Exploring the impact of flare expansion angle on combustion stability in aeroengine combustion chamber

Abstract

In this research, a comprehensive numerical analysis was employed to anticipate the total temperature characteristics, NO emissions, and pattern factor within an annular combustor liner. The investigation focused on the impact of various flare angles (25°, 30°, 35° and 40°) of a double axial swirler across four distinct cases, utilizing computational fluid dynamics (CFD) techniques. The simulations were conducted using ANSYS CFX, incorporating finite-rate chemistry and the eddy dissipation model to simulate the combustion of liquid kerosene (C12H23) with air, specifically accounting for fuel droplet evaporation. Spray modeling, inclusive of a Rosin-Rammler droplet distribution, was implemented to capture the intricate dynamics of liquid kerosene combustion. Thermal and prompt nitrogen oxide (NOx) formation processes were conducted, employing a K-epsilon model for turbulence within a realistic annular combustion chamber. The research further delved into presenting the characteristic features and flame structure, showcasing contour plots of total temperature and NO concentration at the combustor liner outlet. Additionally, cross-sectional analyses along the X-axis from the injector center of the combustor were performed, accompanied by charts illustrating relevant trends along the liner from the injector center. This study introduces two-step kinetic schemes for the combustion of kerosene with air, shedding light on the intricate mechanisms underlying the process. The findings indicate that the optimal outcome, characterized by a lower NO concentration, is associated with the case featuring a reduced flare angle compared to the other configurations.

В роботі було використано всебічний числовий аналіз, щоб передбачити загальні температурні характеристики, викиди NO та коефіцієнт структури в кільцевій камері згоряння. Проведено дослідження вплив різних кутів спалаху (25°, 30°, 35°, 40°) подвійного осьового завихрювача в чотирьох окремих випадках із застосуванням методів обчислювальної гідродинаміки (CFD). Моделювання було проведено за допомогою ANSYS CFX, що включало хімічні процеси кінцевої швидкості та модель розсіювання вихрів для імітації горіння рідкого гасу (C12H23) з повітрям, зокрема з урахуванням випаровування крапель палива. Моделювання розпилю- вання, включно з розподілом крапель Розіна-Раммлера, було реалізовано, щоб зафіксувати складну динаміку горіння рідкого гасу. Процеси термічного та швидкого утворення оксиду азоту (NOx) проводилися з використанням K-епсилонної моделі для турбулентності в реалістичній кільцевій камері згоряння. Далі дослідження було спрямовано на представлення характерних особливостей і структури полум’я, демонструючи контурні графіки загальної температури та концентрації NO на виході з камери згоряння. Крім того, було проведено аналіз поперечного перерізу вздовж осі Х від центру інжектора камери згоряння, що супроводжувався діаграмами, які ілюструють відповідні тенденції вздовж вкладиша від центру інжектора. Це дослідження представляє двоетапну кінетичну схему згоряння гасу з повітрям, проливаючи світло на складні механізми, які лежать в основі процесу. Отримані дані вказують на те, що при зменшенні кута спалаху зменшується концентрація NO з відпрацьованими газами.