孫得川 向偉彬

DOI：10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2018.06.010

摘要：煤油作為航空航天發(fā)動機的理想燃料，其點火特性對動力裝置的研制至關(guān)重要。本文開發(fā)了等容絕熱燃燒的化學(xué)動力學(xué)計算軟件，可進行包含準(zhǔn)總包反應(yīng)的燃燒機理計算。采用8組分19步反應(yīng)計算了氫-空氣燃燒，采用10步準(zhǔn)總包簡化反應(yīng)機理計算了煤油-空氣燃燒，計算結(jié)果與實驗結(jié)果符合較好。計算了不同初溫和壓力條件下煤油的反應(yīng)誘導(dǎo)時間，結(jié)果表明，初溫和壓力對煤油反應(yīng)誘導(dǎo)時間的影響都很大;溫度和壓力的提升會使反應(yīng)誘導(dǎo)時間迅速縮短;初始壓力為18MPa時反應(yīng)誘導(dǎo)時間只有5.3μs，而101.325kPa時的反應(yīng)誘導(dǎo)時間長達800μs。

關(guān)鍵詞：煤油;反應(yīng)機理;誘導(dǎo)時間;壓力;溫度

中圖分類號：TJ763;V231.2文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1673-5048（2018）06-0060-06[SQ0]

0引言

作為最經(jīng)濟可行的燃料，煤油不僅在航空發(fā)動機中廣泛應(yīng)用，而且也是超燃沖壓發(fā)動機和液體火箭發(fā)動機的理想燃料。因為這些發(fā)動機的工作環(huán)境差別很大，所以了解煤油在其中的燃燒規(guī)律對于動力裝置的研究顯得尤其重要。為此，許多學(xué)者對以煤油為燃料的各類發(fā)動機開展了數(shù)值模擬的研究工作，以期通過數(shù)值仿真了解流動和燃燒的細節(jié)。

盡管不同類型發(fā)動機所使用的煤油不同，但燃燒特性接近。不過由于煤油成分復(fù)雜，其燃燒機理也非常復(fù)雜，例如Dagaut等人的3組分替代煤油燃燒反應(yīng)機理模型包含了209種組分1673步反應(yīng)[1];Honnet等人的2組分替代煤油燃燒反應(yīng)模型也包含了122種組分900步反應(yīng)[2]。在數(shù)值仿真中，如果直接采用這些包含上百種組分和上千種反應(yīng)的機理來研究煤油的燃燒特性存在很大困難，所以很多煤油燃燒流場的數(shù)值模擬研究都采用了簡化的燃燒模型。例如胡欲立等人計算了帶有凹槽的超聲速燃燒室中煤油的霧化燃燒過程[3]，郭瑞卿等人計算了替代燃料對航空發(fā)動機燃燒室性能的影響[4]，都是采用了FLUENT軟件和PDF燃燒模型。因為PDF模型是基于化學(xué)平衡假設(shè)的，所以采用該模型計算低速流動條件下的燃燒雖適合，但是對于超聲速燃燒計算誤差較大。王慧汝等人利用FLUENT比較計算Kundu反應(yīng)機理和亞琛反應(yīng)機理在模型燃燒室內(nèi)的應(yīng)用時采用了火焰面模型[5]，忽略了反應(yīng)速率的影響。另一種簡化方式是采用過度簡化的反應(yīng)機理，例如萬田等人的計算直接采用了總包反應(yīng)[6]，萬少文等人計算RBCC中的燃燒流動時采用了3步反應(yīng)模型[7]，這些模型認為燃燒受湍流混合控制而不考慮反應(yīng)速率的影響。對于發(fā)動機點火問題，采用忽略反應(yīng)速率的簡化模型就無法反映出煤油燃燒的動力學(xué)特性，因此較為合適的反應(yīng)模型是在復(fù)雜機理的基礎(chǔ)上進行簡化，減少其中的組分數(shù)目和反應(yīng)數(shù)目。例如樂嘉陵院士團隊采用10組分12步反應(yīng)的簡化機理進行數(shù)值模擬[8]。在研究煤油點火延遲時，國內(nèi)則多采用CHEMKIN軟件的激波管計算模塊對復(fù)雜機理進行模擬[9]。

為了研究發(fā)動機中煤油點火延遲的動力學(xué)特性及其影響因素，并確定可用于數(shù)值模擬的煤油

簡化機理，本文開發(fā)了一種通用的適用于簡化機理和復(fù)雜機理的化學(xué)動力學(xué)計算軟件，并研究了一種簡化處理的煤油（C10H20）的10步簡化反應(yīng)機理，通過與實驗的比較確定了其中的參數(shù);計算了不同初始溫度和壓力條件下的煤油反應(yīng)過程，探討了壓力和初溫對煤油反應(yīng)誘導(dǎo)時間的影響。該軟件模塊可以直接移植到燃燒流場計算中。

1計算模型

本文開發(fā)的化學(xué)動力學(xué)計算軟件的基礎(chǔ)是多組分混合氣體的化學(xué)非平衡計算模型[10]。該模型不考慮流動對燃燒的影響，假定反應(yīng)發(fā)生在絕熱、定容且各向同性的流體微團中，因此反應(yīng)過程只受化學(xué)動力學(xué)控制。

1.1程序框圖

軟件的計算核心采用FORTRAN95編寫，用戶界面采用WPF編寫，可在安裝了.NET的Windows7和WindowsXP環(huán)境下運行。軟件流程圖如圖1所示，其中組分輸入、初始條件輸入和反應(yīng)機理輸入都采用文本文件的形式;熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫（Thermodatabase）采用NASA版本的thermo.dat文件。

3結(jié)果與討論

3.1煤油反應(yīng)機理

因為詳細的煤油反應(yīng)機理過于復(fù)雜，所以工程上較為實用的是包含較少反應(yīng)步數(shù)的準(zhǔn)總包反應(yīng)機理（Quasi-GlobalMechanism）。準(zhǔn)總包反應(yīng)機理是指煤油先通過一步不可逆反應(yīng)氧化為CO，H2等，然后再計算CO，H2的多步反應(yīng)，其優(yōu)點在于既考慮了烴類燃料的裂解特性，又大大簡化了煤油反應(yīng)機理。盡管煤油的成分很復(fù)雜，但是因為燃燒的特征相近，所以本文采用一種簡化處理的煤油作為算例研究，其分子式為C10H20，對應(yīng)的燃燒機理是Choi在乙烯準(zhǔn)總包反應(yīng)[13]的基礎(chǔ)上發(fā)展的煤油10步準(zhǔn)總包反應(yīng)機理[14]，見表1。但是在上述文獻中，并未找到總包反應(yīng)中反應(yīng)物的反應(yīng)速率指數(shù)η′，如果采用相應(yīng)的計量系數(shù)作為指數(shù)顯然對于O2是過高了，為此本文進行了大量的參數(shù)調(diào)整和與實驗數(shù)據(jù)的對比驗證，最終確定C10H20的反應(yīng)速率指數(shù)1.0，O2的指數(shù)為0.83。

3.2初始溫度對反應(yīng)誘導(dǎo)時間的影響

應(yīng)用上述的10步反應(yīng)機理，計算了煤油在空氣中的燃燒過程，其初始壓力為2MPa，初始溫度為1200K。計算結(jié)果如圖3所示。計算得到的反應(yīng)誘導(dǎo)時間約為40μs，與實驗數(shù)據(jù)[14]符合較好。

圖4所示為根據(jù)該反應(yīng)機理計算的初始壓強為10×101.325kPa時，不同初始溫度條件下的反應(yīng)誘導(dǎo)時間，并與實驗數(shù)據(jù)[15-16]進行了對比。由對比結(jié)果可見，根據(jù)該反應(yīng)機理計算的煤油燃燒的誘導(dǎo)時間在各初始溫度下均與實驗符合較好。這不僅驗證了化學(xué)反應(yīng)計算模塊的正確性，也驗證了煤油反應(yīng)機理的正確性。另外，由計算結(jié)果可知，初始溫度對反應(yīng)速度影響很大，初溫的升高會使反應(yīng)誘導(dǎo)時間迅速減小。

3.3壓力對反應(yīng)誘導(dǎo)時間的影響

為考察壓力對反應(yīng)的影響，本文計算了煤油和空氣的混合比為當(dāng)量混合比，初溫均為1200K，壓力分別為101.325kPa、2MPa和18MPa三種條件下的煤油反應(yīng)，計算結(jié)果如圖5～7所示。

從三種不同初始壓力下的反應(yīng)誘導(dǎo)時間可知，在初始壓力為101.325kPa條件下，煤油反應(yīng)誘導(dǎo)時間約為800μs，而壓力達到18MPa時，誘導(dǎo)時間降低到5.3μs，相差兩個數(shù)量級。在液體火箭發(fā)動機中，燃燒室壓力通常高達10MPa以上，在這樣的工況下，煤油的反應(yīng)誘導(dǎo)時間為幾微秒，遠小于流動計算的時間步長，可以近似認為反應(yīng)迅速發(fā)生，忽略其誘導(dǎo)時間的影響，因此認為燃燒處于化學(xué)平衡狀態(tài)是合理的;而對于沖壓發(fā)動機，其燃燒室壓力經(jīng)過進氣道的沖壓作用后尚不及一個大氣壓，煤油反應(yīng)的誘導(dǎo)時間為1ms的量級，這個時間處于與燃燒室內(nèi)氣流的停留時間接近的水平，顯然只有采用化學(xué)動力學(xué)模型才能模擬超燃沖壓發(fā)動機中的燃燒反應(yīng)過程。另外，沖壓發(fā)動機燃燒室內(nèi)的空氣流速約為1000m/s的量級，煤油反應(yīng)的誘導(dǎo)時間在毫秒量級也說明，如果煤油直接在流動的空氣中燃燒，那么燃燒室長度至少達到1m以上才可能充分釋放能量;對于超燃沖壓發(fā)動機，采用縮比模型進行燃燒實驗是不可行的。

4結(jié)論

本文開發(fā)了基于等體積燃燒模型和化學(xué)動力學(xué)模型的計算軟件，依據(jù)煤油燃燒的10步簡化機理計算了不同初溫和壓力條件下的煤油燃燒過程，與實驗結(jié)果對比符合較好。根據(jù)計算結(jié)果得到如下結(jié)論：

（1）采用并確定參數(shù)的10步煤油簡化反應(yīng)機理可以較好地模擬煤油燃燒過程，計算得到的反應(yīng)誘導(dǎo)時間與實驗值一致性較好。

（2）溫度對反應(yīng)速率的影響很大，初溫的提升會使反應(yīng)誘導(dǎo)時間迅速縮短。

（3）壓力對煤油反應(yīng)誘導(dǎo)時間影響很大，初始壓力為18MPa時反應(yīng)誘導(dǎo)時間只有5.3μs，而在101.325kPa時的反應(yīng)誘導(dǎo)時間長達800μs;

根據(jù)計算結(jié)果，對于超燃沖壓發(fā)動機中的燃燒反應(yīng)，應(yīng)該采用化學(xué)動力學(xué)模型才能有效模擬其反應(yīng)過程，采用縮比模型實驗來研究超聲速燃燒過程是不可行的。

參考文獻：

[1DagautP，BakaliAE，RistoriATheCombustionofKerosene：ExperimentalResultsandKineticModelingUsing1to3ComponentSurrogateModelFuels[J].2006，85（7）：944-956.

[2]HonnetS，SeshadriK，NiemannU，etal.ASurrogateFuelforKerosene[J].ProceedingsoftheCombustionInstitute，2009，32（1）：485-492.

[3]胡欲立，劉歐子，蔡元虎.液體煤油超聲速燃燒的三維數(shù)值分析[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，2007，13（3）：214-219.

HuYuli，LiuOuzi，CaiYuanhu.ThreeDimensionalNumericalAnalysisofLiquidKeroseneSupersonicCombustion[J].JournalofCombustionScienceandTechnology，2007，13（3）：214-219.（inChinese）

[4]郭瑞卿，唐正府，尚守堂，等.替代燃料對航空發(fā)動機燃燒室性能影響的計算研究[J].航空發(fā)動機，2016，42（1）：21-24.GuoRuiqing，TangZhengfu，ShangShoutang，etal.SimulationonInfluenceofAlternativeFuelonCombustorPerformanceforAeroengine[J].Aeroengine，2016，42（1）：21-24.（inChinese）

[5]王慧汝，金捷.采用不同航空煤油反應(yīng)機理模擬模型燃燒室兩相燃燒流場[J].燃氣渦輪試驗與研究，2013，26（4）：22-27.

WangHuiru，JinJie.NumericalSimulationofTwoPhaseCombustionFieldsinaModelCombustorUsingTwoDifferentChemicalReactionMechanismsofJetFuel[J].GasTurbineExperimentandResearch，2013，26（4）：22-27.（inChinese）

[6]萬田，李東霞，陳立紅，等.超燃燃料和空氣混合及燃燒的數(shù)值模擬[C]∥第二屆高超聲速科技學(xué)術(shù)會議，黃山，2009.

WanTian，LiDongxia，ChenLihong，etal.NumericalSimulationofKeroseneAirMixingandCombustioninScarmjetCombustors[C]∥2ndHypersnicAcademicConference，Huangshan，2009.（inChinese）

[7]萬少文，何國強，劉佩進，等.RBCC混合燃燒模式下燃料噴注位置對燃燒性能影響研究[J].固體火箭技術(shù)，2010，33（6）：636-640.

WanShaowen，HeGuoqiang，LiuPeijin，etal.ResearchofCombustionaboutInjectorPositioninRocketInducedSecondaryCombustionofRBCCEngine[J].JournalofSolidRocketTechnology，2010，33（6）：636-640.（inChinese）

[8]楊順華，樂嘉陵，趙慧勇，等.煤油超燃沖壓發(fā)動機三維大規(guī)模并行數(shù)值模擬[J].計算物理，2009，26（4）：534-540.

YangShunhua，LeJialing，ZhaoHuiyong，etal.ThreeDimensionalMassivelyParallelNumericalSimulationofKeroseneFueledScramjet[J].ChineseJournalofComputationalPhysics，2009，26（4）：534-540.（inChinese）

[9]王慧汝，金捷，王靜波，等.正癸烷燃燒機理及航空煤油點火延時動力學(xué)模擬[J].高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報，2012，33（2）：341-345.

WangHuiru，JinJie，WangJingbo，etal.CombustionMechanismofnDecaneatHighTemperaturesandKineticModelingofIgnitionDelayforAviationKerosene[J].ChemicalJournalofChineseUniversities，2012，33（2）：341-345.（inChinese）

[10]劉君，周松柏，徐春光.超聲速流動中燃燒現(xiàn)象的數(shù)值模擬方法及應(yīng)用[M].長沙：國防科技大學(xué)出版社，2008.

LiuJun，ZhouSongbai，XuChunguang.NumericalSimulationandApplicationofCombustionPhenomenainSupersonicFlow[M].Changsha：NationalUniversityofDefenseTechnologyPress，2008.（inChinese）

[11]WilsonGJ，MacCormackRW.ModelingSupersonicCombustionUsingaFullyImplicitNumericalMethod[J].AIAAJournal，1992，30（4）：1008-1015.

[12]BhaskaranKA，GuptaMC，JustT.ShockTubeStudyoftheEffectofUnsymmetricDimethylHydrazineontheIgnitionCharacteristicsofHydrogenAirMixtures[J].Combustion&Flame，1973，21（1）：45-48.

[13]SinghDJ，JachimowskiCJ.QuasiglobalReactionModelforEthyleneCombustion[J].AIAAJournal，1994，32（1）：213-216.

[14]ChoiJY.AQuasiGlobalMechanismofKeroseneCombustionforPropulsionApplications[C]∥AIAA/ASME/SAE/ASEEJointPropulsionConference&Exhibit，SanDiego，California，2013.

[15]DagautP，CathonnetM.TheIgnition，Oxidation，andCombustionofKerosene：AReviewofExperimentalandKineticModeling[J].ProgressinEnergyandCombustionScience，2006，32（1）：48-92.

[16]DavidsonDF，HansonRK.FundamentalKineticDatabaseUtilizingShockTubeMeasurements[C]∥6thInternationalConferenceonChemicalKinetics，Gaithersburg，MD，2005：25-29.