановоздушного пламени имеют зависимость от коэффициента избытка топлива, давления и температуры в камере сгорания и достигают максимальных значений при стехиометрическом составе смеси.

Интегральный анализ путей реакций показал, что коэффициент избытка топлива влияет на путь реакций, а не на химический механизм во фронте пламени. При использовании бедных и стехиометрических смесей процесс горения протекает преимущественно по C₁-пути окисления метана, представляющему собой последовательность реакций химических соединений с одним атомом углерода. При сжигании богатых метановоздушных смесей наблюдается С₂-путь окисления метана, то есть образование соединений с двумя атомами углерода.

На основе анализа чувствительности реакций, протекающих во фронте пламени, был предложен сокращённый кинетический механизм горения метана, который позволит существенно сократить временные и вычислительные затраты при численном моделировании сгорания метановоздушных смесей в ДВС.

Выявлена закономерность изменения скорости распространения метановоздушного пламени в камере сгорания судового ДВС. Максимальные значения ламинарной скорости распространения пламени наблюдаются в начальной и основной фазе сгорания, а в такте расширения происходит монотонное снижение скорости пламени. Показано, что коэффициент избытка топлива оказывает существенное влияние на динамику процесса сгорания в ДВС — максимальные значения скорость пламени имеет при сжигании стехиометрической метановоздушной смеси.

Дополнительная информация

Вклад авторов. И.Р. Галиев — анализ данных, написание черновика рукописи; Г.В. Черкаев, Чан Хыу Бак — проведение исследования, написание черновика рукописи. Все авторы одобрили рукопись (версию для публикации), а также согласились нести ответственность за все аспекты настоящей работы, гарантируя надлежащее рассмотрение и решение вопросов, связанных с точностью и добросовестностью любой её части.

Источники финансирования. Отсутствуют.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии отношений, деятельности и интересов за последние три года, связанных с третьими лицами (коммерческими и некоммерческими организациями), интересы которых могут быть затронуты содержанием статьи.

Оригинальность. При проведении исследования и создании настоящей статьи авторы не использовали ранее полученные и опубликованные сведения (данные, текст, иллюстрации).

Доступ к данным. Все данные, полученные в настоящем исследовании, представлены в статье.

Генеративный искусственный интеллект. При создании настоящей статьи технологии генеративного искусственного интеллекта не использовали.

Рассмотрение и рецензирование. Настоящая работа подана в журнал в инициативном порядке и рассмотрена по обычной процедуре. В рецензировании участвовали один внешний рецензент, член редакционной коллегии и главный редактор издания.

Additional information

Author contributions: I.R. Galiev: formal analysis, writing—original draft; G.V. Cherkaev, Tran Huu Bac: investigation, writing—original draft. All the authors approved the version of the manuscript to be published and agreed to be accountable for all aspects of the work, ensuring that questions related to the accuracy or integrity of any part of the work are appropriately investigated and resolved.

Funding sources: No funding.

Disclosure of interests: The authors have no relationships, activities, or interests for the last three years related to for-profit or not-for-profit third parties whose interests may be affected by the content of the article.

Statement of originality: No previously obtained or published material (text, images, or data) was used in this study or article.

Data availability statement: All data obtained in this study are available in this article.

Generative AI: No generative artificial intelligence technologies were used to prepare this article.

Provenance and peer review: This paper was submitted unsolicited and reviewed following the standard procedure. The peer review process involved one external reviewer, a member of the Editorial Board, and the Editor-in-Chief.

About the authors

Ildar R. Galiev

Saint Petersburg State Marine Technical University

Author for correspondence.
Email: sbs777@yandex.ru
SPIN-code: 2954-5133

Cand. Sci. (Engineering), Assistant Professor at the Department of Ship Power Plants, Systems and Equipment

Russian Federation, Saint Petersburg

Georgy V. Cherkaev

Saint Petersburg State Marine Technical University

Email: gcherkaev@mail.ru
SPIN-code: 6063-9641

Cand. Sci. (Engineering), Assistant Professor, Head at the Department of Ship Power Plants, Systems and Equipment

Russian Federation, Saint Petersburg

Huu Bac Tran

Saint Petersburg State Marine Technical University

Email: mullerbac@gmail.com

Master’s Degree student at the Department of Ship Power Plants, Systems and Equipment

Russian Federation, Saint Petersburg

References

Supplementary files