馬存祥，邢 力，徐華勝

(中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500)

1 引言

低排放燃燒室研制中，為初步獲得燃燒室的污染排放特性，必須開展污染排放性能的預(yù)測。目前，污染排放預(yù)測有經(jīng)驗關(guān)系式法(零維)、化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)(CRN)模型法(一維)和數(shù)值仿真分析法(三維)三種方法。其中，經(jīng)驗關(guān)系式法非常簡單，不考慮流動和化學(xué)反應(yīng)，僅適用于特定燃燒室，且需要該類型燃燒室的大量試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。數(shù)值仿真分析法接近實際情況，既考慮了流動，也考慮了化學(xué)反應(yīng)。但其計算中需要大量的高質(zhì)量網(wǎng)格，對硬件資源要求較高，且在加載詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行計算時耗時更多，不利于在燃燒室初步設(shè)計中對NOx進(jìn)行快速預(yù)測，而忽略詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理又會導(dǎo)致計算準(zhǔn)確性不高。近年來國際上發(fā)展起來的CRN模型法，在采用詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的同時還簡單考慮了流動特征參數(shù)(停留時間)，對污染排放預(yù)測的準(zhǔn)確性大大提高，且在計算時間上遠(yuǎn)少于數(shù)值仿真分析法[1-4]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者利用CRN模型法對燃燒室污染排放性能進(jìn)行了相關(guān)預(yù)測研究。劉富強(qiáng)等[5]針對一種燃油徑向分級多點噴射單頭部燃燒室方案建立了簡單的CRN模型，研究了值班級當(dāng)量比、燃油分配比例和進(jìn)口空氣溫度對NOx排放的影響。李朋玉[6]采用自編程序建立CRN模型，研究了燃油流量分配、進(jìn)口溫度對一種貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)(LPP)燃燒室NOx排放的影響。Nicol等[7]利用由一個均勻攪拌反應(yīng)器(PSR)和一系列柱塞流反應(yīng)器(PFR)串聯(lián)組成的基準(zhǔn)化學(xué)反應(yīng)器模型，研究了不同NOx生成機(jī)理(熱力型、氧化亞氮型和快速型)對貧油預(yù)混甲烷-空氣燃燒NOx生成的重要作用，尤其是氧化亞氮型機(jī)理在貧油預(yù)混燃燒中對NOx生成的重要性。Falcitelli等[8]依據(jù)由CFD計算出的燃燒室內(nèi)流場、溫度場的分布特性，構(gòu)建了一個RNA(反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)分析)模型來預(yù)測燃燒室出口NOx等污染物的排放。Russo等[1]針對一種微型燃?xì)廨啓C(jī)ARI100的單管燃燒室，采用CFD與網(wǎng)絡(luò)模型相結(jié)合的方法構(gòu)建了CRN模型，并用該模型對燒天然氣和合成氣的NOx、CO排放進(jìn)行了預(yù)測，與試驗測量結(jié)果相比，在大氣壓下燒天然氣時的誤差在8%以內(nèi)，但燒合成氣時與試驗有很大差異。

本文針對一種貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室[9]，根據(jù)CFD數(shù)值計算結(jié)果，利用CHEMKIN-PRO軟件建立了CRN模型，對該燃燒室不同進(jìn)口壓力和溫度下的NOx排放進(jìn)行了模擬，并對其在不同工況下的通用性進(jìn)行了驗證，建立了適合該型低排放燃燒室的排放預(yù)測模型和預(yù)估關(guān)系式。

2 研究對象

研究對象為一種貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室(圖1)，采用中心分級的貧/富油直接噴射和貧油部分預(yù)混預(yù)蒸發(fā)(DIPME)的混合燃燒模式。即小狀態(tài)時預(yù)燃級(或值班級)采用富油直接噴射燃燒模式(擴(kuò)散燃燒)；大狀態(tài)時預(yù)燃級采用貧油直接噴射燃燒模式，主燃級采用貧油(部分)預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒模式。

3 計算工況

文獻(xiàn)[9]研究了該型燃燒室進(jìn)口溫度和壓力對污染排放的影響，其中試驗研究的工況有15個，包含3個不同的進(jìn)口溫度(600、700、800 K)點、5個不同的進(jìn)口壓力(1.0、1.2、1.4、1.6、1.8 MPa)點，同時保持各工況的油氣比、副油百分?jǐn)?shù)、燃燒室壓降等參數(shù)不變。本文擬對15個工況中的9個工況(進(jìn)口空氣壓力分別為 1.0、1.4、1.8 MPa，溫度分別為 600、700、800 K)進(jìn)行CFD計算，根據(jù)計算得出的結(jié)果建立CRN模型預(yù)測NOx的排放，并與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證，再以此CRN預(yù)測模型對另外6個工況進(jìn)行模型預(yù)測精度驗證。

4 基于化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型的計算

4.1 CFD計算結(jié)果

采用商業(yè)軟件FLUENT對燃燒室的9個工況進(jìn)行三維數(shù)值計算，保持油氣比、燃油分配比例不變。計算得到的各工況下的流場、溫度場非常相似。圖2所示為進(jìn)口溫度600 K、壓力1.4 MPa時的噴嘴中心截面溫度場。

4.2 區(qū)域劃分處理方法

CRN模型計算燃燒室污染排放，是根據(jù)燃燒室內(nèi)流場(或溫度場、濃度場)分布特點對燃燒室進(jìn)行區(qū)域劃分，每個小區(qū)域根據(jù)自身特點采用不同的反應(yīng)器模塊進(jìn)行模擬，然后將各個反應(yīng)模塊根據(jù)流場特點連接起來，完成燃燒室性能計算。不同區(qū)域采用PSR還是PFR，一般由燃燒室內(nèi)不同區(qū)域的化學(xué)反應(yīng)時間τchem及流動混合時間τflow決定，即用Da數(shù)來決定。

對于某一特定化學(xué)反應(yīng)，若Da＜1，表明化學(xué)反應(yīng)時間大于流動混合時間，化學(xué)反應(yīng)起主導(dǎo)作用，流體混合(湍流流動)非?？?，該區(qū)域可以用PSR來模擬；若Da＞1，則流體的化學(xué)反應(yīng)速率非?？?，流體混合起主導(dǎo)作用，該區(qū)域用PFR進(jìn)行模擬[10]。對于沒有化學(xué)反應(yīng)僅有流體混合的區(qū)域，可以用MIX(無化學(xué)反應(yīng)，僅僅是流體間的混合)反應(yīng)器進(jìn)行模擬。

4.3 化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

如圖3所示，將燃燒室按照溫度場分布特點，結(jié)合Da數(shù)劃分為不同區(qū)域。為更好地模擬預(yù)燃級擴(kuò)散燃燒模式，將其按燃油貧富分為PSR1、PSR2、PSR3和PSR4不同的4個區(qū)域。PSR5代表了主燃級快速反應(yīng)區(qū)(主火焰)，其中一少部分燃?xì)饣亓鞯筋^部角渦區(qū)PSR10，且停留時間較長；剩下的大部分進(jìn)入主燃區(qū)PSR7，可以看到主燃級預(yù)混燃料進(jìn)入燃燒室后呈錐形向四周擴(kuò)展，增大了主燃區(qū)的容積，利于燃料充分、均勻燃燒。同時，一部分從主燃孔進(jìn)來的空氣也進(jìn)入了主燃區(qū)PSR7。經(jīng)過主燃區(qū)后，一部分未燃盡的煙氣回流到中心回流區(qū)PSR6，在此經(jīng)過進(jìn)一步反應(yīng)后進(jìn)入PSR2、PSR3區(qū)域用來點燃剛噴進(jìn)燃燒室的燃料，保持燃料燃燒的穩(wěn)定性。PSR8用來模擬主燃孔和摻混孔之間溫度較主燃區(qū)低但混合更充分的貧油燃燒區(qū)域。PSR9用來模擬軸向上主燃孔之后、摻混孔之前的一個小渦區(qū)。因其溫度已達(dá)1 800 K以上，為更準(zhǔn)確地計算排放數(shù)據(jù)，有必要單獨對其采用一個PSR。PFR1、PFR2分別用來模擬主燃孔之后和摻混孔之后到出口的區(qū)域。由于此區(qū)域進(jìn)入了大量空氣，溫度已降低，基本不會產(chǎn)生污染物，而只令其在垂直軸向的方向上發(fā)生混合，這與燃燒室的湍流情況相吻合。最終，根據(jù)流場的溫度、速度、組分分布特點，采用PSR、PFR和MIX對燃燒室內(nèi)部不同區(qū)域構(gòu)建CRN模型，如圖4所示。表1為各個PSR的容積，據(jù)此可估算出各個PSR的燃?xì)馔Ａ魰r間。

5 計算結(jié)果分析

5.1 試驗驗證

采用氣相和表面化學(xué)反應(yīng)燃燒軟件CHEM?KIN-PRO，對DIPME燃燒室污染排放進(jìn)行模擬計算，計算過程中使用航空煤油替代燃料C12H23及其骨架反應(yīng)機(jī)理(16組分23步基元反應(yīng))。通過從FLUENT中提取各個反應(yīng)區(qū)域的溫度、壓力、容積、停留時間等數(shù)據(jù)，采用基于詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的CRN模型法，計算1.0、1.4、1.8 MPa時3個溫度(600、700、800 K)下的 NOx排放，并與試驗結(jié)果[9]進(jìn)行對比。從圖5中的對比結(jié)果可看出，相同進(jìn)口溫度(或壓力)下，NOx的排放隨壓力(或溫度)的升高而增大；模擬計算得出的NOx排放量與試驗所得值趨勢一致，誤差在9%以內(nèi)，具有較高的計算精度。

5.2 預(yù)測模型建立

根據(jù)上述9個工況建立CRN模型，通過改變進(jìn)口溫度、壓力和空氣/燃油流量，對剩余6個工況的NOx排放進(jìn)行預(yù)測，并采用最小二乘原理對15個工況計算得到的NOx排放數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，構(gòu)建EI(NOx)與DIPME燃燒室進(jìn)口溫度、壓力之間的預(yù)估關(guān)系式。在參考文獻(xiàn)[9]和國外已有研究成果[11-15]的基礎(chǔ)上，選定擬合關(guān)系式的目標(biāo)形式為：

表1 各個PSR的容積cm3Table 1 The volume of different PSRs

式中：EI(NOx)為NOx污染物排放發(fā)散指數(shù)；a0、a1、a2和b均為常數(shù)，由試驗數(shù)據(jù)擬合獲得；T3為燃燒室進(jìn)口總溫；p3為燃燒室進(jìn)口總壓。通過計算，最終得到的CRN模型預(yù)估NOx排放的公式為：

試驗數(shù)據(jù)擬合公式[11]為：

數(shù)值模擬分析獲得的EI(NOx)預(yù)測公式與試驗獲得的EI(NOx)預(yù)估公式非常接近。尤其是影響NOx排放的最重要的溫度因子的比例系數(shù)一致，且壓力項的指數(shù)因子也很接近?？梢姡捎肅RN模型法對貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室NOx排放進(jìn)行預(yù)測可以獲得較高的預(yù)測精度，具有一定的工程應(yīng)用價值。

6 結(jié)論

對一種貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)低排放燃燒室方案進(jìn)行了CFD計算，在其溫度分布特點的基礎(chǔ)上根據(jù)Da數(shù)原則劃分了代表不同反應(yīng)器模塊的區(qū)域，并建立了CRN模型對NOx排放特性進(jìn)行了計算分析，研究結(jié)果表明：

(1)采用CRN模型計算得出的NOx排放量與試驗結(jié)果很接近，且NOx排放隨溫度、壓力的變化趨勢也一致；計算值略低于試驗值，但其差異在工程上可接受。

(2)CRN模型計算得到的NOx排放預(yù)估公式與試驗結(jié)果擬合出的預(yù)估公式采用相同的函數(shù)表達(dá)形式，各個系數(shù)量級很接近，表明本文建立的CRN模型有效，能利用該模型對DIPME燃燒室方案開展其他工況的NOx排放預(yù)測，且具有較高預(yù)測精度。

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