郭瑞卿，唐正府，2，尚守堂，2，呂付國(guó)，李　鋒

（1.北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京100191；2.中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng)110015）

替代燃料對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室性能影響的計(jì)算研究

郭瑞卿1，唐正府1，2，尚守堂1，2，呂付國(guó)1，李鋒1

（1.北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京100191；2.中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng)110015）

為探索用其他燃料替代航空煤油的可行性，從航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的角度出發(fā)，研究了燃用其他燃料對(duì)燃燒室性能的影響。在不同燃燒工況下，利用流體計(jì)算軟件FLU EN T模擬計(jì)算得到航空煤油、輕柴油、工業(yè)酒精的燃燒性能。結(jié)果表明：從燃燒的角度來(lái)看，輕柴油的燃燒性能與航空煤油的差別不大，可直接替代航空煤油或與航空煤油混合使用；工業(yè)酒精與航空煤油的燃燒性能差距很大，用作航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃料還需深入研究。

替代燃料；航空煤油；輕柴油；工業(yè)酒精；燃燒性能；燃燒室；數(shù)值模擬；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0　引言

近年來(lái)，全球航空煤油需求不斷增長(zhǎng)，國(guó)際油價(jià)不斷上漲，各國(guó)都在積極探索用其他燃料替代航空煤油的可行性，其中包括開發(fā)航空合成燃料和生物燃料［1］。德國(guó)科學(xué)家早在20世紀(jì)20年代就已經(jīng)對(duì)1種“費(fèi)-托工藝”的人工合成燃料成功進(jìn)行了試驗(yàn)；Denial等直接采用正十二烷代替美國(guó)JP7航空煤油進(jìn)行裂解和熱傳導(dǎo)的研究；法國(guó)科學(xué)院Ragout針對(duì)法國(guó)TRO航空煤油的3組分替代模型和美國(guó)JP8航空煤油的6組分替代模型開展研究［3-9］；NASA的革命性空間推進(jìn)器概念項(xiàng)目開展了航空煤油替代燃料的深入研究，其目標(biāo)是世界各大石油公司根據(jù)使用者的要求按配方生產(chǎn)低排放型燃料或高噴射型燃料［2］；2008年2月，1架F-WWDD號(hào)空中客車A380-841型客機(jī)以液化燃?xì)鉃槿剂?，成功飛行3 h，成為第1架用液化燃?xì)鉃槿剂巷w行的民用飛機(jī)；波音公司正在與美國(guó)大陸航空公司一起研發(fā)生物燃料，并在新西蘭的1架波音747-400噴氣客機(jī)上進(jìn)行了可持續(xù)生物燃料的飛行測(cè)試［15］；近年來(lái)國(guó)內(nèi)對(duì)替代燃料的研究逐漸重視，中科院力學(xué)所范學(xué)軍、俞剛以大慶RP3航空煤油為例，對(duì)航空煤油進(jìn)行熱物理特性研究［12］；此外，四川大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等也開展了替代燃料的深入研究［13-14］。

本文利用流體計(jì)算軟件FLUENT，針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室在不同工況下燃用航空煤油、輕柴油、工業(yè)酒精3種不同燃料，模擬計(jì)算了其對(duì)燃燒室性能的影響，對(duì)發(fā)展下一代航空替代燃料有一定參考價(jià)值。

1　數(shù)理模型的建立

采用非預(yù)混PDF燃燒模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，航空煤油及輕柴油的成分及物理性質(zhì)見表1。工業(yè)酒精的成分及物理性質(zhì)采用如下方法計(jì)算。

表1　航空煤油及輕柴油的成分及物理性質(zhì)

醇類物質(zhì)反應(yīng)機(jī)理十分復(fù)雜，中間產(chǎn)物極多，若全部考慮，數(shù)值計(jì)算工作量極大。在不影響試驗(yàn)結(jié)果的前提下，可以選取主要中間產(chǎn)物簡(jiǎn)化試驗(yàn)。乙醇的總體反應(yīng)如圖1所示。

圖1　工業(yè)酒精氧化的總體反應(yīng)流程

從圖中可見，脫氫反應(yīng)是乙醇消耗的主要途徑，其使乙醇氧化成不同的中間產(chǎn)物從而完成整個(gè)燃燒氧化過(guò)程。在pre-PDF模型中計(jì)算選取13種組分，工業(yè)酒精反應(yīng)組分見表2。

用pre-PDF軟件計(jì)算的工業(yè)酒精在燃燒反應(yīng)過(guò)程中各組分的摩爾分?jǐn)?shù)和溫度分布分別如圖2、3所示。

表2　工業(yè)酒精反應(yīng)組分

圖2　工業(yè)酒精各組分摩爾分?jǐn)?shù)

圖3　工業(yè)酒精反應(yīng)過(guò)程的溫度變化

采用FLUENT軟件中的Realizable k-ε湍流模型、DDM（Discrete Drop Model）噴霧模型、DO輻射模型、熱力模型NOx排放模型進(jìn)行計(jì)算［10-11］，文獻(xiàn)［11］將該模型的單環(huán)腔燃燒室數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比研究，驗(yàn)證了其計(jì)算結(jié)果的可信度，本文采用與其相同的數(shù)理模型對(duì)不同結(jié)構(gòu)的燃燒室性能進(jìn)行對(duì)比。

1.3網(wǎng)格劃分和邊界條件

1.3.1計(jì)算域和網(wǎng)格劃分

燃燒室結(jié)構(gòu)及計(jì)算域如圖4所示。燃燒室設(shè)計(jì)為20個(gè)頭部、分成64個(gè)體積、總網(wǎng)格數(shù)目為166萬(wàn)。

圖4　燃燒室結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格

1.3.2邊界條件

采用流量進(jìn)、出口邊界條件，其設(shè)置見表3。

在文氏管出口設(shè)置了中空的錐形噴霧，該圓錐的初始直徑為0.019 m（略小于文氏管出口直徑），半錐角為35°。液滴的初始溫度為400 K，初始直徑為40 μm。

表3　燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)

2　燃用不同燃料的燃燒性能

2.1總壓恢復(fù)系數(shù)

在設(shè)計(jì)點(diǎn)燃用3種燃料燃燒室的總壓恢復(fù)系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表4。

表4　設(shè)計(jì)點(diǎn)不同燃料總壓恢復(fù)系數(shù)的比較

從表中可見，在火焰筒出口，燃用工業(yè)酒精的總壓恢復(fù)系數(shù)略高于燃用航空煤油和輕柴油的，說(shuō)明燃用工業(yè)酒精的熱阻損失要低于后二者。

表5　設(shè)計(jì)點(diǎn)不同燃料燃燒效率的比較

2.2燃燒效率

在設(shè)計(jì)點(diǎn)燃用3種燃料燃燒室的火焰筒內(nèi)燃燒效率計(jì)算結(jié)果見表5。

從表中可見，在火焰筒出口，燃用工業(yè)酒精的燃燒效率要大幅低于航空煤油和輕柴油燃用工業(yè)酒精的燃燒效率遠(yuǎn)低于航空煤油和輕柴油的，這可能與工業(yè)酒精熱值較小，燃燒組織較為困難有關(guān)，但其深層原因還需進(jìn)一步研究。

2.3沿流程截面溫度分布

在設(shè)計(jì)點(diǎn)燃用3種燃料燃燒室沿流程截面溫度分布如圖5所示。

圖5　燃燒室縱切面溫度分布（設(shè)計(jì)點(diǎn)1）

從圖中可見，燃用航空煤油和輕柴油的溫度分布十分接近，燃用航空煤油最早出現(xiàn)高溫區(qū)，而燃用工業(yè)酒精火焰較短，高溫區(qū)主要出現(xiàn)在摻混孔前，表明航空煤油最易燃燒。

2.4燃燒室出口溫度分布

在設(shè)計(jì)點(diǎn)燃用3種燃料燃燒室沿出口溫度分布見表6及如圖6所示。

從表6及圖6中可見，燃用航空煤油的出口溫度系數(shù)遠(yuǎn)低于工業(yè)酒精和輕柴油的，其中燃用工業(yè)酒精的出口溫度很低，這可能與工業(yè)酒精熱值較小，燃燒不充分有關(guān)，但其深層原因還需進(jìn)一步研究。

表6　設(shè)計(jì)點(diǎn)不同燃料出口溫度分布系數(shù)

圖6　燃燒室出口溫度系數(shù)分布（設(shè)計(jì)點(diǎn)1）

表7　設(shè)計(jì)點(diǎn)不同燃料出口污染物排放

2.5污染排放

在設(shè)計(jì)點(diǎn)燃用3種燃料燃燒室出口污染排放見表7。

從表中可見，燃用航空煤油的NOx排放最高，CO最低，燃用工業(yè)酒精的NOx排放最低，但CO的排放最高，表明航空煤油燃燒最為充分，這在表5中航空煤油的燃燒效率最高也得以說(shuō)明。

3　結(jié)論

對(duì)比航空煤油、輕柴油、工業(yè)酒精3種不同燃料的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，航空煤油的燃燒效果最好，輕柴油的其次，工業(yè)酒精的最差。從燃燒的角度來(lái)看，由于工業(yè)酒精與航空煤油的熱值、分子量及物性等差距很大，用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)還需進(jìn)行深入研究。

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（編輯：張寶玲）

Simulation on Influence of Alternative Fuel on Combustor Performance for Aeroengine

GUO Rui-qing1，TANG Zheng-fu1，2，SHANG Shou-tang1，2，LYU Fu-guo1，LI Feng1
（1.School of Jet Propulsion，Beihang University，Beijing 100191，China；2.AVIC Shenyang Engine and Design Institute，Shenyang 110015，China）

In order to explore the feasibility of aviation alternative fuel，the influence of the alternative fuel on the combustion performance was investigated.FLUENT fluid computing software was used to simulate different alternative fuels on the combustion properties.For gas turbine combustor under different conditions in the burning of aviation kerosene，light diesel oil or industrial alcohol were simulated，the combustion performance of different fuels was given.The result shows that there is no difference between aviation kerosene and light diesel oil，light diesel oil can be used directly or combining with aviation kerosene by engine combustor from the view of engine combustion performance.There is a wide gulf between the aviation kerosene and the industrial fuel alcohol，it is needed an indepth study for the technology on changing fuel from aviation kerosene to industrial alcohol.

alternative fuel；aviation kerosene；light diesel oil；industrial alcohol；combustion performance；combustor；simulation；aeroengine

V 231.1

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.01.005

2014-12-06基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（90716025）資助

郭瑞卿（1963），男，在讀博士研究生，自然科學(xué)研究員，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和流動(dòng)控制研究工作；E-mail：guorq@avic.com。

引用格式：郭瑞卿，唐正府，尚守堂，等.替代燃料對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室性能影響的計(jì)算研究［J］.航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2016，42（1）：21-25.GUO Rui-qing，TANG Zheng-fu，SHANG Shoutang，et al.Simulation on influence of alternative fuel on combustor performance for aeroengine［J］.Aeroengine，2015，42（1）：21-25.