甲醇热解组分对超音速燃烧影响的数值模拟

第32卷 第1期 四 川 兵 工 学 报 2011年 1月 甲醇热解组分对超音速燃烧影响的数值模拟 龚景松 ，金 鑫，侯凌云，钟北京 (清华大学 航天航空学院，北京 100084) 摘要：针对某模型超音速燃烧窒，采用总包化学反应动力学模型计算了添加甲醇燃料热解气体组分条件下碳氢燃料 的燃烧特性。对比分析了不同条件下内部温度场 、氢气浓度的分布以及燃料的转化特性等。结果明：添加 甲醇燃 料热解气体后可以有效改善发动机的着火和燃烧特性。 关键词：甲醇；热分解 ；超音速燃烧；数值模拟 中图分类号：TJ763 文献标识码：A 文章编号：1006—0707(2011)01—0132—03 国内外对超音速燃烧 冲压发动机的研究 已经进行了几 十年 1 3。目前，在高超冲压发动机的研制中主要面临的问题 是稳定燃烧和冷却两大问题 。特别对于碳氢燃料，如何缩 短其着火延迟，以确保在有限长度的超音速燃烧室内实现碳 氢燃料的点火与稳定燃烧就成为碳氢燃料超燃冲压发动机 研制过程中必须解决的首要问题。 从燃料特性可知，只有氢 的着火延迟时间最短 (微秒 级)，另外氢还具有热值高(是液体碳氢燃料的3倍多)、火焰 传播速度快(是煤油的 3倍多)、着火界限宽广、燃烧活化能 低、点火能低 、扩散系数大等优异性能 ，而且燃烧充分 ，因此 可以采用在碳氢燃料 中加入一定量的氢的方法来缩短着火 延迟时间，增强火焰稳定性。 在文献[3—4]的研究中发现，将含氧燃料 (二甲醚、乙 醇、甲醇等)加热到400～600℃温度时，燃料本身会发生热 分解，得到含有氢气的可燃小分子气体(氢气、一氧化碳等)， 将此气体通入内燃机进气道中可以得到约 10％的节油率，具 有明显的节能效果。因此 ，可以设想将此技术应用到超燃冲 压发动机上，解决发动机的点火 、火焰稳定问题。本文正是 出于这样的目的，使用数值模拟的方法，探讨此种方式的可 行性。 本文以某模型超音速燃烧冲压发动机为研究对象 ，对比 分析了有无含氧燃料热解气体成分对碳氢燃料超燃冲压发 动机燃烧室内的燃料与空气的掺混特性、燃烧过程，及其对 着火和火焰稳定 、燃烬特性的影响。 1 数学模型 二维多组分及化学反应的 N—S方程组守恒形式的微分 表达式为 + + ： +譬+ (1) at ax av 8x av ’ 、 其中： U ： R = ，F = 0 J Ⅱ丁埘 +VTxy+q P磋 p磋 p磋 P P“『上+P P (pE P)11, PuJ1 PuL p．fo S = ．G ： pv puv pvv +P (pE+P)V pvf, p 2 pry． O " ur + +q pD pD熹 p嗉 湍流模型采用剪切应力输运的 k一 模型，它综合了标 准k一 模型与高 Re数k—s模型两者的优点，在近壁处使 用低 Re数 k一∞模型，逐渐过渡到外区使用的高 Re数 k一 模型。离散化方程采用隐式耦合求解方法，对流项的离散采 用二阶迎风，扩散项采用二阶中心差分格式。 计算的进口边界条件按照实际工况全部给定，出121边界 条件由内点外插得到，壁面采用无滑移条件和绝热条件。 在化学反应中，利用甲烷来模拟碳氢燃料，将含氧燃料 热解气体成分按照甲醇热解为氢气和CO的摩尔比为2：1记 为燃料A，燃料 A和甲烷再按照不同的比例混合作为发动机 的燃料喷入燃烧室，计算采用EBU—Arrhnius模型，包含如下 的化学反应： 收稿 日期 ：2010—10—09 基金项目：清华大学基础研究基金资助项目 作者简介：龚景松(1975一)，男，博士，讲师，主要从事燃烧科学与技术研究。 p 0 O O O 龚景松，等：甲醇热解组分对超音速燃烧影响的数值模拟 l33 2H2+O2 2H2O CH4+1．502_÷C0+2H2O CO +0．502_ C02 2 计算结果与分析 (2) (3) (4) 2．1 物理模型 本文数值模拟的几何模型是文献[5]中的超燃冲压发动 机构型。整个发动机由隔离段和燃烧室构成，燃料从壁面的 小孔喷人流场，进行掺混和燃烧。为了简化计算，对三维结 构按照等面积进行简化，将喷嘴直径 D=1．2 mm修正为二 维缝隙宽度 l=0．2 mm，得到二维的计算模型，如图 1所示， 计算区域网格数约为 25 000个。 图1 二维简化几何模型 被加热的空气来流条件如表 1所示。燃料采用音速喷 嘴喷人燃烧室，总温为 573 K，为了能够保持整体燃料与空气 的当量 比不变，含有 热解气 体成分 的燃料 喷入压力有所 增加。 表 1 隔离段入口条件 2．2 计算结果与分析 1)冷态流场验证。为了验证所选模型的准确性，进行 了冷态流场的计算 ，此时没有燃料的喷射。图2给出了数值 计算的密度等值线和文献[6]给出的等直段燃烧室流场的试 验纹影图的对比。从图 2中可以看出两者给出的波系位置 和形状都比较接近，波系也很清晰。图3给出了燃烧室直壁 面的压力分布，台阶后的再附斜激波经过壁面反射后逐渐减 弱，表现为压力峰值逐渐减小，数值计算得到的激波位置和 压力分布都和试验结果吻合得 比较一致。说明所选的模型 是合理的。 图2 冷态流场纹影图(上)和 计算的 密度等值线图(下)对比 图3 燃烧室直壁面压力实验和计算对比 2)氢气燃烧模拟。进一步对热态情况下燃烧氢气的情 况进行了模拟。按照实验给出的化学当量 比 =0．35和 = 0．70两种情况进行计算，对壁面的压力分布进行了对比。 图4是 咖=0．35和 =0．70条件下燃烧室等直段的压力分 布。尽管计算结果与试验结果有一定的差值，但是总体变化 趋势吻合的较好。由于二维计算中，燃料人口采用了音速自 适应喷嘴结构模拟，因此压强计算值同三维试验测得的喷嘴 附近的压强有较大的偏差，但在喷嘴后面的燃烧室扩张区域 整体变化趋势的吻合就比较一致了。 x|mm (a) =O 35 0 5O l00 150 200 250 300 X|m m fb1 =O 70 图4 氢气燃烧情况下燃烧室等直段的 压强分布与实验对比 3)添加甲醇热解组分情况下燃烧模拟结果分析。在冷 态流场验证和氢气燃烧模拟的基础上，分别对喷射甲烷和添 加5％～40％热解气体成分的混合燃料的燃烧情况进行了数 值计算。图5为喷射添加不同比例的热解气体成分的混合 燃料的温度分布情况和喷射添加不同比例的热解气体成分 的混合燃料时氢气的浓度分布情况。对比发现，当添加的比 船 舶 0 0 0 0 0 0 0 0 O 、 134 四 川 兵 工 学 报 例很小或不添加时，氢气能够反应，但是温度分布基本一致 ， 说明氢气燃烧放热不能够使其中的甲烷燃烧起来。当喷射 比例增加时，氢气的放热可以使甲烷燃料被点燃 ，这时整个 燃烧室内能够燃烧起来 ，燃料被消耗掉，温度得到了升高，在 靠近壁面的部分形成燃烧的高温区。说明添加含氧燃料热 解成分后能够促进燃料的燃烧。 0 06 004 002 0 0 06 004 002 0 } 口二二= 濯豳豳翻——●—一 01 0 2 0 3 04 0 5 fb1纯 甲烷 01 0 2 0 3 04 05 (c 95％甲烷 01 0 2 0 3 0 4 0 5 )9O％甲烷 fc】8O％甲烷 图5 添加不 同比例的 A组分条件 下的温度 分布对比 图6为计算的各种物质的燃烧效率随 A组分添加量的变 化。从图6中可以看出，当喷射纯甲烷时燃烧发生的很小，大 部分的甲烷直接随来流流出燃烧室。当混合燃料中热解混合 物 A的质量分数达到 10％以上时，混合燃料中的甲烷组分即 可点火燃烧起来。可以看到：H，的燃烧效率随着热解混合物 A的质量分数的增加逐渐下降；而混合物整体和甲烷组分则 随着热解混合物 A的质量分数的增加而略有变化 ；能够燃烧 之后，燃烧效率维持在 60％左右，分析原因，主要是燃料的喷 射穿透深度小，不能使燃料与空气充分混合所致，需要改进发 动机的燃料喷射方式来进一步提高燃烧效率。 图6 混合燃料各组分的转化率曲线 3 结束语 本文在验证求解模型和方法的基础上，进行 了碳氢燃料 CH 的燃烧模拟，并将含氧燃料热解气体 2H，+CO以不同 的质量比例同 CH 掺混组成混合燃料进行燃烧模拟，发现在 纯 CH 无法燃烧情况下添加一定量的热解气体(约 10％ 一 20％)就可以有效改善甲烷的燃烧状况，从而验证了本文提 出的改善碳氢燃料点火和燃烧性能的的可行性。 参考文献： 乐嘉陵，胡欲立，刘陵．双模态超燃冲压发动机研究进 展[J]．流体力学实验与测量，2000，14(3)：1—12． 刘小勇．超燃冲压发动机技术 [J]．飞航导弹，2003 (2)：38—42． Zhang bo，Fu Weibiao，Gong Jingsong．Study of fuel con— sumption when introducing DME or ethanol into diesel en— gine[J]．fuel，2006，85：778—782． 刘闯，张波，傅维镳．柴油机燃用乳化油时提高节油率 的试验研究[J]．内燃机工程 ，2006，27(2)：25—28． 郑忠华，乐嘉陵．Scramjet燃烧室流场的二维并行数值 模拟及试验比较[J]．流体力学实验与测量，2002，16 (2)：306—311． 邢建文．超声速燃烧室流场的数值模拟及与实验结果 的比较[D]．长沙：国防科学技术大学，2002． (责任编辑 刘 舸) (上接第 109页) [7] 宋长宝，竺小松．一种基于 DFT的相位差测量方法及 误差分析[J]．电子对抗技术，2003，18(5)：17一l9． [8] 江亚群，何怡刚．基于加窗 DFT的相位差高精度测量 算法[J]．电路与系统学报，2005，10(2)：112一l16． [9] s0 H C．Time—delay estimation for sinusoidal signals[J]． IEE Proceedings—Radar，Sonar and Navigation，2001，148 (6)：318—324． [10]so H c．A comparative study of two discrete—time phase delay estimators[J]．IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2005，54(6)：205l一2054． [11]周增建，王海，郑胜峰 ，等．一种基于希尔伯特变换的相 位差测量方法[J]．测试测量技术，2009，19(9)：18 — 22． [12]周继惠，曹青松，宋京伟．基于Hilbert变换的相位测量 法与数字相关测相法的比较[J]．无损检测，2006，28 (7)：341—343． (责任编辑 陈 松) ∞ ∞ 眈 0 0 0 0 5 0 4 O 3 0 态 冷 } 0 r O ∞ 0 0 0 0 0 1 { 1 ● 1 j 1J