謝輝輝， 馮詩(shī)愚,*， 彭孝天， 潘俊， 王洋洋

(1. 南京航空航天大學(xué)航空學(xué)院飛行器環(huán)境控制與生命保障工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210016；2. 中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)有限公司南京機(jī)電液壓工程研究中心航空機(jī)電系統(tǒng)綜合航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 211106)

燃油箱的防火抑爆能力不僅關(guān)系到飛機(jī)生存能力和易損性，同時(shí)也關(guān)系到飛機(jī)利用率、成本和乘客生命安全[1]。因此，無(wú)論對(duì)于軍機(jī)還是民機(jī)，都必須采用有效措施來(lái)防止油箱燃爆事故發(fā)生。從20世紀(jì)70年代后期，通過(guò)機(jī)載設(shè)備制取惰化氣體的機(jī)載惰化技術(shù)發(fā)展十分迅速，相對(duì)于攜帶惰化氣體方式而言，后勤保障要求低，且能實(shí)現(xiàn)飛行過(guò)程中始終保持低于支持燃油燃燒的極限氧濃度，但該系統(tǒng)需要大量引氣，膜分離組件成本昂貴、壽命低。

作為世界航空技術(shù)的最前沿陣地，美國(guó)的相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和廠商一直致力于研究新型的燃油箱防爆技術(shù)，以克服中空纖維膜應(yīng)用的不足，例如冷卻惰化技術(shù)[2]、吸附惰化[3]、耗氧型惰化[4]，而耗氧型惰化由于其流程簡(jiǎn)單、效率高，被認(rèn)為是下一代最可能得到實(shí)際應(yīng)用的新型惰化系統(tǒng)，其代表性的技術(shù)有派克宇航公司的綠色催化惰化技術(shù)和霍尼韋爾公司的蒸發(fā)催化惰化技術(shù)[5-8]。2013年，美軍成功地在UH-60(黑鷹)上進(jìn)行了綠色惰化技術(shù)的試飛驗(yàn)證，也在美國(guó)聯(lián)邦航空管理局(FAA)大西城實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境模擬倉(cāng)進(jìn)行了全飛行包線模擬[9-10]，并計(jì)劃于2020年后向市場(chǎng)推廣。

為了突破國(guó)外技術(shù)壁壘，南京機(jī)電液壓工程研究中心和南京航空航天大學(xué)從2014年開(kāi)始，率先在國(guó)內(nèi)對(duì)新型惰化技術(shù)展開(kāi)了研究，在國(guó)外綠色惰化技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種3CIS惰化技術(shù)(low temperature Controllable oxygen Consumed Catalytic Inerting System)，其原理是將油箱上部燃油蒸汽混合物預(yù)熱后通入反應(yīng)器，在催化劑的作用下，燃油蒸汽被氧化成水和二氧化碳，氧氣被消耗，反應(yīng)后的低氧含量氣體再次被送入油箱上部，從而降低燃油箱氣體中的氧含量，達(dá)到惰化的目的。

反應(yīng)器作為3CIS系統(tǒng)核心部件，對(duì)惰化效率有很大影響。催化燃燒的反應(yīng)器常見(jiàn)有固定床、蜂窩陶瓷載體、金屬基載體幾種[11]，后兩種的催化劑為一塊整體，在載體中有許多微小通道，催化劑活性成分負(fù)載在通道上，接觸面積大、催化效率高、壓降低[12]，但其設(shè)計(jì)難度大。固定床式反應(yīng)器中填充有催化劑顆粒，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)，因此也被廣泛使用，但是由于導(dǎo)熱性差的非金屬氧化物構(gòu)成的催化劑載體之間為點(diǎn)接觸，所以床層間的導(dǎo)熱性差，可能會(huì)產(chǎn)生飛溫現(xiàn)象。

與化學(xué)工業(yè)中反應(yīng)器不同的是，后者通常工作在穩(wěn)定工況下，高效率是其追求的主要指標(biāo)，而產(chǎn)物的溫度、設(shè)備的重量體積等則為次要指標(biāo)。但是3CIS系統(tǒng)中，由于氧氣在惰化過(guò)程中不斷被消耗，燃油蒸汽濃度又與油箱溫度和載油量有關(guān)，所以進(jìn)口反應(yīng)物組成在整個(gè)惰化過(guò)程中變化極大，為了消除對(duì)燃油箱的潛在安全隱患，因此保證反應(yīng)器出口氣體溫度在燃油自燃溫度以下是設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)，而重量和尺寸的要求也十分嚴(yán)格，但是對(duì)效率的追求則是次要指標(biāo)。

由于反應(yīng)器中存在催化反應(yīng)、氣體流動(dòng)和傳熱等復(fù)雜因素的耦合，且3CIS系統(tǒng)中反應(yīng)器尺寸較小，如果通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)?nèi)部參數(shù)變化和溫度分布難度和代價(jià)較大。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，CFD作為一種有效科學(xué)的手段早已經(jīng)廣泛用于反應(yīng)器的仿真。Benedettoa等[13]建立了二維的甲烷催化燃燒CFD模型，并耦合了流體流動(dòng)與化學(xué)反應(yīng)過(guò)程來(lái)討論不同壓力對(duì)反應(yīng)速率、甲烷轉(zhuǎn)化率以及反應(yīng)器內(nèi)溫度的影響。Smith等[14]利用Fluent建立了低溫水氣變換反應(yīng)固定床模型，對(duì)4種不同的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行模擬，但是這些模擬中認(rèn)為催化劑固相和氣體始終處于熱平衡狀態(tài)，這與實(shí)際過(guò)程存在一定差異。Gao等[15]對(duì)固定床反應(yīng)器中流動(dòng)行為及一氧化碳生成草酸二乙酯(DEO)的催化反應(yīng)進(jìn)行模擬研究，并采用兩溫度多孔介質(zhì)模型，結(jié)果表明預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)重合度較熱平衡模型高。

本文首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了催化劑反應(yīng)速率隨溫度和物料濃度的變化關(guān)系，基于阿倫尼烏斯關(guān)系式回歸出相關(guān)系數(shù)，然后通過(guò)用戶自定義變量(UDS)添加固相能量方程，用戶自定義函數(shù)(UDF)添加催化反應(yīng)，采用多孔介質(zhì)兩溫度模型對(duì)3CIS系統(tǒng)中的反應(yīng)器在不同燃油蒸汽濃度、不同流速下的內(nèi)部溫度分布、出口產(chǎn)物組成、反應(yīng)器效率等進(jìn)行了模擬分析。

1 催化劑性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

催化劑的性能需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行測(cè)定，圖1給出了實(shí)驗(yàn)流程圖，采用微量注射泵將燃油注入混合器中，通過(guò)調(diào)整3種氣體的流量，來(lái)調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體的濃度，并在混合器中與燃油混合，在加熱器中將其溫度調(diào)整至所需的溫度后進(jìn)入石英反應(yīng)器，反應(yīng)后的產(chǎn)物通過(guò)離子火焰檢測(cè)器和氣相色譜來(lái)檢定其成分。

在石英反應(yīng)器內(nèi)，催化劑的裝填量為5 mL，反應(yīng)氣體流量為5 000 mL/min，空速為60 000 h-1,壓力為常壓，RP-3濃度保持0.48%，改變氧氣濃度為2%、4.5%、7.5%、10%、12.5%和15%，分別測(cè)試反應(yīng)溫度為170、180、190和200℃時(shí)的反應(yīng)速率。由于催化劑用量非常少，反應(yīng)器直徑很小，可認(rèn)為不存在縱向和橫向的溫度梯度和反應(yīng)物的濃度梯度，測(cè)試結(jié)果如圖2所示，當(dāng)氧氣濃度低于10%時(shí)，反應(yīng)速度與氧氣濃度呈近似線性關(guān)系，當(dāng)氧濃度高于10%時(shí)，反應(yīng)速率與氧氣濃度幾乎無(wú)關(guān)。

控制氧氣濃度為10%，調(diào)整RP-3濃度為0.13%、0.26%、0.48%、0.7%、0.9%和1.5%，測(cè)試結(jié)構(gòu)如圖3所示，從圖中可見(jiàn)，在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)反應(yīng)溫度為170、 180、190和200℃時(shí)的反應(yīng)速率隨燃油濃度增加而線性上升，屬一級(jí)依賴關(guān)系。

采用阿倫尼烏尼斯公式，聯(lián)立圖2和圖3數(shù)據(jù)求出活化能、指數(shù)前因子，得到反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為

(1)

圖1 催化劑性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)Fig.1 Catalyst performance test experiment

圖2 不同氧氣濃度下反應(yīng)速率隨溫度變化Fig. 2 Variation of reaction rate with temperature at different oxygen concentrations

圖3 不同溫度下反應(yīng)速率隨RP-3濃度變化Fig.3 Variation of reaction rate with RP-3 concentration at different temperatures

式中：CRP-3為RP-3的物質(zhì)的量濃度；CO2為氧氣的物質(zhì)的量濃度；XO2為氧氣體積分?jǐn)?shù)；Rr為RP-3的反應(yīng)速率；R為理想氣體常數(shù)；Tf為氣相溫度。

2 物理模型及控制方程

2.1 物理模型

反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和尺寸如圖4所示，內(nèi)部空間分為3個(gè)部分，其中中間為顆粒狀催化劑隨機(jī)堆積而成的催化床層。

從燃油箱中抽出的燃油蒸汽混合物被加熱后進(jìn)入反應(yīng)器在催化床層中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成水蒸氣和二氧化碳，并釋放熱量。RP-3燃油其氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.46%，分子式可簡(jiǎn)化為C7.12H14.16，分子量為141 g/mol,其化學(xué)反應(yīng)方程為

圖4 催化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)Fig.4 Catalytic reactor structure

C7.12H14.16+10.74O2=7.12CO2+7.23H2O

(2)

燃燒熱值為43.53 MJ/kg。反應(yīng)器內(nèi)部主要參數(shù)由表1列出。

表1 反應(yīng)器催化床主要參數(shù)Table 1 Main parameters of reactor catalytic bed

2.2 控制方程和邊界條件

本研究中，對(duì)反應(yīng)器模型提出以下幾點(diǎn)假設(shè)。

1) 由于催化劑顆粒的直徑很小，將反應(yīng)器催化床孔隙率視為常值，并且催化劑內(nèi)化學(xué)性質(zhì)均一，將模型簡(jiǎn)化為擬均相模型。

2) 催化床為多孔介質(zhì)，添加動(dòng)力阻力項(xiàng)。

3) 反應(yīng)氣體為不可壓縮氣體，適用理想氣體方程。

4) 由于化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在催化劑顆粒表面以及內(nèi)部孔隙中，認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)熱全部由固相吸收，通過(guò)氣固相傳熱達(dá)到平衡。

5) 采用氣-固相局部熱平衡，在多孔介質(zhì)中添加固體能量方程和熱傳遞方程。

6) 反應(yīng)物的體積力對(duì)流場(chǎng)分布影響小，因此可忽略不計(jì)。

在仿真中采用Fluent 17.0多孔介質(zhì)模型來(lái)簡(jiǎn)化反應(yīng)器床層復(fù)雜無(wú)規(guī)律的空隙通道，實(shí)際上是給氣體添加額外的動(dòng)量源項(xiàng)來(lái)表征催化劑顆粒給氣體帶來(lái)的阻礙作用。采用UDS在多孔介質(zhì)區(qū)域添加固相能量方程，化學(xué)反應(yīng)通過(guò)UDF給對(duì)應(yīng)的組分添加質(zhì)量源項(xiàng)表征化學(xué)反應(yīng)中各組分濃度的變化，化學(xué)反應(yīng)熱以能量源項(xiàng)形式添加給固相能量方程，并通過(guò)傳熱作用將熱量傳遞給氣相。以下為多孔介質(zhì)區(qū)域主要控制方程。

氣相質(zhì)量守恒:

(3)

式中：γ為催化床孔隙率；ρg為氣相密度；v為氣體速度。

氣相動(dòng)量方程為

(4)

式中：τ為剪切應(yīng)力；P為氣相壓力；S為動(dòng)量源項(xiàng)，表達(dá)式為

(5)

式中：μg為氣體動(dòng)力黏度；dp為催化劑顆粒直徑。

氣相狀態(tài)方程為

(6)

式中：Yi為氣相第i組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Mi為氣相第i組分摩爾質(zhì)量。

組分運(yùn)輸方程為

(7)

式中：Ri為第i組分的質(zhì)量源項(xiàng)；Nr為組分的序號(hào)；Ji為氣相第i組分的質(zhì)量擴(kuò)散：

(8)

其中：Di,m為氣相第i組分質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)；μt為湍流黏度；Sct為湍流施密特?cái)?shù)。

氣相能量方程為

(9)

式中：Ef為氣體能量；kf為氣相導(dǎo)熱系數(shù)；Ts為固相溫度；Cp.g為氣相比熱容；hi為氣相第i組分焓變；hv為氣固相對(duì)流傳熱系數(shù)。

固相能量方程為

hv(Ts-Tf)+ΦR

(10)

式中：ρs為固相密度；ks為固相導(dǎo)熱系數(shù)；ΦR為化學(xué)反應(yīng)放熱；Cp·s為固定相比熱容。

氣固相對(duì)流傳熱系數(shù)為

(11)

式中：Db為反應(yīng)器管徑；Re為雷諾數(shù)；Nur為努塞爾數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)；kg為氣相導(dǎo)熱系數(shù)。

Guardo等[16]在Fluent 6.0平臺(tái)上使用5種不同的湍流模型:Spalart-Allmaras 模型,k-ω模型, 標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型, Realizablek-ε模型和RNGk-ε模型來(lái)研究湍流模型對(duì)固定床壁面?zhèn)鳠岬挠绊?，研究表明使用Spalart-Allmaras 模型更真實(shí)反映氣體在復(fù)雜的床層間流動(dòng)情況。湍流方程為

(12)

在入口處使用質(zhì)量流量入口邊界條件，規(guī)定了入口氣體的質(zhì)量流量、溫度、各組分摩爾分?jǐn)?shù)、壓力，出口采用壓力出口邊界條件。

壁面條件采用對(duì)流熱傳導(dǎo)邊界條件，認(rèn)為惰化系統(tǒng)中環(huán)境溫度為40℃，反應(yīng)器外壁面對(duì)流傳熱系數(shù)為50 W·m-2·s-1。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

反應(yīng)器采用軸對(duì)稱模型，將三維模型簡(jiǎn)化為兩維。為了證明網(wǎng)格的數(shù)量滿足仿真要求，分別采用5套不同網(wǎng)格來(lái)計(jì)算氣體通過(guò)反應(yīng)器產(chǎn)生的壓降，結(jié)果如圖5所示。75×150網(wǎng)格數(shù)量已滿足要求，因此采用此數(shù)量網(wǎng)格進(jìn)行仿真。

圖5 網(wǎng)格數(shù)量與反應(yīng)器壓降關(guān)系Fig.5 Relationship between number of grids and reactor pressure drop

3.2 反應(yīng)器靜態(tài)特性

改變反應(yīng)器進(jìn)口氧氣濃度與RP-3濃度，固定氣體流速為1 m/s，反應(yīng)溫度為210℃，得到不同操作條件下的RP-3轉(zhuǎn)化率，如圖6所示。由圖6可知，在相同RP-3濃度下，增大氧氣濃度，轉(zhuǎn)化率也隨之增加，當(dāng)氧氣濃度大于某個(gè)值時(shí)，轉(zhuǎn)化率不再隨著氧氣濃度增加而增加(將這個(gè)值命名為氧濃度飽和值)。在RP-3濃度為0.13%～0.48%條件下，氧濃度飽和值大約在12%左右，而隨著RP-3濃度增加，氧濃度飽和值會(huì)增加。在小于不同RP-3濃度對(duì)應(yīng)飽和值的氧氣濃度區(qū)間內(nèi)，如圖中氧氣濃度為6%～10%時(shí)，對(duì)于相同氧濃度值，增加RP-3濃度會(huì)降低轉(zhuǎn)化率；而在大于RP-3濃度對(duì)應(yīng)飽和值的氧氣濃度區(qū)間內(nèi)，有相反的特性。

固定RP-3濃度為0.26%，氧氣濃度為15%，改變溫度與氣體流速得到圖7數(shù)據(jù)?？芍诓煌瑲怏w流速下，隨著溫度增加轉(zhuǎn)化率增加率不同。流速較小時(shí)溫度對(duì)轉(zhuǎn)化率的促進(jìn)作用要強(qiáng)于流速較大時(shí)；RP-3轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)溫度增加而增加，當(dāng)反應(yīng)溫度在240℃以上時(shí)，RP-3轉(zhuǎn)化率增加緩慢甚至幾乎不變，由于催化劑設(shè)計(jì)時(shí)希望最佳工作溫度不超過(guò)200℃左右且反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程主要由170～200℃工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，對(duì)于阿倫尼烏斯公式擬合的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程其仿真結(jié)果在溫度較高時(shí)誤差有所增大，因此其表現(xiàn)為反應(yīng)當(dāng)溫度遠(yuǎn)離200℃時(shí)，溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)的促進(jìn)作用衰減。

圖6 RP-3轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)物濃度關(guān)系Fig.6 Relationship between RP-3 conversion rate and reactant concentration

3.3 反應(yīng)器內(nèi)溫度及各組分濃度動(dòng)態(tài)特性

假設(shè)進(jìn)入反應(yīng)器的燃油蒸汽混合物被預(yù)熱到150℃，賦予反應(yīng)器初始溫度150℃，RP-3濃度為0.26%,氧氣濃度為15%，氣體流速為1 m/s，研究反應(yīng)器被充分預(yù)熱后其內(nèi)部氣-固相溫度及RP-3濃度變化過(guò)程。圖8和圖9分別給出了反應(yīng)器在80 s時(shí)刻的氣體溫度云圖以及RP-3濃度云圖。圖10出了t=40,80,120 s時(shí)刻對(duì)應(yīng)的催化床軸向氣固溫度。圖11給出了3個(gè)時(shí)刻的RP-3濃度沿反應(yīng)器軸向變化曲線。圖12、圖13分別給出了0～120 s時(shí)間內(nèi)催化床3個(gè)截面的氣相平均溫度及RP-3濃度變化曲線。

由圖10和圖11可以看出，由于反應(yīng)熱被固相吸收，固相溫度大于氣相溫度。40 s時(shí)刻由于催化床溫度較低，反應(yīng)較為緩慢，RP-3轉(zhuǎn)化率低;到了80 s時(shí)刻反應(yīng)加劇，溫度沿著床層迅速增加，軸線上的RP-3被完全消耗，熱點(diǎn)位于催化床后端；120 s時(shí)刻，由于反應(yīng)器催化床的導(dǎo)熱性差，催化床后端溫度持續(xù)上升，催化床前后溫差巨大。由圖12得出反應(yīng)器出口溫度在80 s后增加迅速，出現(xiàn)飛溫現(xiàn)象。由圖13可以看出，反應(yīng)器在X=0.075m處轉(zhuǎn)化率一直處于較低水平，即反應(yīng)器只有后半段工作效率高。

圖8 t=80 s時(shí)刻反應(yīng)器內(nèi)氣體溫度云圖Fig.8 Gas temperature contour in reactor at t=80 s

圖9 t=80 s時(shí)刻反應(yīng)器內(nèi)RP-3濃度云圖Fig 9 RP-3 concentration contour in reactor at t=80 s

圖10 不同時(shí)刻催化床軸線處溫度分布Fig.10 Temperature distribution at axis of catalytic bed at different moments

圖11 不同時(shí)刻反應(yīng)器軸線處RP-3濃度分布Fig.11 RP-3 concentration distribution at reactor axis at different moments

圖12 不同截面處氣相溫度隨時(shí)間變化Fig.12 Variation of gas phase temperature at different cross-sections with time

圖13 不同截面處RP-3平均濃度隨時(shí)間變化Fig.13 Variation of average concentration of RP-3 at different cross-sections with time

圖14 t=80 s時(shí)刻催化床不同軸向處RP-濃度Fig.14 RP-3 concentration in different axial positions of catalytic bed at t=80 s

圖15 t=80 s時(shí)刻催化床不同軸向處徑向溫度Fig.15 Radial temperature in different axial positions of catalytic bed at t=80 s

圖14和圖15給出了t=80 s時(shí)刻不同軸向處的RP-3濃度和徑向溫度分布?？梢园l(fā)現(xiàn)靠近反應(yīng)器外壁處，由于邊界的黏性作用以及外壁自然對(duì)流對(duì)熱量的損失，加之催化床的導(dǎo)熱性差，溫度難以向壁面?zhèn)鬟f，造成中心處的溫度遠(yuǎn)高于靠近外壁處；不均勻的溫度又造成RP-3濃度在徑向上有巨大差異。由圖15可知，化學(xué)反應(yīng)主要發(fā)生在靠近反應(yīng)器軸線的位置。

4 結(jié) 論

通過(guò)UDS添加固相能量方程，以UDF源項(xiàng)形式添加化學(xué)反應(yīng)的方式，以多孔介質(zhì)模型來(lái)代替復(fù)雜的顆粒催化床，建立了氣-固耦合傳熱的反應(yīng)器，對(duì)耗氧惰化系統(tǒng)中的反應(yīng)器進(jìn)行仿真，得出以下結(jié)論。

1) 當(dāng)達(dá)到氧濃度飽和值，增加氧氣濃度將不對(duì)RP-3轉(zhuǎn)化起促進(jìn)作用；在小于氧濃度飽和值的氧氣濃度區(qū)間內(nèi)，RP-3濃度越大，轉(zhuǎn)化率越低，在大于氧濃度飽和值的氧氣濃度區(qū)間內(nèi)，RP-3濃度越小，轉(zhuǎn)化率越低。

2) 反應(yīng)過(guò)程中，熱點(diǎn)位于靠近催化床出口位置，隨著時(shí)間推移，RP-3轉(zhuǎn)化率迅速增加，因此不采取額外的冷卻措施，反應(yīng)器將飛溫。

3) 化學(xué)反應(yīng)主要發(fā)生在反應(yīng)器的后半段，且靠近反應(yīng)器軸線處，使催化床的溫度均勻分布對(duì)提高反應(yīng)器效率有重要意義。

本文將反應(yīng)器作為獨(dú)立的對(duì)象，未充分與惰化系統(tǒng)聯(lián)系且反應(yīng)器有飛溫現(xiàn)象，因此后續(xù)工作將重點(diǎn)解決飛溫現(xiàn)象，并與系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)展開(kāi)進(jìn)一步研究。