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        基于詳細(xì)反應(yīng)機理的直管中正庚烷燃燒特性研究

        2018-04-26 04:41:11黃景懷
        火箭推進(jìn) 2018年1期
        關(guān)鍵詞:庚烷直管燃燒器

        黃景懷,王 威

        (北京航天動力研究所,北京 100076)

        0 引言

        液氧/煤油推進(jìn)劑火箭發(fā)動機具有性能高、經(jīng)濟性好、無毒無污染等優(yōu)點,是國內(nèi)外重點研究的火箭發(fā)動機。真實的煤油組分繁多,交叉反應(yīng)極其復(fù)雜。為了模擬煤油的燃燒反應(yīng),需要選擇煤油的替代燃料及與之相對應(yīng)的反應(yīng)機理。替代燃料的選取需要遵循如下原則[1]:

        1)兩者熱值相近;

        2)兩者H/C比接近。

        正庚烷作為反應(yīng)機理準(zhǔn)確的一種常見烷烴,其與真實煤油的熱值與H/C比對照如下:

        煤油正庚烷熱值(MJ/kg)44144817H/C22228

        因此本文對正庚烷的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)進(jìn)行研究以了解長碳鏈烷烴的反應(yīng)進(jìn)程。

        化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)是了解化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程的非常有效的手段。研究化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的主要目的是利用數(shù)值計算方法建立燃燒模型,從而實現(xiàn)對著火點、燃燒產(chǎn)物的變化的預(yù)測?;瘜W(xué)反應(yīng)機理則為燃燒模型的重要組成部分,通?;瘜W(xué)反應(yīng)機理分為四種:單步反應(yīng)機理、骨架機理、詳細(xì)機理以及簡化機理。其中單步反應(yīng)機理與骨架機理較為簡單。單步反應(yīng)機理不包括任何中間反應(yīng),試圖通過一個或者兩個方程來描述整個化學(xué)反應(yīng)。骨架機理則涉及不同的組分,相比于單步反應(yīng)機理要復(fù)雜一些,精確度更高。簡化機理是在詳細(xì)反應(yīng)機理的基礎(chǔ)上使用一定的假設(shè)簡化得來。而詳細(xì)機理則是最為復(fù)雜的,該類型的反應(yīng)機理試圖囊括所有的化學(xué)反應(yīng)細(xì)節(jié),因此組分多達(dá)數(shù)百種,涉及的基元反應(yīng)多達(dá)數(shù)千個,由于詳細(xì)機理盡可能的完整地描述了反應(yīng)路徑,因此研究人員還能夠通過詳細(xì)機理研究燃料之間的相互作用以及添加劑對著火的影響。

        圖1 正庚烷(n-heptane)分子結(jié)構(gòu)Fig.1 Molecular structure of n-Heptane

        正庚烷燃料的氧化過程隨著燃燒室內(nèi)的壓力/溫度變化而發(fā)生改變。其變化過程分為三個階段:低溫階段:在此階段內(nèi),反應(yīng)速率隨著溫度的增加而逐漸上升;過渡階段:在此階段內(nèi),隨著溫度的增加,反應(yīng)速率有所下降,即所謂的低溫氧化階段內(nèi)的“負(fù)溫度系數(shù)”(NTC)現(xiàn)象;高溫階段:在此階段內(nèi),隨著溫度的繼續(xù)升高,反應(yīng)速率進(jìn)一步加快,生成大量的烯烴和H2O2,在溫度足夠高時,H2與O2的分支反應(yīng)決定了總的反應(yīng)速率。

        1 計算模型

        利用詳細(xì)正庚烷/空氣燃燒反應(yīng)機理對直管內(nèi)的燃燒反應(yīng)進(jìn)行研究,得到了火焰附近一維的火焰結(jié)構(gòu);通過改變直管表面與空氣之間的對流換熱系數(shù),得到了不同散熱條件下燃燒器的工作特性,如溫度分布、組分分布、燃燒效率等等。針對直管型燃燒器,研究了一維預(yù)混燃燒器中的化學(xué)反應(yīng)。如圖2所示。

        圖2 直管燃燒器的一維計算模型Fig.2 1-D calculation model of straight tube combustor

        在計算的過程中本文采用柱塞流模型(PFR),即假設(shè)流動是穩(wěn)態(tài)的,在流動的徑向方向各種物質(zhì)分布均勻,在軸向上僅存在對流作用;流動為一維的,流體也為理想氣體,忽略質(zhì)量傳遞的影響。模型中所涉及到的控制方程包括質(zhì)量守恒方程、氣體組分守恒方程、能量方程以及動量方程:

        動量方程

        (1)

        式中:p為絕對壓力;F為氣體作用在管壁上的摩擦力。

        能量方程

        (2)

        質(zhì)量守恒方程

        (3)

        氣態(tài)組分守恒方程

        (4)

        計算過程中使用了Lawrence Livermore Nation Laboratory (LLNL)開發(fā)的簡化正庚烷/空氣反應(yīng)機理,機理中包含160種物質(zhì),1 540個基元反應(yīng)。之前的研究人員利用此反應(yīng)機理對各種裝置進(jìn)行了研究,并取得了大量的成果,顯示該反應(yīng)機理能夠很好地模擬正庚烷的燃燒化學(xué)反應(yīng)[2-3]。計算中所需要的參數(shù)包括各種物質(zhì)的輸運特性、熱物性等。

        在模型中,正庚烷/空氣混合氣從模型的左端進(jìn)入燃燒器中?;鹧娣€(wěn)定在直管燃燒器中,燃燒過程為穩(wěn)態(tài)。在計算的過程中,所涉及的邊界條件包括:質(zhì)量流量(4.32 mg/s),當(dāng)量比(1.78),入口溫度(1 060 K),入口壓強為1 atm。邊界條件對于燃燒的影響在本文中進(jìn)行了探討。在燃燒化學(xué)反應(yīng)中,熱量的產(chǎn)生與化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程有很大的關(guān)系,同時化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程也受到溫度的影響。燃燒器外部空氣溫度為300 K,對流換熱系數(shù)Hc=50 W/m2-K,燃燒器壁面的熱容量為0.077 cal/cm-K。模型總的網(wǎng)格數(shù)為5 190。計算過程采用CHEMKIN程序包完成。

        2 結(jié)果分析與討論

        2.1 一維火焰結(jié)構(gòu)

        圖 3為火焰附近溫度以及重要的且性質(zhì)相對穩(wěn)定幾種物質(zhì)的變化曲線,包括CH4,CO,CO2,H2O,OH,H2O2,O2和H2等。在預(yù)混氣體中,正庚烷逐漸轉(zhuǎn)化為較小的分子,同時釋放出大量的熱量,提高了氣體溫度。在預(yù)熱區(qū)域,CO,CO2,H2O以及H2的含量迅速地由0變化到一個較高的數(shù)值,CO與H2的含量在火焰附近達(dá)到最大;在火焰下游,CO的含量逐漸上升,而H2含量在一個短暫的下降后保持了穩(wěn)定。在火焰下游,CO2與H2O的梯度非常大,顯示在此處的放熱非常強烈。在火焰下游,CO2的含量逐漸上升,而H2O則有所下降。在正庚烷的氧化還原反應(yīng)中,伴隨著燃燒產(chǎn)物的生成,還有大量的中間產(chǎn)物的出現(xiàn),如OH自由基,H2O2,H2與CH4分子等。中間產(chǎn)物隨著流動的進(jìn)行繼續(xù)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),含量下降,某些性質(zhì)更加穩(wěn)定的中間產(chǎn)物在出口處仍有極低的殘留。

        圖3 正庚烷燃燒反應(yīng)區(qū)及附近的火焰結(jié)構(gòu):mf=0.45 mg/s,ER=1.2,Hc=500 W/m2-KFig.3 Flame structure at and near n-Heptane combustion reaction zone as mf=0.45 mg/s,ER=1.2 and Hc=500 W/m2-K

        經(jīng)過計算,可以得到對反應(yīng)速率影響最大的5個基元反應(yīng):

        H+O2=O+OH

        (R15)

        CH3+HO2=CH3O+OH

        (R43)

        C3H6+H2=iC3H7+H

        (R318)

        C3H5-a+HO2=C3H5O+OH

        (R599)

        nC7H16+H=C7H15-3+H2

        (R1071)

        在正庚烷的燃燒過程中,氣體溫度與小分子產(chǎn)物有著很大的關(guān)系。小分子的中間產(chǎn)物消耗速度非???。分析結(jié)果表明,正庚烷分子在火焰前的區(qū)域內(nèi)即被脫氫反應(yīng)快速地消耗掉,同時脫氫反應(yīng)的產(chǎn)物在火焰前區(qū)域內(nèi)進(jìn)一步分解。較大的有機物分子進(jìn)一步反應(yīng)生成各種烷基自由基,并通過β位斷鏈最終形成C1到C4的各種有機物。從表中可以看出,對總的反應(yīng)進(jìn)程影響最大的是H分子與O2分子的轉(zhuǎn)化(R15:H+O2=O+OH),該反應(yīng)也是OH的最主要的產(chǎn)生途徑。而其他反應(yīng)也在燃燒的過程中發(fā)揮著巨大作用,包括正庚烷的脫氫(R1071)、C3分子的轉(zhuǎn)化(R318和R599)以及C1分子的轉(zhuǎn)化等(R43)

        2.2 入口參數(shù)對直管中燃燒反應(yīng)的影響

        在直管中,氣體的流動狀況對直管的影響十分顯著,氣體的流動情況構(gòu)成了直管的邊界條件。因此本節(jié)重點討論了不同邊界條件下直管中的燃燒狀況。

        圖 4為燃燒器直管上的溫度分布。圖中當(dāng)量比ER=1.2,改變?nèi)剂狭髁縨f能夠?qū)囟确植籍a(chǎn)生影響。在ER不變的情況下,燃燒過程中氣體的最高溫度能夠保持基本不變。而mf的增加直接改變了總的氣體流量以及氣體流速,因此能夠使火焰向下游移動。從圖 4中可以看出,在其他條件不變的情況下,溫度最大值位置在mf的作用下逐漸偏向下游。通過對火焰位置進(jìn)行分析,可以得到火焰位置與燃料流量之間的關(guān)系為KT=x/mf=14.22 m·s/g。圖中所涉及到的模型并非絕熱模型,因此在火焰的下游氣體溫度逐漸降低,且mf越大,溫度的下降速率相對越慢。溫度的下降速率可以以斜率來表示,溫度斜率與mf的關(guān)系為PT=mf·(dT/dx)=10.43 K·g/m·s。

        本節(jié)針對mf以及ER對燃燒效率η的影響進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究。在計算η的過程中,需要綜合考慮CO,H2,CH4以及C2H4的變化(式(5))。

        (5)

        圖5為直管在各個狀態(tài)下的燃燒效率的變化,圖中橫坐標(biāo)為ER,不同的曲線指示相應(yīng)的mf。從圖中可以看出,隨著ER的增加,燃料更加變得燃燒不完全,η從1.0逐漸降低至0.56。在ER<1.0時,η保持不變,此時燃燒較為完全,而在ER>1.0時逐漸下降。需要注意的是,當(dāng)mf不同時,η的變化規(guī)律也有所變化:當(dāng)mf=0.45 mg/s時,ER<1.0時η變化很小(接近于1.0),在ER繼續(xù)增加后快速下降。mf增加時,η要更小一些,且從一開始變開始逐漸隨著ER而下降。在曲線的兩端,即ER=0.5與ER=1.5時,各個mf下燃燒效率較為接近。在直管中,相同的ER條件下,mf的增加能夠提高氣體的流動速度,從而減小混合氣在直管內(nèi)的停留時間,導(dǎo)致η的降低。

        圖4 軸線溫度隨著燃料流量的變化:當(dāng)量比ER=1.2Fig.4 Variation of axes temperature with fuel mass flow rate (mf) as ER=1.2

        圖5 直管中各個狀態(tài)下的燃燒效率Fig.5 Combustion efficiency in straight tube in various states

        2.3 對流換熱系數(shù)對直管內(nèi)燃燒的影響

        本節(jié)分析了不同的壁面對流換熱系數(shù)對燃燒的影響,其值由0 變化到 360 W/m2-K,即從絕熱狀態(tài)逐漸增加到火焰熄滅的狀態(tài)。燃燒器的入口參數(shù)保持不變。

        圖6 火焰結(jié)構(gòu)主要成分以及熱量釋放率:對流換熱系數(shù)Hc=200 W/m2-KFig.6 Flame structure near n-Heptane combustion flame,major components and heat release rateas convective heat transfer coefficient Hc=200 W/m2-K

        在本節(jié)中,通過仿真得到了對流換熱系數(shù)為200 W/m2-K時,正庚烷燃燒火焰附近更加詳細(xì)的火焰結(jié)構(gòu),包括主要的燃燒中間產(chǎn)物以及熱量釋放率(HRR)。在預(yù)熱區(qū)域內(nèi),正庚烷與O2逐漸被消耗,并轉(zhuǎn)化為C2H4,H2O2與 CH2O等主要產(chǎn)物,由于碳鏈的斷裂需要吸收能量,因此溫度有所降低,于此同時HRR逐漸上升。燃料分子分解后形成CO與CH4等。在火焰后區(qū)域,HRR快速上升,氣體溫度也達(dá)到最大值。在氣體溫度作用下,CH3自由基大量產(chǎn)生于火焰預(yù)熱區(qū)內(nèi),而在火焰后區(qū)域內(nèi)被快速消耗。從圖 6 (b)中可以看出,C3H6在火焰區(qū)域內(nèi)被快速消耗掉,之后則保持穩(wěn)定,在這兩個區(qū)域內(nèi),小分子的重組與生成是非常劇烈的。從火焰結(jié)構(gòu)中(圖 6)可以看出,在相同狀況下,火焰的峰值位置與熱量釋放率(HRR)的峰值位置較為接近。在直管中,HRR反映了化學(xué)反應(yīng)過程中的能量狀況,因此HRR的增加一般會導(dǎo)致溫度的上升。

        圖7 對流換熱系數(shù)(Hc)對直管內(nèi)沿軸向的氣體溫度分布以及火焰厚度的影響Fig.7 Influence of convective heat transfer coefficient (Hc) on gas temperature distribution along axis of straight tube and flame thickness

        隨著對流換熱系數(shù)的上升,燃燒器通過外表面向大氣損失的熱量也逐漸上升。圖 7(a)為不同Hc下,直管內(nèi)氣體的溫度分布。隨著Hc的增加,氣體溫度也隨之下降。前文中提到不同的基元反應(yīng)對于燃燒的影響是不同的,具體而言,在較低的氣體溫度下,H2O2大量生成,而在較高的溫度下,H2O2被分解,同時產(chǎn)生較多的熱量[ ]。若是氣體溫度在熱量損失的作用下快速下降,則直管內(nèi)的反應(yīng)速率降低。從圖 7(a)中還可以看出不同工況下氣體溫度峰值的變化。隨著Hc的增加,氣體溫度峰值的數(shù)值也逐漸下降,當(dāng)Hc>300 W/m2-K時,溫度峰值小于1 193.2 K (1 078.2 K);而當(dāng)Hc=360 W/m2-K時,直管內(nèi)進(jìn)行的是低溫氧化還原反應(yīng)。此外,圖 7(b)為火焰厚度的變化。火焰厚度由式(6))給出[3-5]?;鹧婧穸饶軌蛟谝欢ǔ潭壬戏从郴鹧娼Y(jié)構(gòu),幫助研究人員了解火焰的燃燒以及傳輸特性,其中Tu與Tb分別為未燃?xì)怏w與燃?xì)獾臏囟?。分析表明,隨著溫度的下降,火焰厚度逐漸增加。在Hc=250 W/m2-K時,火焰厚度僅為0.3 mm。而在反應(yīng)減弱的情況下,火焰厚度明顯增加。當(dāng)Hc=350 W/m2-K時,火焰厚度上升至2.7 mm。在火焰被拉伸時,熱量損失加劇,更加容易熄滅。

        (6)

        圖 8為不同Hc下直管軸線上的CH3與C3H6的分布。這兩種物質(zhì)的分布情況與R43以及R318緊密相關(guān),對其進(jìn)行考察能夠用于預(yù)測總的化學(xué)反應(yīng)速率。圖 8(a)中顯示,當(dāng)Hc<250 W/m2-K時,即使是不同的Hc,CH3摩爾濃度在每個工況下的最大值也沒有很大的變化,但峰值的位置仍向下游移動。然而當(dāng)Hc>300 W/m2-K時CH3的摩爾濃度峰值急劇下降,僅為Hc=250 W/m2-K時的1/14,很顯然,此時R43的反應(yīng)速率比較低。圖 8(b)中為C3H6的分布狀況。不同于CH3,在Hc<250 W/m2-K時,C3H6在火焰區(qū)域內(nèi)被完全消耗掉了,但是在火焰下游,由于化學(xué)平衡的作用,其摩爾分?jǐn)?shù)有所上升。當(dāng)Hc>300 W/m2-K時,C3H6消耗的很少,且在產(chǎn)物中仍有大量的殘留。

        圖8 CH3與C3H6沿軸向上的摩爾濃度分布Fig.8 Molar axis concentration distribution of CH3(a) and C3H6(b)

        3 結(jié) 論

        利用正庚烷的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機理,對直管進(jìn)行了數(shù)值研究。正庚烷碳鏈較長,燃燒反應(yīng)復(fù)雜,使用CHEMKIN程序計算了不同條件下,正庚烷在直管中的一維火焰結(jié)構(gòu)、不同入口條件下的燃燒特性等。主要結(jié)論有:

        1)正庚烷在火焰預(yù)熱區(qū)之前便已消耗完并轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì),在預(yù)熱區(qū)與反應(yīng)區(qū)內(nèi)有大量中間產(chǎn)物參與反應(yīng),并最終轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物,另有極少量中間產(chǎn)物殘留并流動到火焰下游。在燃燒反應(yīng)中,R15(H+O2=O+OH)對燃燒的影響最大。

        2)固定當(dāng)量比時,直管內(nèi)的火焰溫度保持不變,火焰位置與燃料流量之間的關(guān)系為KT=x/mf=14.22 m·s/g,火焰下游溫度變化斜率與mf的關(guān)系則為PT=mf·(dT/dx)=10.43 K·g/m·s。在mf較小時,燃燒效率隨著ER的增加在開始時保持穩(wěn)定,并在ER>1.0后逐漸下降;而mf較大時,燃燒效率從一開始便逐漸下降。

        3)隨著對流換熱系數(shù)的上升,直管內(nèi)氣體溫度逐漸下降,而在Hc進(jìn)一步增大到300 W/m2-K后,火焰無法維持。直管內(nèi)的火焰厚度隨著Hc的上升而逐漸增加。Hc=250 W/m2-K作為一個分界線,燃燒器的工作狀態(tài)在此前后表現(xiàn)地完全不同。在大于此數(shù)值時,CH3與C3H6的反應(yīng)較為微弱。

        參考文獻(xiàn):

        [1] 薛誠尤,聶萬勝,何博.基于基元反應(yīng)的總包機理建模及算法優(yōu)化[J].火箭推進(jìn),2015,41(1):36-42.

        XUE Chengyou,NIE Wansheng,HE Bo.Modeling and algorithm optimization of global reaction mechanism based on elementary reaction[J].Journal of rocket propulsion,2015,41(1):36-42.

        [2] CURRAN H J,GAFFURI P,PITZ W J, et al.n-heptane,detailed mechanism,version 2 [EB/OL].[2017-11-27].https://combustion.llnl.gov.

        [3] KATTA V R,AGGARWAL S K,ROQUEMORE W M.Evaluation of chemical-kinetics models for n-heptane combustion using a multidimensional CFD code[J].Fuel,2012,93:339-350.

        [4] WESTBROOK C K.Chemical kinetics of hydrocarbon ignition in practical combustion systems[J].Proceedings of combustion institute,2000,28(2):1563-1577.

        [5] VOSS S,MENDES M A A,PEREIRA J M C.Investigation on the thermal flame thickness for lean premixed combustion of low calorific H2/CO mixtures within porous inert media[J].Proceedings of combustion institute,2013,34(2):3335-3342.

        [6] SOIKA A,DINKELACKEN F,EIPETRZ A.Measurement of the resolved flame structure of turbulent premixed flames with constant Reynolds number and varied stoichiometry[J].Symposium (international) on combustion,1998,27(1):785-792.

        [7] O′YOUNG F,BILGER R W.Scalar gradient and related quantities in turbulent premixed flames[J].Combust flame,1997,109(4):682-700.

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