王慧汝，金捷

采用不同航空煤油反應(yīng)機(jī)理模擬模型燃燒室兩相燃燒流場(chǎng)

王慧汝1，金捷2

(1.中航空天發(fā)動(dòng)機(jī)研究院有限公司，北京100028；2.北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京100191)

基于火焰面模型，采用兩個(gè)不同的航空煤油化學(xué)反應(yīng)機(jī)理(Kundu反應(yīng)機(jī)理和亞琛反應(yīng)機(jī)理)，對(duì)模型燃燒室內(nèi)三維兩相燃燒流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，比較了兩個(gè)反應(yīng)機(jī)理燃燒流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的異同，并結(jié)合充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)器模型進(jìn)行了分析。通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較，初步考察了兩個(gè)反應(yīng)機(jī)理模擬實(shí)際燃燒室燃燒流場(chǎng)的能力。結(jié)果表明：在給定工況條件下(工況1，馬赫數(shù)0.160，來流溫度537 K，總油氣比0.004 8，常壓；工況2，馬赫數(shù)0.155，來流溫度523 K，總油氣比0.010 0，常壓)，兩個(gè)反應(yīng)機(jī)理均能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)模型燃燒室的溫度場(chǎng)和CO2排放量；亞琛反應(yīng)機(jī)理在工況1時(shí)，可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)NO排放量，在工況2時(shí)，預(yù)測(cè)值高于實(shí)驗(yàn)值，而Kundu反應(yīng)機(jī)理預(yù)測(cè)的NO排放量在兩個(gè)工況下均與實(shí)驗(yàn)值差別較大。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室；火焰面模型；航空煤油；化學(xué)反應(yīng)機(jī)理；充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)器；兩相燃燒

1 引言

數(shù)值模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)復(fù)雜的燃燒流場(chǎng)，不可避免地要涉及到航空煤油的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。而航空煤油本身是一種復(fù)雜的混合物，由鏈烷烴、芳香烴、環(huán)烷烴三大類物質(zhì)為主的成千上百個(gè)組分構(gòu)成[1]，目前還沒有統(tǒng)一的反應(yīng)機(jī)理。

現(xiàn)在使用的機(jī)理大致分為兩大類：一類是把航空煤油看作一種組分，即根據(jù)不同的航空煤油類型給出不同的平均分子式(如C12H23，C11.6H22，C11H22，C11H23等[1])，然后再研究相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。這其中比較典型的有Westbrook以C12H23為平均分子式提出的單步反應(yīng)機(jī)理、2步反應(yīng)機(jī)理[2]，Dong提出的4步反應(yīng)機(jī)理[3]，和Kundu提出的以C12H23為航空煤油平均分子式的多個(gè)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理[4～6]。這些機(jī)理中，尤以Kundu在1999年提出的反應(yīng)機(jī)理[5](簡(jiǎn)稱Kundu反應(yīng)機(jī)理)最具有代表性，其包含了污染物的反應(yīng)機(jī)理，應(yīng)用范圍最廣，且經(jīng)過預(yù)混燃燒實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。另一類是用替代燃油的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理作為煤油的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。其中比較典型的有Dagaut提出的三組分(以體積計(jì)，75%的正癸烷，15%的丙基苯，11%的丙基環(huán)己烷)替代燃油反應(yīng)機(jī)理[7]，和德國(guó)亞琛大學(xué)Honnet等提出的二組分(以質(zhì)量計(jì)，80%的正癸烷，20%的1，2，4-三甲基苯)替代燃油反應(yīng)機(jī)理[8]等。Dagaut的反應(yīng)機(jī)理在充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)器中進(jìn)行了驗(yàn)證，而Hon?net等的反應(yīng)機(jī)理經(jīng)過了激波管、充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)器和預(yù)混燃燒等多個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。1996年，同是亞琛大學(xué)的Hewson等公布了較為詳細(xì)的NOX反應(yīng)機(jī)理[9]，綜合考慮了熱力、瞬發(fā)和N2O三個(gè)反應(yīng)過程，以及NHX氧化為NOX的反應(yīng)過程。由于文獻(xiàn)[8]、[9]之間采用相同類型的中間組分及熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，因此可綜合二者的反應(yīng)機(jī)理，得到包括污染物反應(yīng)的航空煤油(替代燃油)的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理(簡(jiǎn)稱亞琛反應(yīng)機(jī)理)。

由于航空煤油的成分及比例受產(chǎn)地、提煉方式等因素的影響而不同，而Kundu反應(yīng)機(jī)理與亞琛反應(yīng)機(jī)理提出時(shí)參照的航空煤油類型不同，因此兩個(gè)反應(yīng)機(jī)理模擬的航空煤油燃燒特性是否有較大差異，對(duì)燃燒流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果有多大影響，以及兩個(gè)反應(yīng)機(jī)理能否準(zhǔn)確模擬實(shí)際燃燒室燃燒流場(chǎng)等問題，都需進(jìn)一步研究。本文基于火焰面模型，對(duì)帶V型火焰穩(wěn)定器的模型燃燒室進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并利用文獻(xiàn)[10]中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，初步考察Kundu反應(yīng)機(jī)理和亞琛反應(yīng)機(jī)理模擬實(shí)際燃燒室燃燒流場(chǎng)的能力，比較兩個(gè)反應(yīng)機(jī)理預(yù)測(cè)結(jié)果的異同，以期為模擬真實(shí)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室復(fù)雜燃燒流場(chǎng)提供一定參考。

2 研究對(duì)象

研究對(duì)象為帶V型火焰穩(wěn)定器的模型燃燒室，其具體結(jié)構(gòu)尺寸及相應(yīng)燃燒實(shí)驗(yàn)介紹參見文獻(xiàn)[10]。模型燃燒室的計(jì)算網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，單元總數(shù)約150萬。模擬的工況條件為：工況1，來流馬赫數(shù)0.160，進(jìn)口溫度537 K，總油氣比0.004 8；工況2，來流馬赫數(shù)0.155，進(jìn)口溫度523 K，總油氣比0.010 0。

3 數(shù)學(xué)物理模型

數(shù)值計(jì)算采用FLUENT 6.3商用軟件。湍流模型選用能較好模擬較大曲率、漩渦流動(dòng)且比RNG模型更易收斂的Realizablek-ε模型，近壁面區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理，數(shù)值算法采用SIMPLE算法。兩相流計(jì)算采用顆粒隨機(jī)軌道模型，在全流場(chǎng)中用拉格朗日法跟蹤離散液滴的運(yùn)動(dòng)和輸運(yùn)，液滴的分布采用Rosin-Rammler分布?；瘜W(xué)反應(yīng)過程分別采用穩(wěn)態(tài)火焰面模型[11]和非穩(wěn)態(tài)火焰面模型[12，13]處理。計(jì)算中沒考慮輻射和燃油的二次霧化。

穩(wěn)態(tài)火焰面模型通過求解穩(wěn)態(tài)火焰面方程對(duì)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理，生成以標(biāo)量耗散率、混合分?jǐn)?shù)為基本自變量，組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度值等為變量的數(shù)據(jù)庫(kù)文件。通過求解湍流流場(chǎng)，得到平均標(biāo)量耗散率和平均混合分?jǐn)?shù)，然后在數(shù)據(jù)庫(kù)中插值得到對(duì)應(yīng)的組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度值，并通過統(tǒng)計(jì)平均的方法得到湍流流場(chǎng)中平均的組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度值等信息。模型沒有考慮火焰面方程中的非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)，認(rèn)為標(biāo)量耗散率、邊界條件等參數(shù)改變引起的火焰面變化無限快。對(duì)于溫度和大多數(shù)反應(yīng)速率較快的組分，該假設(shè)成立；但對(duì)于反應(yīng)速率較慢的污染物，該假設(shè)不成立。因此，穩(wěn)態(tài)火焰面模型不能正確模擬污染物排放。

為此，文獻(xiàn)[12]、[13]中采用非穩(wěn)態(tài)火焰面模型來模擬污染物排放。該方法以穩(wěn)態(tài)火焰面模型計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，在流場(chǎng)中加入若干有質(zhì)量、虛擬的顆粒來代表每道火焰，用其在湍流流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡來代表非穩(wěn)態(tài)火焰面隨時(shí)間的變化經(jīng)歷及火焰面參數(shù)的瞬態(tài)影響。根據(jù)其研究，引入一道非穩(wěn)態(tài)火焰面就能獲得較為準(zhǔn)確的解。因此在本文計(jì)算中，流體顆粒即非穩(wěn)態(tài)火焰面?zhèn)€數(shù)取1。求解過程主要為：①用歐拉方式求解非穩(wěn)態(tài)火焰面在空間各點(diǎn)各時(shí)刻出現(xiàn)的概率；②每個(gè)時(shí)刻對(duì)標(biāo)量耗散率進(jìn)行全場(chǎng)概率加權(quán)平均，求解與之相對(duì)應(yīng)的非穩(wěn)態(tài)火焰面方程，用假定的概率密度函數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，得到當(dāng)?shù)氐慕M分質(zhì)量分?jǐn)?shù)；③在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)(保證流體顆粒運(yùn)動(dòng)到出口截面外)，對(duì)不同時(shí)刻統(tǒng)計(jì)平均后的當(dāng)?shù)亟M分質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行概率加權(quán)平均，得到當(dāng)?shù)刈罱K的組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

圖1給出了工況1和工況2條件下對(duì)稱截面上的溫度云圖。可見，亞琛反應(yīng)機(jī)理和Kundu反應(yīng)機(jī)理計(jì)算的溫度場(chǎng)差異很小，與實(shí)驗(yàn)過程中拍攝的火焰結(jié)構(gòu)有一定的相似性。圖2給出的溫度分布，則從定量上進(jìn)一步說明兩個(gè)反應(yīng)機(jī)理計(jì)算結(jié)果相差很小，且均與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，表明兩個(gè)反應(yīng)機(jī)理均能準(zhǔn)確描述模型燃燒室內(nèi)的溫度場(chǎng)。

圖3給出了工況1和工況2條件下出口測(cè)量位置CO2體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算值?？梢?，兩個(gè)反應(yīng)機(jī)理的計(jì)算結(jié)果相差較小，且均與實(shí)驗(yàn)值有一定偏差。這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過程中為保證來流溫度，前方供油進(jìn)行燃燒加溫，后方測(cè)量結(jié)果中包含了前方燃燒產(chǎn)生的CO2，所以實(shí)驗(yàn)值比計(jì)算值偏高。總的來說，兩個(gè)反應(yīng)機(jī)理均能較為準(zhǔn)確地描述模型燃燒室內(nèi)CO2的排放量。

圖1 對(duì)稱截面上的溫度云圖和實(shí)驗(yàn)拍攝的火焰結(jié)構(gòu)Fig.1 Contours of temperature on the symmetry plane and the experiment photo

圖2穩(wěn)態(tài)火焰面模型計(jì)算的溫度分布Fig.2 Temperature distribution simulated using steady flamelet model

圖4 給出了工況1和工況2條件下，采用非穩(wěn)態(tài)火焰面模型計(jì)算的對(duì)稱截面上的NO體積分?jǐn)?shù)。可見，相同工況下，在同一位置，亞琛反應(yīng)機(jī)理的計(jì)算值基本上大于Kundu反應(yīng)機(jī)理的計(jì)算值。從圖5還可看出，Kundu反應(yīng)機(jī)理計(jì)算的NO體積分?jǐn)?shù)在兩個(gè)工況條件下均與實(shí)驗(yàn)值差別較大，而亞琛反應(yīng)機(jī)理在工況1條件下與實(shí)驗(yàn)值吻合較好，在工況2條件下比實(shí)驗(yàn)測(cè)量值略大。這表明Kundu反應(yīng)機(jī)理不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)燃燒室燃燒時(shí)污染物的排放量，而亞琛反應(yīng)機(jī)理在工況1時(shí)預(yù)測(cè)精度較好，在工況2時(shí)預(yù)測(cè)值偏高。

圖3 穩(wěn)態(tài)火焰面模型計(jì)算的CO2體積分?jǐn)?shù)Fig.3 Volume fraction of CO2simulated using steady flamelet model

圖4 非穩(wěn)態(tài)火焰面模型計(jì)算的對(duì)稱截面的NO體積分?jǐn)?shù)Fig.4 Volume fraction of NO on the symmetry plane simulated using unsteady flamelet model

上述計(jì)算過程中，除采用的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理不同外，所有計(jì)算參數(shù)都相同。因此可認(rèn)為，上述兩個(gè)反應(yīng)機(jī)理燃燒流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的異同，是由于兩個(gè)反應(yīng)機(jī)理所模擬的航空煤油燃燒化學(xué)特性異同所致。因?yàn)椴捎梅€(wěn)態(tài)火焰面模型求解流場(chǎng)參數(shù)時(shí)，該模型對(duì)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理，生成以標(biāo)量耗散率、混合分?jǐn)?shù)為基本自變量，各種組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度值等為變量的火焰面數(shù)據(jù)庫(kù)，不同反應(yīng)機(jī)理模擬的燃燒特性異同，直接體現(xiàn)在生成的數(shù)據(jù)庫(kù)文件中，進(jìn)而體現(xiàn)在統(tǒng)計(jì)平均得到的流場(chǎng)參數(shù)中。采用非穩(wěn)態(tài)火焰面模型計(jì)算流場(chǎng)參數(shù)時(shí)，該模型求解非穩(wěn)態(tài)火焰面方程，并進(jìn)行相應(yīng)平均后得到最終流場(chǎng)參數(shù)，不同反應(yīng)機(jī)理模擬的燃燒特性異同，直接體現(xiàn)在求解的計(jì)算結(jié)果上，進(jìn)而體現(xiàn)在進(jìn)行相應(yīng)平均后的最終計(jì)算結(jié)果上。因此，下面重點(diǎn)比較兩個(gè)反應(yīng)機(jī)理燃燒特性的異同點(diǎn)，并以此分析對(duì)燃燒流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的影響。具體過程：首先選擇比較燃燒化學(xué)特性的模型，再分析本文研究的實(shí)際流場(chǎng)中兩個(gè)反應(yīng)機(jī)理燃燒特性的異同，最后分析該異同對(duì)燃燒流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的影響。

(1)燃燒化學(xué)特性可用層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?、點(diǎn)火延遲時(shí)間等參數(shù)來衡量，但在此處并不合適。從前文分析可知，火焰面方程求解過程中對(duì)化學(xué)反應(yīng)的處理，可簡(jiǎn)單概括為給定工況參數(shù)，計(jì)算相應(yīng)的組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度值。因此本文的研究中，航空煤油燃燒化學(xué)特性特指，給定工況參數(shù)，計(jì)算相應(yīng)的組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度值。以下選用能最為直接、快速得到穩(wěn)態(tài)工況條件下對(duì)應(yīng)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度值的充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)器模型[14]，對(duì)兩個(gè)反應(yīng)機(jī)理的燃燒化學(xué)特性進(jìn)行比較。

(2)在選擇驗(yàn)證工況范圍時(shí)，綜合考慮實(shí)際燃燒流場(chǎng)中各點(diǎn)當(dāng)量比的變化范圍、航空煤油的貧富油熄火極限和航空煤油液滴周圍的火焰溫度等因素，充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)器的驗(yàn)證工況范圍選定為：壓力P=101 325 Pa，停留時(shí)間τ≥0.3 ms(用V型穩(wěn)定器尾緣處的最大速度和回流區(qū)長(zhǎng)度預(yù)估得到)，進(jìn)口溫度T≥800 K，當(dāng)量比范圍0.50～2.00。

圖5 非穩(wěn)態(tài)火焰面模型計(jì)算的NO體積分?jǐn)?shù)Fig.5 Volume fraction of NO simulated using unsteady flamelet model

圖6 亞琛反應(yīng)機(jī)理和Kundu反應(yīng)機(jī)理在充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)器中的計(jì)算結(jié)果Fig.6 Simulation results of Aachen and Kundu mechanism in a perfectly stirred reactor

從圖6的計(jì)算結(jié)果中可看出，在P=101 325 Pa、T=800 K、當(dāng)量比0.50～2.00、τ=0.3 ms工況下，兩個(gè)反應(yīng)機(jī)理計(jì)算的溫度和CO2摩爾分?jǐn)?shù)，除了在當(dāng)量比0.50附近差別較大外，在其它當(dāng)量比時(shí)基本上都吻合較好；亞琛反應(yīng)機(jī)理計(jì)算的NO摩爾分?jǐn)?shù)，在當(dāng)量比大于0.80后明顯比Kundu反應(yīng)機(jī)理的大，尤其是當(dāng)量比1.25附近兩者相差最大。另外，增加停留時(shí)間，溫度值、CO2、NO摩爾分?jǐn)?shù)的計(jì)算值都有一定程度增加，表明停留時(shí)間對(duì)化學(xué)反應(yīng)起積極促進(jìn)作用。而且在當(dāng)量比0.50～2.00范圍內(nèi)，兩個(gè)反應(yīng)機(jī)理計(jì)算的溫度和CO2摩爾分?jǐn)?shù)均吻合很好，但計(jì)算的NO摩爾分?jǐn)?shù)仍相差較大。提高進(jìn)口溫度與增加停留時(shí)間的作用類似，都能積極促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)。因此，圖6已能從定性上表明：在溫度大于800 K、壓力101 325 Pa、停留時(shí)間大于0.3 ms、當(dāng)量比0.50～2.00的條件下，兩個(gè)反應(yīng)機(jī)理模擬的溫度值、CO2摩爾分?jǐn)?shù)較為一致，亞琛反應(yīng)機(jī)理模擬的NO摩爾分?jǐn)?shù)不小于Kundu反應(yīng)機(jī)理的模擬值。

(3)根據(jù)前文所述，火焰面方程與充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)器模型處理化學(xué)反應(yīng)的方式類似，且實(shí)際燃燒流場(chǎng)中包括了充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)器所有的驗(yàn)證工況。因此兩個(gè)反應(yīng)機(jī)理在充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)器中燃燒特性的異同，會(huì)直接體現(xiàn)在火焰面模型計(jì)算的燃燒流場(chǎng)中，并通過擴(kuò)散和輸運(yùn)效應(yīng)最終影響到出口截面。這也表明，圖6中兩個(gè)反應(yīng)機(jī)理在整個(gè)驗(yàn)證工況范圍內(nèi)計(jì)算的溫度、CO2結(jié)果相差不大，火焰面模型計(jì)算相應(yīng)的流場(chǎng)結(jié)果也相差不大(圖1～圖3)。而亞琛反應(yīng)機(jī)理計(jì)算的NO摩爾分?jǐn)?shù)不小于Kundu反應(yīng)機(jī)理的計(jì)算值，所以圖4中同一位置，相比于Kundu反應(yīng)機(jī)理，亞琛反應(yīng)機(jī)理計(jì)算的NO體積分?jǐn)?shù)整體上更大，通過擴(kuò)散和輸運(yùn)效應(yīng)，最終出口位置的NO體積分?jǐn)?shù)也更大(圖5)。

5 結(jié)論

(1)Kundu反應(yīng)機(jī)理和亞琛反應(yīng)機(jī)理，都能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)模型燃燒室的溫度場(chǎng)和CO2排放量。

(2)亞琛反應(yīng)機(jī)理在工況1(來流馬赫數(shù)0.160，進(jìn)口溫度537 K，總油氣比0.004 8)時(shí)，可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)NO排放量，在工況2(來流馬赫數(shù)0.155，進(jìn)口溫度523 K，總油氣比0.010 0)時(shí)，預(yù)測(cè)值高于實(shí)驗(yàn)值；Kundu反應(yīng)機(jī)理預(yù)測(cè)的NO排放量，在兩個(gè)工況下均與實(shí)驗(yàn)值差別較大。

(3)兩個(gè)反應(yīng)機(jī)理在充分?jǐn)嚢杵髦心M的航空煤油燃燒特性的異同，可很好地解釋本文兩個(gè)反應(yīng)機(jī)理模擬的燃燒流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果異同的原因。

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Numerical Simulation of Two-Phase Combustion Fields in a Model Combustor Using Two Different Chemical Reaction Mechanisms of Jet Fuel

WANG Hui-ru1，JIN Jie2
(1.China Aerospace Engine Establishment，Beijing 100028，China；2.School of Energy and Power Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China)

Based on flamelets model,three dimensional two phase combustion flowfields in a model combus?tor were simulated using two different chemical reaction mechanisms of jet fuel(Kundu mechanism and Aachen mechanism).Similarities and differences of simulation results were compared and analyzed through simulations of perfectly stirred reactor.Meanwhile,the capability of reproducing combustion flowfields of the practical combustor with these two mechanisms was investigated by comparison with the experimental data. The results show that in the given conditions(condition1,inlet Mach 0.160,temperature 537 K,fuel-air ratio 0.004 8,atmospheric pressure;condition 2,inlet Mach 0.155,temperature 523 K,fuel-air ratio 0.010 0,atmo?spheric pressure),temperature and CO2emissions were accurately predicted by two mechanisms.Good predic?tion of NO emissions was obtained at condition 1 while overprediction at condition 2 by the Aachen mecha?nism.However,large discrepancies of calculated NO emissions and experimental data were observed by the Kundu mechanism at two conditions.

aero-engine combustor；flamelets model；jet fuel；chemical reaction mechanism；perfectly stirred reactor；two phase combustion

V231.2

A

1672-2620(2013)04-0022-06

2013-01-14；

2013-07-18

王慧汝(1984-)，男，山西長(zhǎng)治人，博士，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒數(shù)值模擬方法研究。