鄭東,熊鵬飛,鐘北京
1西南交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院, 成都 610031
2中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心,四川 綿陽 621000
3清華大學(xué)航天航空學(xué)院,北京100084
為滿足未來空間站建設(shè)、載人登月、深空探測(cè)等重大航天活動(dòng),以及具有顛覆性創(chuàng)新的可重復(fù)使用商業(yè)航天技術(shù)的發(fā)展需求,綠色無毒、高性能、低成本推進(jìn)系統(tǒng)的研制具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義1–3。目前可作為肼類4替代品、具有應(yīng)用前景的單組元綠色推進(jìn)劑主要包括含能離子液體5、過氧化氫6、以及氧化亞氮(N2O)基單元復(fù)合推進(jìn)劑等7。其中,N2O基復(fù)合推進(jìn)劑具有諸多優(yōu)勢(shì)而引起國內(nèi)外廣泛關(guān)注,此類推進(jìn)劑中最具代表性的是N2O-C2烴類燃料單元復(fù)合推進(jìn)劑,簡稱NOFBX(Nitrous Oxide Fuel Blend)。其顯著的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在:性能高、綠色無毒、成本低、適用范圍廣、推力可深度調(diào)節(jié)等8。
表1 N2O-C2烴類燃料基礎(chǔ)燃燒特性的實(shí)驗(yàn)研究Table 1 Experimental researches for fundamental combustion of N2O-C2 hydrocarbons.
NOFBX體系其氧化劑和燃料共存,屬于預(yù)混點(diǎn)燃燃燒模式,且燃燒溫度高達(dá)3500 K8。這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、再生冷卻、以及防回火設(shè)計(jì)提出特殊的要求,是NOFBX發(fā)動(dòng)機(jī)研制的關(guān)鍵技術(shù)難題。為了研發(fā)性能好、可靠性高的NOFBX發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室及防回火裝置,一方面需要對(duì)諸如著火、火焰?zhèn)鞑ァ⒖扇紭O限等基礎(chǔ)燃燒特性有系統(tǒng)的研究;另一方面需要開展燃燒化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的研究,這不僅有助于深入理解其燃燒過程、揭示燃燒機(jī)理和規(guī)律,也為實(shí)現(xiàn)定量、準(zhǔn)確的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒數(shù)值模擬,并實(shí)現(xiàn)燃燒控制提供必要的燃燒模型。
針對(duì)N2O-C2烴類燃料基礎(chǔ)燃燒特性的實(shí)驗(yàn)研究,整理如表1所示。其中,Parker等9和Aldous等10用本生燈火焰測(cè)量了N2O-C2H2層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋珒烧叩慕Y(jié)果存在較大的差異。前者獲得的最大火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?85 cm?s-1(化學(xué)計(jì)量比約2)、明顯低于后者測(cè)量的最大值285 cm?s-1(化學(xué)計(jì)量比1.65)。為此,Powell等11采用熱流法對(duì)N2O-C2H2平面火焰進(jìn)行了測(cè)量,其結(jié)果與Parker的接近。最近Naumann等12采用本生燈火焰,在50%N2稀釋條件下測(cè)量了N2O-C2H4層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋瑢⒊跏級(jí)毫Ψ秶貙捴?.1–0.3 MPa。與此同時(shí),還采用激波管測(cè)量了初始?jí)毫?.1–1.6 MPa、溫度1082–1940 K條件下,N2O-C2H4-N2燃燒體系的著火延遲時(shí)間。此外,Mével等13在壓力0.22–0.4 MPa、化學(xué)計(jì)量比0.78–1.8條件下測(cè)量了N2O-C2烴類燃料著火延遲時(shí)間。Deng等14在更寬的溫度、壓力、化學(xué)計(jì)量比范圍下測(cè)量了N2O-C2H4著火延遲時(shí)間。
鑒于氮氧化物(NOx)生成機(jī)理中含有與N2O相關(guān)的基元反應(yīng),因此包含NOx子機(jī)理的碳?xì)淙剂匣瘜W(xué)反應(yīng)機(jī)理常被作為的N2O-C2烴類燃料化學(xué)反應(yīng)機(jī)理,用于燃燒特性的預(yù)測(cè)和動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算。其中,Mével等13在他們的研究中分別采用Konnov15、Dagaut16以及GRI3.017反應(yīng)機(jī)理,對(duì)N2O-C1/C2烴類燃料著火延遲時(shí)間進(jìn)行了預(yù)測(cè),并與他們自己的激波管實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果表明預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的偏差。Naumann等12采用GRI3.0機(jī)理預(yù)測(cè)了N2O-C2H4層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?,但預(yù)測(cè)值遠(yuǎn)低于其本生燈實(shí)驗(yàn)測(cè)量值。Deng等14以驗(yàn)證充分的Aramco-mech小碳?xì)淙剂戏磻?yīng)機(jī)理18為基礎(chǔ),通過耦合不同的NOx子機(jī)理,構(gòu)建了多種反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型,并預(yù)測(cè)N2O-C2H4著火延遲時(shí)間。此外,Powell等11,19通過整合多個(gè)NOx和小碳?xì)浞磻?yīng)機(jī)理,構(gòu)建了86組分588反應(yīng)的N2O-H2/C1–3燃燒化學(xué)反應(yīng)機(jī)理,并以改善火焰?zhèn)鞑ニ俣阮A(yù)測(cè)值為目標(biāo),優(yōu)化了部分反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。
綜上可見,目前N2O-C2烴類燃料基礎(chǔ)燃燒特性的實(shí)驗(yàn)研究有一些文獻(xiàn)報(bào)道,尚可用于機(jī)理驗(yàn)證。但專門針對(duì)N2O-C2烴類燃料體系的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理研究卻非常有限。因此本文旨在發(fā)展小規(guī)模的N2O-C2烴類燃料燃燒化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型,并采用文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行多角度、寬范圍驗(yàn)證。
本文發(fā)展NOFBX燃燒化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型是從三方面展開:簡化的C2烴類燃料化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、準(zhǔn)確的N2O化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、以及CH組分與N2O反應(yīng)機(jī)理,詳述如下。
鑒于小碳?xì)淙剂系姆磻?yīng)機(jī)理國內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究,因此我們可以充分借鑒和利用已有的成果。其中,GRI3.0機(jī)理17、Aramcomech 2.0機(jī)理18、以及USC-II機(jī)理20,均是目前應(yīng)用最為廣泛的小碳?xì)淙剂匣瘜W(xué)反應(yīng)機(jī)理。在USC-II機(jī)理20基礎(chǔ)上Wang等21采用直接關(guān)系圖和反應(yīng)流分析簡化方法,獲得了56組分、428反應(yīng)的C0–C4化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型。且充分的驗(yàn)證結(jié)果表明其簡化機(jī)理能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)C2燃料著火延遲時(shí)間、火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒒鹧娼Y(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)燃燒特性。因此,本文在Wang簡化機(jī)理21基礎(chǔ)上進(jìn)行C2反應(yīng)路徑分析,確定了C3–C4部分機(jī)理對(duì)C2氧化過程影響甚微,并完整提取其C0–C2部分機(jī)理作為NOFBX的C2子反應(yīng)機(jī)理(35組分、230反應(yīng))。
N2O的起始反應(yīng)包括熱解反應(yīng)、有自由基進(jìn)攻的反應(yīng)、以及與中間產(chǎn)物的反應(yīng),其中起始熱解反應(yīng)R1生成N2和自由基O,對(duì)N2O熱解過程、以及N2O-C2體系反應(yīng)過程影響很大11。因此,本文中R1反應(yīng)動(dòng)力學(xué)來源于應(yīng)用廣泛、驗(yàn)證充分的Konnov模型15。
在N2O與自由基H反應(yīng)中,鏈傳遞反應(yīng)R2生成N2和高活性O(shè)H自由基,且還是重要的放熱反應(yīng),對(duì)著火過程系統(tǒng)溫升起關(guān)鍵性作用13,其動(dòng)力學(xué)參數(shù)源于Marshall等22的研究。而反應(yīng)R3對(duì)系統(tǒng)溫升有一定負(fù)影響(火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊撵`敏度系數(shù)為負(fù)),且其反應(yīng)速率的不確定度很大11。為提高火焰?zhèn)鞑ニ俣阮A(yù)測(cè)精度,本文對(duì)其動(dòng)力學(xué)參數(shù)23進(jìn)行略微修正(指前因子降低15%)。此外,還補(bǔ)充了生成NNH和HNNO組分的反應(yīng)R4和R5,其反應(yīng)及動(dòng)力學(xué)參數(shù)源于文獻(xiàn)23。
與此同時(shí),N2O與其它自由基(O、OH、N)的反應(yīng)R6–R9也是至關(guān)重要的。其中N2O與O自由基反應(yīng),生成N2和O2的反應(yīng)R8、以及生成NO的反應(yīng)R9,Allen等24研究表明其對(duì)預(yù)測(cè)N2O熱解過程O2和NO組分分布有較大影響。本文中反應(yīng)R8采用Meagher等25研究給出的動(dòng)力學(xué)參數(shù),反應(yīng)R9采用GRI3.0模型17中的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。
除此以外,本文尚補(bǔ)充了N2O與中間產(chǎn)物NO反應(yīng),生成N2和NO2的反應(yīng)R10,該反應(yīng)對(duì)NO和NO2組分預(yù)測(cè)同樣重要(詳見3.1節(jié)),其動(dòng)力學(xué)參數(shù)源于文獻(xiàn)26。
跟據(jù)上述分析,N2O的起始反應(yīng)可以生成NNH、HNNO、NO、NO2等初始產(chǎn)物。對(duì)于NNH和HNNO組分,Konnov等23給出了較為全面的反應(yīng)機(jī)理,及其動(dòng)力學(xué)參數(shù)。對(duì)于NO、NO2組分,GRI3.0模型17包含了準(zhǔn)確、規(guī)模適中的反應(yīng)機(jī)理,且應(yīng)用最為廣泛。為有效控制本文機(jī)理的規(guī)模,從Konnov23和GRI3.0模型17提取初始產(chǎn)物進(jìn)一步反應(yīng)的主要路徑,構(gòu)成本文所選用的簡化初始產(chǎn)物反應(yīng)機(jī)理。關(guān)鍵路徑的確定采用反應(yīng)路徑分析方法,即:在不同工況下對(duì)初始產(chǎn)物進(jìn)行產(chǎn)率計(jì)算,取其主要消耗反應(yīng)(總消耗率 > 95%),進(jìn)而確定次級(jí)產(chǎn)物。依次對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行產(chǎn)率分析,直至最終產(chǎn)物。這個(gè)簡化的初始產(chǎn)物反應(yīng)機(jī)理和上述討論的反應(yīng)R1–R10一起構(gòu)成了N2O的子反應(yīng)機(jī)理。
CH組分與N2O反應(yīng)機(jī)理是N2O-C2體系重要組成部分,這也是目前大多數(shù)動(dòng)力學(xué)模型17,27,28所缺失的。本文提取現(xiàn)有文獻(xiàn)23中N2O與CH組分(CH、CH2、CH3、C2H2、C2H3),并進(jìn)一步采用類比法補(bǔ)充了N2O與C2H3、C2H4的相關(guān)反應(yīng)。其中,補(bǔ)充的N2O與C2H3/C2H4反應(yīng)R11–R14,其反應(yīng)路徑分別類比USC-II模型20中O自由基與C2H3/C2H4反應(yīng)路徑,其反應(yīng)速率分別類比Konnov模型23中N2O與C2H3/C2H2反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。反應(yīng)R11–R14的補(bǔ)充改善了機(jī)理預(yù)測(cè)的精度,但仍有一定偏差,尤其是火焰?zhèn)鞑ニ俣?。靈敏度分析表明R11–R14對(duì)溫度和火焰?zhèn)鞑ニ俣染休^高靈敏度系數(shù),因此以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)N2O-C2體系的著火燃燒特為目標(biāo),對(duì)其動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行合理修正,具體描述可參考前期文獻(xiàn)29,此處不再贅述。
整合上述C2子反應(yīng)機(jī)理、N2O子反應(yīng)機(jī)理、以及CH/N2O反應(yīng)機(jī)理,最后得到N2O-C2烴類燃料燃燒化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。該機(jī)理包含52組分和325個(gè)基元反應(yīng),其合理性需要通過下一節(jié)的驗(yàn)證。
圖1 壓力1.05 MPa、溫度1123 K、N2稀釋條件下N2O熱解組分分布的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值24Fig. 1 The predicted and experimental 24 species profiles of N2O decomposition diluted with N2 at 1.05 MPa,1123 K.
依據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),本文將從N2O-C2烴類燃料體系的熱解、著火延遲時(shí)間和層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葘?duì)上述反應(yīng)機(jī)理的準(zhǔn)確性進(jìn)行充分驗(yàn)證。數(shù)值計(jì)算在化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)程序CHEMKIN30上完成,并與實(shí)驗(yàn)條件保持一致。
Allen等24在流動(dòng)反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)中,研究了初始?jí)毫?.05 MPa、溫度1123 K,1%N2O/0.0557%H2O/98.9443%N2(摩爾分?jǐn)?shù))體系的熱解過程,測(cè)得重要組分N2O、O2、NO和NO2隨停留時(shí)間的分布特性。圖1分別給出了GRI3.017與本文反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)的重要組分分布,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果24進(jìn)行了對(duì)比。由圖1可見,GRI3.0模型熱解反應(yīng)偏快,使得其預(yù)測(cè)N2O組分濃度低于實(shí)驗(yàn)值,O2組分濃度高于實(shí)驗(yàn)值。而且由于模型中N2O + NO = N2+ NO2反應(yīng)的缺失,使得其預(yù)測(cè)NO組分偏高,而NO2偏低。本文模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)體系的熱解過程,計(jì)算獲得的N2O、O2、NO和NO2組分濃度分布均與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果保持一致。
Mével等13采用激波管臺(tái)架測(cè)量了初始摩爾分?jǐn)?shù)0.549%C2H2/3.447%N2O、0.733%C2H4/3.2%N2O、0.4%C2H6/3.598%N2O(平衡組分Ar)不同N2O-C2烴類燃料體系的著火延遲時(shí)間。圖2a–c分別給出了GRI3.017、Konnov23與本文模型計(jì)算的三種N2OC2烴類燃料體系的著火延遲時(shí)間,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果13進(jìn)行了對(duì)比。綜合對(duì)比圖2a–c可見,GRI3.0模型計(jì)算的三種N2O-C2烴類燃料體系著火延遲時(shí)間均高于實(shí)驗(yàn)值,尤其是對(duì)于N2O-C2H2和N2O-C2H6體系。Konnov模型雖能較好地預(yù)測(cè)N2O-C2H4體系的著火延遲時(shí)間,但卻無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)N2O-C2H2和N2OC2H6體系的著火延遲時(shí)間。本文模型計(jì)算的三種N2O-C2烴類燃料體系著火延遲時(shí)間均與實(shí)驗(yàn)值吻合,能準(zhǔn)確描述其著火特性。
圖2 N2O-C2 (平衡組分Ar)著火延遲時(shí)間預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值13Fig. 2 The predicted and experimental 13 results for N2O-C2 (balance species Ar) ignition delay times.
圖3 壓力0.1/0.4/1.6 MPa下N2O-C2H4 (N2稀釋率80%)體系著火延遲時(shí)間預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值12Fig. 3 The predicted and experimental 12 results for N2O-C2H4 (diluted with 80%N2) ignition delay times at 0.1/0.4/1.6 MPa.
圖4 不同化學(xué)計(jì)量比0.5/1.0/2.0下N2O-C2H4 (Ar稀釋)體系著火延遲時(shí)間預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值14Fig. 4 The predicted and experimental 14 results for N2O-C2H4 (diluted with Ar) ignition delay times at equivalence ratio 0.5/1.0/2.0.
為了在更寬的溫度、壓力、化學(xué)計(jì)量比范圍內(nèi)充分驗(yàn)證反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的有效性,圖3a–c分別給出了初始?jí)毫?.1、0.4和1.6 MPa、化學(xué)計(jì)量比1.0條件下,GRI3.017、Konnov23與本文模型預(yù)測(cè)N2OC2H4(N2稀釋率80%)體系著火延遲時(shí)間與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,圖3中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于Naumann等12在激波管中的測(cè)量結(jié)果。由圖3可見,本文和Konnov模型預(yù)測(cè)的N2O-C2H4體系著火延遲時(shí)間比較接近,均略低于實(shí)驗(yàn)結(jié)果,但偏差在可接受的范圍內(nèi)。GRI3.0模型在初溫高于1250 K時(shí)可以較好地預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)值,而低于1250 K時(shí)其預(yù)測(cè)偏高。綜合對(duì)比圖2b、3b和4b可見,針對(duì)相似初始條件下不同來源的著火延遲時(shí)間實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),本文機(jī)理能夠較好預(yù)測(cè)Mével等13和Deng等14實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),卻低估Naumann等12實(shí)驗(yàn)結(jié)果。究其原因除機(jī)理預(yù)測(cè)偏差外,Naumann等12實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果偏高也是不容忽略因素。
此外,圖4a–c分別給出了化學(xué)計(jì)量比0.5、1.0和2.0、初始?jí)毫?.4 MPa條件下,N2O-C2H4(Ar稀釋)體系著火延遲時(shí)間預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比,圖中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于Deng等14在激波管中的測(cè)量結(jié)果。綜合對(duì)比圖4a–c可見,總體而言GRI3.017、Konnov23與本文模型均能較好地預(yù)測(cè)寬化學(xué)計(jì)量比范圍內(nèi)N2O-C2H4體系的著火延遲時(shí)間。
Powell等11采用平面火焰熱流法測(cè)量了初始溫度298 K、壓力0.08 MPa、化學(xué)計(jì)量比0.56–1.6,N2O-C2H2(N2稀釋)體系的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?。圖5給出了GRI3.017與本文模型預(yù)測(cè)的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?Konnov模型23計(jì)算不收斂),并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果11進(jìn)行了對(duì)比。由圖5可見,在整個(gè)化學(xué)計(jì)量比0.6–1.6范圍內(nèi),本文模型預(yù)測(cè)的N2O-C2H2體系層流火焰?zhèn)鞑ニ俣染趯?shí)驗(yàn)結(jié)果吻合,而GRI3.0模型的預(yù)測(cè)值低于實(shí)驗(yàn)值。
進(jìn)一步對(duì)N2O-C2H4體系的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。Naumann等12采用本生燈火焰測(cè)量了初始溫度473 K、壓力0.1和0.3 MPa、化學(xué)計(jì)量比0.6–2.0,N2O-C2H4(N2稀釋)體系的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣取D6給出了GRI3.017與本文模型預(yù)測(cè)的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?Konnov模型23計(jì)算不收斂),并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果12進(jìn)行了對(duì)比。由圖6可見,GRI3.0模型預(yù)測(cè)的N2O-C2H4體系層流火焰?zhèn)鞑ニ俣冗h(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對(duì)于本文模型總體上而言,能夠很好地預(yù)測(cè)較寬化學(xué)計(jì)量比、壓力范圍N2O-C2H4體系的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣取5趬毫?.1 MPa、化學(xué)計(jì)量比1.0–1.6范圍內(nèi)本文模型也略低估了實(shí)驗(yàn)值,鑒于本生燈測(cè)量層流火焰?zhèn)鞑ニ俣确椒ū旧泶嬖谳^大不確定度,因此預(yù)測(cè)偏差是可以接受的。
圖5 C2H2-N2O (N2稀釋)層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊念A(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值11Fig. 5 The predicted and experimental 11 results for C2H2-N2O (diluted with N2) laminar flame speed.
圖6 壓力0.1/0.3 MPa下C2H4-N2O (N2稀釋)層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊念A(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值12Fig. 6 The predicted and experimental 12 results for C2H4-N2O (diluted with N2) laminar flame speed at 0.1/0.3 MPa.
在充分借鑒、甄別現(xiàn)有小碳?xì)淙剂虾偷趸锓磻?yīng)機(jī)理基礎(chǔ)上,本文首先專門針對(duì)NOFBX新型綠色推進(jìn)劑(N2O-C2烴類燃料),發(fā)展了包含52組分和325個(gè)基元反應(yīng)的小規(guī)模化學(xué)反應(yīng)機(jī)理模型。
多角度、寬范圍的驗(yàn)證分析表明:本文機(jī)理不僅能夠準(zhǔn)確計(jì)算N2O熱解過程中重要組分的分布,而且能夠在較寬的溫度1100–1700 K、壓力0.1–1.6 MPa、化學(xué)計(jì)量比0.5–2.0范圍內(nèi)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)N2O-C2烴類燃料體系的著火延遲時(shí)間,以及化學(xué)計(jì)量比0.6–2.0范圍內(nèi)的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>
鑒于本文發(fā)展的N2O-C2烴類燃料燃燒化學(xué)反應(yīng)機(jī)理模型具有機(jī)理規(guī)模較小、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證充分的優(yōu)勢(shì),有望在NOFBX發(fā)動(dòng)機(jī)的多維燃燒數(shù)值模擬中得到廣泛應(yīng)用。