馮 飛 王 鹍

（北京航天試驗技術(shù)研究所，北京 100074)

甲烷高空排放技術(shù)數(shù)值模擬

馮 飛 王 鹍

（北京航天試驗技術(shù)研究所，北京 100074)

在液氧/甲烷發(fā)動機地面試驗中，發(fā)動機預(yù)冷過程中或試驗結(jié)束后，存在大量的甲烷需要進行排放處理。研究發(fā)現(xiàn)，原有甲烷排放系統(tǒng)在排放過程中甲烷向低空擴散較多，容易在地面形成積聚，發(fā)生危險。為了解決這些問題，重新設(shè)計了甲烷的排放方式，并進行了數(shù)值模擬研究。數(shù)值模擬顯示，新的排放方式向上擴散較多，甲烷不易積聚。同時，還研究了甲烷的擴散規(guī)律，為后續(xù)研究火炬點火等處理方式提供了參考依據(jù)。

數(shù)字化，液氧/甲烷發(fā)動機，甲烷排放，數(shù)值模擬

1 概 述

液氧/甲烷火箭發(fā)動機的研究已有較長歷史。早在20世紀前期，國外就曾進行了探索性的研究。美國在液氧/甲烷發(fā)動機領(lǐng)域開展了大量研究，多家美國研究機構(gòu)進行了點火、傳熱、燃燒及積碳等基礎(chǔ)研究和較小推力發(fā)動機的研制工作。

液氧/甲烷發(fā)動機具有諸多優(yōu)點：在碳氫化合物中，液氧/甲烷比沖最高；甲烷在世界范圍內(nèi)儲量巨大，是目前地球上常規(guī)化石燃料儲量的2倍還多；國外進行的烴類燃料的碳沉積研究表明，在400℃～900℃的燃燒溫度范圍內(nèi)，液氧/甲烷燃燒產(chǎn)物未出現(xiàn)明顯的積碳；美國在1980年進行了電傳熱試驗，研究烴類燃料的結(jié)焦特性，結(jié)果表明，烴類燃料中煤油的結(jié)焦極限溫度最低，甲烷最高；甲烷的密度約為氫的6倍、價格是液氫的1%。在美國重返月球計劃中，鑒于液氧/甲烷發(fā)動機的諸多優(yōu)點，在美國國家航空航天局（NASA）支持下，洛克達因公司、XCOR公司及ATK公司等公司進行了液氧/甲烷發(fā)動機研究，并已開展了多次熱試車。

為研制低成本、高可靠、無污染、可重復(fù)使用、能夠單級入軌的火箭發(fā)動機，近幾年，我國也啟動了液氧/甲烷發(fā)動機的預(yù)研工作，并開展了一系列液氧/甲烷發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)集成驗證試驗。但是，試驗過程中的液態(tài)甲烷排放處理成為一個難題。本文基于數(shù)值模擬方法，對試驗過程中甲烷的高空排放問題進行了仿真研究，發(fā)現(xiàn)了原有排放系統(tǒng)的不足之處，重新設(shè)計了甲烷的排放方式，并通過數(shù)值模擬方法研究了甲烷的濃度分布情況，有利于后續(xù)采取火炬點燃等更有效的排放處理方式。

2 模型建立

2.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

甲烷排放方式選擇高空排放，匯總排放管路高度為18m，排放口形式采用甲、乙2種，如圖1所示，這2種排放形式都具有4個排放口，管路內(nèi)徑均為210mm。

考慮到管路為圓柱形軸對稱結(jié)構(gòu)，將模型簡化，建立以垂直面為對稱面的二維模型，選取的計算域是20m×30m的長方形，研究重點為甲烷從排放管排出后的擴散情況，因此，對擴散區(qū)域進行網(wǎng)格劃分。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格單元為四邊形網(wǎng)格，部分區(qū)域網(wǎng)格模型見圖2。

圖2 二維模型及網(wǎng)格示意圖

2.2 模擬方法及物性參數(shù)確定

湍流模型選用標準k-e模型，定義排放出口湍流強度為10%。采用燃燒模型中不發(fā)生化學反應(yīng)的物質(zhì)輸運模型來模擬甲烷的排放過程。物質(zhì)輸運方程為：

Ri是化學反應(yīng)產(chǎn)生速率，因本文僅模擬甲烷的排放擴散，不發(fā)生化學反應(yīng)，所以，為離散相及用戶定義的源項導(dǎo)致的額外產(chǎn)生速率，是質(zhì)量擴散通量，在k-e湍流模型中，

在系統(tǒng)中出現(xiàn)N種物質(zhì)時，需要解N-1個這種形式的方程。本文將空氣看作1種單一氣體，共有甲烷、空氣2種組分，需要求解1個物質(zhì)輸運方程。甲烷介質(zhì)從排放口排出后與空氣進行傳質(zhì)傳熱，進一步混合。甲烷的密度是影響其流動的重要參數(shù)，200K時甲烷密度為0.97kg/m3，300K時甲烷密度為0.64kg/m3。選用Boussinesq模型確定甲烷密度，此模型比使用依賴于溫度變化而密度發(fā)生變化的模型能夠獲得更快的收斂速度。因此，本文采用不發(fā)生化學反應(yīng)的物質(zhì)輸運和Boussinesq模型模擬甲烷排放的流場分布，計算采用非定常數(shù)耦合隱式解法，步長定為0.1s。

2.3 邊界條件及初始條件的確定

計算流體力學（CFD）模擬的基本邊界條件包括流體進口邊界、流體出口邊界、給定壓力邊界、對稱邊界、壁面邊界、周期性（循環(huán)）邊界等。結(jié)合所研究的實際問題，對以下4種情況進行模擬仿真，具體參數(shù)見表1。

在甲烷介質(zhì)的大量排放過程中，其初始條件是排放管出口的狀態(tài)。液態(tài)甲烷通過排放管路與外界的熱交換，轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)甲烷，到排放管出口處溫度為200K左右。根據(jù)所選擇的邊界條件，模擬的初始條件包括：甲烷介質(zhì)出口溫度、壓力、出口速度、出口流量、湍流強度、環(huán)境溫度等。通過排放流量計算可知，甲烷出口的流速為8.6m/s，保守起見，數(shù)值模擬時甲烷排放速度提高到10m/s。本地區(qū)年平均風速2.2m/s，故有風條件選擇2m/s的風速入口。

3 結(jié)果分析

圖3為無風情況下，甲烷氣體從甲種排放口排出后云團隨時間變化的軌跡圖。圖4為有風且風速為2m/s時甲烷排放過程中的云團隨時間變化的軌跡圖。

甲烷排放到大氣中，在擴散過程中會與空氣混合，形成甲烷-空氣云團。其中，甲烷在空氣中的體積含量是表征云團危險程度的重要參數(shù)。甲烷的爆炸范圍為體積含量的5%～15%，甲烷引起窒息的含量范圍是＞10%，所以確定5%為其危險下限，圖中僅顯示了濃度＞5%的甲烷分布情況。

由圖3可以看出，在無風情況下，從上面2個排放口排出的甲烷氣體隨著時間的推移，不斷向高空飄移。這是由于甲烷氣體的密度小于空氣密度，排放氣體呈浮力擴散。下面2個排放口排出的甲烷氣體，由于具有10m/s的排放速度，在排放過程中氣體有向下沖擊的趨勢，擴散過程中，在氣體排放速度和氣體浮力共同作用下形成如圖3所示的氣體云團。隨著時間的推移，浮力作用逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，在13s后氣體有向上飄逸的趨勢，擴散的動力主要源自環(huán)境對甲烷的浮力。介質(zhì)不斷消散，直至最后達到與空氣非常接近的密度而轉(zhuǎn)為大氣擴散方式。從圖3可以看出，甲烷排放開始13s后，濃度＞5%的區(qū)域已經(jīng)接近排放管所在地面，距離地面高度約1m，排放管周圍地面成為危險區(qū)域，有可能產(chǎn)生爆燃或者窒息。甲烷的擴散系數(shù)只有0.00734，若無外力干擾，其在空氣中的擴散速度很慢，長時間排放后，排放管地面附近會堆積甲烷氣體，形成不安全因素。

圖3 甲烷排放過程云團隨時間變化軌跡圖（無風）

圖4 甲烷排放過程云團隨時間變化軌跡圖（風速2m/s）

由圖4可見，當排放過程中有2m/s的微風時，甲烷的擴散速度明顯加快，大量排出的甲烷在空氣流動的驅(qū)動下從右側(cè)快速飄散，不會向下擴散至地面，可確保安全排放。

而在某次實際排放試驗過程中，試驗當天由于幾乎無風，明顯可以看到大量甲烷氣體下落到地面附近，排放過程中的氣體分布與數(shù)值模擬相似，這也表明數(shù)值模擬具有一定的參考性。通過此次試驗與數(shù)值模擬可以看出，甲烷的排放過程需要改進，速度向下的排放不利于甲烷氣體擴散。在有風的情況下，現(xiàn)有排放系統(tǒng)可以保證大量甲烷的安全排放，但是若無風，則會像此次試驗一樣，產(chǎn)生一些不安全因素。因此，擬將甲烷排放管改為乙種排放形式。下面對這種排放形式進行數(shù)值模擬，為下次液氧/甲烷發(fā)動機試驗提供參考，以保證試驗過程更加安全、可靠。

圖5為無風情況下，甲烷氣體從乙種排放口排出后云團隨時間變化的軌跡圖。圖6為風速2m/s情況下，甲烷氣體從乙種排放口排出后云團隨時間變化的軌跡圖。

由圖5可以看出，從乙種排放管排放甲烷時，甲烷氣體以向上飄散和向周圍擴散為主，向下擴散的距離有限。開始排放10s后，甲烷氣體幾乎全部向高空飄散，屬于安全的高空排放，因此，乙種排放管的排放效果優(yōu)于甲種排放管。

由圖6可以看出，當有空氣流動時，空氣流動也成為甲烷擴散的主要影響因素，大量排出的甲烷會在較短時間內(nèi)迅速擴散，不會造成甲烷氣體堆積及下沉，能夠滿足安全排放要求。

圖5 甲烷排放過程云團隨時間變化軌跡圖（無風）

圖6 甲烷排放過程云團隨時間變化軌跡圖（風速2m/s）

由此可見，對于乙種排放管，無論哪種天氣狀況，其都可以滿足甲烷的安全排放要求。數(shù)值模擬對于甲烷的排放具有一定的指導(dǎo)意義，排放口的形式可以進行一些改進，同時，通過數(shù)值模擬得到甲烷的擴散情況，可為后續(xù)火炬點火處理等方式提供參考，例如設(shè)置點火位置及時間等，以確保甲烷能夠以更安全、更環(huán)保的方式進行排放。

4 小 結(jié)

大流量甲烷的排放技術(shù)是大推力液氧甲烷發(fā)動機試驗中的難題之一。根據(jù)初步制定的高空排放設(shè)計方案建立模型，采用不發(fā)生化學反應(yīng)的物質(zhì)運輸模型和Boussinesq模型對甲烷的排放情況進行數(shù)值模擬。通過分析，發(fā)現(xiàn)原有排放系統(tǒng)在排放過程中，甲烷向低空擴散較多，容易在地面附近聚集，發(fā)生危險。根據(jù)該情況，重新設(shè)計了甲烷的排放方式。數(shù)值模擬顯示，新的排放方式甲烷向上擴散較多，不易積聚。同時，通過數(shù)值模擬，研究了甲烷的擴散規(guī)律，為后續(xù)研究火炬點火等處理方式提供了參考依據(jù)。

1 孫宏明. 液氧/甲烷發(fā)動機評述[J]. 火箭推進, 2006, 32(2): 23～31

2 Philippart K D, Moser M D. Stability Analyses of Liquid Oxygen/Methane injectors using currently available analytical tools[R]. AIAA, 88: 2851

3 Pemple P, Frohlich T, Vernin H. LOX/Methane and LOX/ Kerosene high thrust engine trade-off [R]. AIAA , 2001: 3542

4 鐘水清, 熊繼有, 張元澤, 等. 我國21世紀非常規(guī)能源的戰(zhàn)略研究[J]. 鉆采工藝, 2005, 28(5): 93～98

5 Hernandez R, Mercer S. Carbon deposition characteristics of LO2/HC propellants [R]. AIAA, 87: 1855．

6 Rosenberg S D, Gage M L. Compatibility of hydrocarbon fuels with booster engine combustion chamber liners[R], AIAA, 87: 3215

7 禹天福, 李亞裕. 液氧/甲烷發(fā)動機的應(yīng)用前景[J]. 航天制造技術(shù), 2007, （2）: 1～10

8 Judd D, Buccella S, Alkema M, et al． Development Testing of a LO2/Methane Engine for in－Space Propulsion[R]．AIAA, 2006: 5079

9 張小平, 丁豐年. 我國載人登月重型運載火箭動力系統(tǒng)探討[J]. 火箭推進, 2009, 35（2）: 1～6

1009-8119(2015)01(1)-0058-03