蔡中長，何小民，蔣 波，葛佳偉

（南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京210016）

0 引言

民用航空已成為增長速度最快的能源消耗者和燃燒污染排放者，為了控制民用航空發(fā)動機(jī)排放對環(huán)境造成的影響，國際民航組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）在1981年頒布了〈航空發(fā)動機(jī)的排放標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)境保護(hù)方面的活動都由航空環(huán)境保護(hù)委員會（Committeeon Aviation Environ-mental Protection，CAEP）來組織，此后陸續(xù)制定了CAEP1（1986年）、CAEP2（1996年）、CAEP4（2004年）、CAEP6（2008年）和CAEP8（2010年）等多個排放標(biāo)準(zhǔn)條例，ICAO CAEP規(guī)定NOX（主要是NO和NO2）、CO、未燃碳?xì)浠衔铮║HC）和冒煙（Smoke）為航空發(fā)動機(jī)排放的主要污染物，發(fā)動機(jī)分為亞聲速飛行和超聲速飛行的渦輪噴氣和渦扇發(fā)動機(jī)2類，標(biāo)準(zhǔn)主要考慮發(fā)動機(jī)起飛、爬升、下降、進(jìn)近以及慢車滑行等階段[1-2]。國內(nèi)外分別針對RQL燃燒室和TVC開展了大量系統(tǒng)的研究工作，但是針對TVC結(jié)合RQL燃燒技術(shù)而開展的研究工作較少。在第3代TVC的基礎(chǔ)上，美國能源部（DOE） 主導(dǎo)開發(fā)了采用氣流分配盤（Distributor Plate） 實現(xiàn)主流快速摻混淬熄作用的TVC，在軸對稱罐式燃燒室（Can Combustor）的TVC平臺上開發(fā)了RQL低排放燃燒技術(shù)。數(shù)值模擬研究和試驗結(jié)果表明，RQL-TVC能夠有效地降低NOx的排放量[3-4]。北京航空航天大學(xué)的樊未軍等借鑒美國的氣流分配盤及軸對稱罐式TVC概念，通過試驗方法研究了RQL-TVC的低NOx排放特性[5]。但是罐裝RQL-TVC的淬熄裝置氣流分配盤不適用于矩形燃燒室或環(huán)形燃燒室，因此需要進(jìn)一步開展相應(yīng)的研究。南京航空航天大學(xué)的金義、何小民等在TVC中未采用摻混裝置，而采用TVC的主流作用來實現(xiàn)淬熄作用，并通過改進(jìn)油氣組織方式來實現(xiàn)RQL分級燃燒，對其排放性能開展了研究[6-7]，因此有待進(jìn)一步改進(jìn)。王丹丹、周君輝等對傳統(tǒng)RQL的燃燒性能和排放性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，但未對LTO循環(huán)狀態(tài)下的排放性能開展研究[8-9]。

本文基于矩形的駐渦燃燒室平臺，采用RQL低排放燃燒技術(shù)，實現(xiàn)富油-淬熄-貧油分級燃燒，達(dá)到低排放的目的，并對RQL-TVC在LTO循環(huán)狀態(tài)下的排放性能進(jìn)行數(shù)值模擬。研究結(jié)果對RQL-TVC的優(yōu)化設(shè)計及試驗研究工作具有一定的參考價值。

1 研究模型、方法和內(nèi)容

1.1 模型的建立和網(wǎng)格的劃分

研究對象RQL-TVC的幾何3維模型如圖1所示，該燃燒室工作分區(qū)如圖2所示。因為RQL-TVC的幾何結(jié)構(gòu)頗為復(fù)雜[10-11]，直接對整體進(jìn)行研究計算量極大，較為困難，因此對該燃燒室進(jìn)行簡化：取燃燒室的單頭部模型，將兩側(cè)截面設(shè)為周期面；燃燒室的模型為對稱模型，故中間截面可設(shè)為對稱面，取單側(cè)為研究對象。模擬結(jié)果仍然能代表燃燒室的基本特征。

圖1 RQL-TVC幾何模型

圖2 RQL-TVC的工作分區(qū)

利用Gambit軟件對所建立的3維幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，該模型網(wǎng)格大部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，可以大大減少網(wǎng)格數(shù)量，減小內(nèi)存和計算時間的消耗。研究對象3維網(wǎng)格如圖3所示，網(wǎng)格總數(shù)約為1460000。數(shù)值模擬邊界條件如圖4所示。

圖3 RQL-TVC模型3維網(wǎng)格

圖4 RQL-TVC模型邊界條件

1.2 研究方法

運用計算流體力學(xué) (CFD)軟件FLUENT對RQL-TVC在LTO循環(huán)中起飛、爬升、進(jìn)近、慢車4個狀態(tài)下進(jìn)行數(shù)值模擬。從質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒3 大定律出發(fā)，根據(jù)有限體積法求解N-S方程，建立起湍流2相多組分化學(xué)反應(yīng)流動的控制方程組（包含氣相控制方程組和液相控制方程組），2相之間的耦合則由氣/液相互作用的源項來描述。采用歐拉坐標(biāo)系描述氣相方程；采用拉格朗日坐標(biāo)系下的粒子軌道方法來模擬跟蹤液滴的運動。選取SIMPLE計算方法，采用Realizablek-ε 湍流模型，輻射模型采用P1模型；燃燒過程采用概率密度函數(shù)法（PDF），近壁面處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

NOX的輸運方程通過給定的流場和燃燒結(jié)果來求解，即NOX的預(yù)測是燃燒模擬的后處理過程，因此準(zhǔn)確的燃燒模擬結(jié)果是NOX預(yù)測的前提。為了預(yù)測NOX的排放，F(xiàn)luent解決了NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的輸運方程，對于燃料NOX源，F(xiàn)luent解決了中間產(chǎn)物（NH3或HCN）的輸運方程[12-14]。

NOx產(chǎn)生機(jī)制主要考慮熱力型NO，其組分的輸運方程為

跟蹤含氮的中間產(chǎn)物組分是很重要的，因此FlUENT除了NOx組分，還解決了HCN或NH3組分的輸運方程

其中：YHCN、YNH3和YNO分別為氣相的HCN、NH3、NO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

對RQL-TVC開展燃燒狀態(tài)及排放產(chǎn)物的模擬。首先選用SIMPLE計算方法、Realizablek-ε 湍流模型進(jìn)行冷態(tài)模擬，在收斂的基礎(chǔ)上不斷調(diào)整出口壓力的值，使進(jìn)口流量滿足不同狀態(tài)下的設(shè)計質(zhì)量流量值，然后均在收斂的基礎(chǔ)上依次加入PDF燃燒模型、P1輻射模型和NOX模型等進(jìn)行燃燒狀態(tài)的模擬[15-21]。

1.3 研究內(nèi)容

參考民用航空發(fā)動機(jī)燃燒室工作狀態(tài)參數(shù)的典型實例[15]，建立RQL-TVC（25個頭部）在LTO循環(huán)中起飛、慢車、爬升、進(jìn)近4個工作狀態(tài)下的設(shè)計參數(shù)，見表1。

表1 數(shù)值模擬設(shè)計參數(shù)

2 排放性能的數(shù)值模擬結(jié)果

按照ICAOCAEP標(biāo)準(zhǔn)換算到排氣污染物指數(shù)EI，即EIX=WX/Wf，X 為污染物，EI 是計算ICAO規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)下排放物的基礎(chǔ)，單位為g（污染物）/kg（燃料）。

排氣污染參數(shù)定義為在起飛-著陸（LTO）循環(huán)期間排放污染物與起飛推力之比，用Dp/F∞來表示

式中：Dp為每個規(guī)定的LTO循環(huán)中排放的任何1種氣態(tài)污染物質(zhì)量；F∞為在海平面(International StandardAtmosphere，ISA)靜止?fàn)顟B(tài)下發(fā)動機(jī)不噴水以正常工作狀態(tài)起飛時可用的最大功率或額定推力；Wf為燃油的質(zhì)量流量；t 為各狀態(tài)時間；EI 為排放指數(shù)；下標(biāo)j 表示氣態(tài)污染物（包括NOX、UHC、CO）[22-23]。

亞聲速和超聲速航空發(fā)動機(jī)在LTO 循環(huán)中功率和狀態(tài)工作時間規(guī)定見表2。從表中可見，F(xiàn)*∞為使用加力時在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下起飛時的最大功率或推力。

表2 航空發(fā)動機(jī)的LTO循環(huán)[22]

由于NOX的排放對環(huán)境污染的嚴(yán)重性，ICAO CAEP標(biāo)準(zhǔn)中對NOX的規(guī)定也日趨嚴(yán)格。對于NOX的規(guī)定，以CAEP1為基礎(chǔ)，CAEP2、4和6標(biāo)準(zhǔn)各自與前1個標(biāo)準(zhǔn)相比，后者分別降低20%，6.5%和12%[22-23]。NOX排放規(guī)定值見表3，π∞為額定輸出時達(dá)到的燃燒室進(jìn)口壓力和發(fā)動機(jī)進(jìn)氣壓力之比。

表3 CAEP6規(guī)定的航空發(fā)動機(jī)NOX污染標(biāo)準(zhǔn)[3]

在上述3個標(biāo)準(zhǔn)中，對UHC、CO、Smoke的規(guī)定是相同的。SN 為冒煙排放數(shù)。

2.1 燃燒效率

根據(jù)燃?xì)夥治龇ㄓ嬎闳紵蔥15]

其中：[X]是該燃?xì)饨M分X 在燃燒室出口的體積分?jǐn)?shù)。

在數(shù)值模擬的結(jié)果中讀取每1 種燃?xì)獬煞值哪栿w積，CH4和H2的摩爾體積相對很小，UHC的摩爾體積趨近于0。代入式（4）計算得到4個狀態(tài)下的燃燒效率，如圖5所示。

從圖中可見，RQL-TVC在LTO循環(huán)4個狀態(tài)下的燃燒效率都已經(jīng)達(dá)到97.5%以上。一般來講，進(jìn)口壓力越大，進(jìn)口空氣溫度越高，霧化越好，反應(yīng)速度也越快，燃燒效率越高。鑒于在駐渦燃燒室中組織RQL分級燃燒，全部燃油供入駐渦區(qū)形成富油燃燒。在起飛、爬升的大狀態(tài)下，供入燃油量大，降低了霧化質(zhì)量，油霧場變差，即使在貧油燃燒后仍不夠充分，降低了燃燒效率。而在慢車狀態(tài)下由于進(jìn)口壓力小、進(jìn)口空氣溫度越低，霧化較差，燃燒效率偏低。因此本文中RQL-TVC的燃燒效率呈現(xiàn)出圖5的特點。

圖5 LTO循環(huán)狀態(tài)下的燃燒效率

2.2 LTO循環(huán)狀態(tài)下的排放指數(shù)（EI）

數(shù)值模擬的計算方法根據(jù)EI 的定義出發(fā)，在數(shù)值模擬結(jié)果中，讀取某種污染物的質(zhì)量流量(WX，g/s)和燃油的質(zhì)量流量（Wf，kg/s），EI 的值為二者之比，單位g/kg

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，可以計算出LTO循環(huán)狀態(tài)下的各污染物出口流量，見表4。

表4 在LTO循環(huán)狀態(tài)下各污染物的流量 kg/s

LTO循環(huán)各狀態(tài)下的燃油流量在設(shè)計參數(shù)中已經(jīng)給出，見表1中LTO循環(huán)狀態(tài)下各Wf值，LTO循環(huán)狀態(tài)下各排放物的流量見表4。根據(jù)以上EI 的計算公式，可得LTO循環(huán)各狀態(tài)下的各污染物的EI值，見表5。

根據(jù)文獻(xiàn)[7]分析可知，駐渦區(qū)余氣系數(shù)為0.92，根據(jù)流量分配推導(dǎo)出總余氣系數(shù)為3，換算為油氣比對應(yīng)為0.0224，可對應(yīng)于LTO循環(huán)狀態(tài)下的起飛狀態(tài)。根據(jù)文獻(xiàn)[7]試驗數(shù)據(jù)換算可知，上述狀態(tài)下的排放量為：EIUHC=0.0163g/kg，EICO=41.2g/kg，EINOx=11.32 g/kg。與表5比較可知，試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相近，因此數(shù)值模擬結(jié)果具有可靠性，但是也存在一定差異。原因在于試驗中的壓力為常壓狀態(tài)，且燃燒室進(jìn)口壓力相對較低，燃燒效率也相對較低，與數(shù)值模擬的真實航空發(fā)動機(jī)狀態(tài)存在一定差異。

由于CF6-80C2A5發(fā)動機(jī)與RQL-TVC在LTO循環(huán)各狀態(tài)乘以頭部數(shù)后的供油量近似，則各狀態(tài)的EI值具有一定的參照價值，因此二者的EI 具有一定的可比性。CF6-80C2發(fā)動機(jī)是美國GE公司于20世紀(jì)80年代中期以后發(fā)展的大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)，以滿足2000年前后大型寬機(jī)身旅客機(jī)進(jìn)一步降低耗油率和提高可靠性的要求[24]。CF6-80C2A5發(fā)動機(jī)的排放指數(shù)EI 見表6。

表5 LTO循環(huán)狀態(tài)下各污染物的EI值 kg/s

目前的低排放的技術(shù)，NOX的排放最受關(guān)注，RQL-TVC的設(shè)計目的就是為了降低NOX的排放。從 表5、6中 可 見，RQL-TVC中NOX的EI值 較CF6-80C2A5發(fā)動機(jī)NOX的EI值在各工作狀態(tài)下均偏小，且在同一數(shù)量級上。LTO循環(huán)狀態(tài)下NOX的排放數(shù)如圖6所示。從圖中可見，傳統(tǒng)燃燒室的EI值大于25g/kg，RQL燃燒室在LTO循環(huán)的4個狀態(tài)下的NOX排放指數(shù)EI 均低于傳統(tǒng)燃燒室的，約為CF6-80C2A5發(fā)動機(jī)NOX排放量的50%。

從表5、6中還可見，RQL-TVCUHC的EI值比CF6-80C2A5發(fā)動機(jī)各狀態(tài)的EI值都低很多，說明燃油蒸發(fā)裂解完全，幾乎沒有未燃的碳?xì)洹?/p>

RQL-TVCCO的EI值比CF6-80C2A5發(fā)動機(jī)各狀態(tài)的EI值都大。但4個狀態(tài)的EI值大小的趨勢一致，起飛、爬升和進(jìn)近CO的EI值相差不大，慢車CO的EI值比進(jìn)近大1個數(shù)量級。

RQL-TVCCO的EI值偏大的原因可以參考RQL燃燒技術(shù)的原理[1，3]。RQL燃燒技術(shù)的核心在于分級進(jìn)氣，實現(xiàn)在不同當(dāng)量比下的分級燃燒，從而控制NOX的排放。但是NOX的排放量趨勢卻是與CO的排放量趨勢截然相反的，如圖7所示。本文中的RQL-TVC的NOX排放指數(shù)EI 已經(jīng)低于傳統(tǒng)燃燒室的50%以上，反之帶來的不利是CO的排放指數(shù)EI較大，特別是在慢車狀態(tài)下，原因在于慢車狀態(tài)下的溫升低，燃燒室絕對溫度也就偏低，位于1700K以下的區(qū)域，參考圖7可知這是1個低NOX高CO的排放區(qū)域。此外，在起飛、爬升的大狀態(tài)下，供入燃油量大，降低了霧化質(zhì)量，油霧場變差，燃燒不充分，效率相對偏低，因此CO的排放較高。本文中的RQL-TVC需要更進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計，來解決CO排放量的問題。

表6 CF6-80C2A5發(fā)動機(jī)的排放指數(shù)[19] g/kg

圖6 LTO循環(huán)狀態(tài)下NOX的排放數(shù)

2.3 LTO排放數(shù)

圖7 溫度和主燃區(qū)當(dāng)量比對CO和NOx排放量的影響[1，22]

在ICAO的CAEP標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定LTO循環(huán)中由燃?xì)夥治霾蓸拥玫矫總€運行模式下的氣態(tài)污染物，需要換算到海平面起飛時航空燃?xì)廨啓C(jī)單位推力（kN）下污染物的排放數(shù)，定義為LTO排放數(shù)，其單位為g/kN，計算方法為：LTO排放數(shù)（g/kN）=Dp/F∞=

根據(jù)表1、3、5和LTO排放數(shù)公式計算可得LTO循環(huán)各狀態(tài)下NOx的排放量

則NOx在LTO循環(huán)中的排放總量為

《航空發(fā)動機(jī)設(shè)計手冊》中沒有給出該典型民用發(fā)動機(jī)的額定推力F∞和進(jìn)、出口壓比π∞的值。取用參考機(jī)型CF6-80C2A8的參數(shù)，其額定推力為25740 daN，進(jìn)、出口壓力比為30.4～32.7，取1個適當(dāng)?shù)闹虚g值31.5，故設(shè)：F∞=25.7kN，π∞=31.5。

NOx的LTO排放數(shù)（g/kN）=ΣDp/F∞=5174.2/25.7=20.1g/kN

同理可以計算UHC和CO的LTO排放數(shù)，結(jié)果數(shù)據(jù)見表7。

表7 RQL-TVC的LTO排放數(shù)

RQL-TVC與CAEP標(biāo)準(zhǔn)下NOx的LTO排放數(shù)比較如圖8所示。從圖中可見，RQL-TVCNOx的排放數(shù)僅為20.1g/kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于4個CAEP標(biāo)準(zhǔn)的限制值。RQL-TVCNOx在CAEP標(biāo)準(zhǔn)下的排放水平如圖9所示。 從圖中可見，RQL-TVCNOX的排放數(shù)僅 為 CAEP6 標(biāo) 準(zhǔn) 的29.1%，低于設(shè)計目標(biāo)50%，說明RQL-TVC的設(shè)計滿足NOX的低排放要求。

CO的LTO排放數(shù)為253.8g/kN，該值偏大的原因與RQL技術(shù)中NOX和CO的矛盾有關(guān)，也與燃油霧化質(zhì)量、油霧場分布、燃燒效率等相關(guān)。雖然NOX的低排放得到主要關(guān)注，但CO的低排放也需要得到重視，后續(xù)工作需要在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，降低CO的LTO排放數(shù)。

UHC的LTO排放數(shù)只為0.24g/kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于CAEP標(biāo)準(zhǔn)中的19.6g/kN，說明數(shù)值模擬的燃油蒸發(fā)裂解完全，未燃碳?xì)淞繗堄嗔可佟?/p>

圖8 RQL-TVC與CAEP標(biāo)準(zhǔn)下NOx的LTO排放數(shù)比較

圖9 RQL-TVCNOx在CAEP標(biāo)準(zhǔn)下的排放水平

3 結(jié)論

通過對RQL-TVC模型在LTO循環(huán)狀態(tài)開展數(shù)值模擬計算研究，獲得了RQL-TVC的排放特性，得到以下結(jié)論。

（1）在LTO循環(huán)中，本文中的RQL-TVC的NOX排放指數(shù)EI 低于傳統(tǒng)燃燒室的50%以上，UHC的排放指數(shù)EI 接近于0，且低于傳統(tǒng)燃燒室；但CO的排放指數(shù)EI 偏大。

（2）在LTO循環(huán)中，RQL-TVCNOX的LTO排放數(shù)少，其為國際民航組織頒布的航空發(fā)動機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)CAEP6的29.1%；UHC的LTO排放數(shù)接近于0；CO的LTO排放數(shù)在慢車狀態(tài)下的數(shù)值明顯高于其它狀態(tài)下的。

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