孫得川 向偉彬

DOI：10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2018.06.010

摘要：煤油作為航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的理想燃料，其點(diǎn)火特性對(duì)動(dòng)力裝置的研制至關(guān)重要。本文開發(fā)了等容絕熱燃燒的化學(xué)動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件，可進(jìn)行包含準(zhǔn)總包反應(yīng)的燃燒機(jī)理計(jì)算。采用8組分19步反應(yīng)計(jì)算了氫-空氣燃燒，采用10步準(zhǔn)總包簡(jiǎn)化反應(yīng)機(jī)理計(jì)算了煤油-空氣燃燒，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好。計(jì)算了不同初溫和壓力條件下煤油的反應(yīng)誘導(dǎo)時(shí)間，結(jié)果表明，初溫和壓力對(duì)煤油反應(yīng)誘導(dǎo)時(shí)間的影響都很大;溫度和壓力的提升會(huì)使反應(yīng)誘導(dǎo)時(shí)間迅速縮短;初始?jí)毫?8MPa時(shí)反應(yīng)誘導(dǎo)時(shí)間只有5.3μs，而101.325kPa時(shí)的反應(yīng)誘導(dǎo)時(shí)間長達(dá)800μs。

關(guān)鍵詞：煤油;反應(yīng)機(jī)理;誘導(dǎo)時(shí)間;壓力;溫度

中圖分類號(hào)：TJ763;V231.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1673-5048（2018）06-0060-06[SQ0]

0引言

作為最經(jīng)濟(jì)可行的燃料，煤油不僅在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中廣泛應(yīng)用，而且也是超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的理想燃料。因?yàn)檫@些發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境差別很大，所以了解煤油在其中的燃燒規(guī)律對(duì)于動(dòng)力裝置的研究顯得尤其重要。為此，許多學(xué)者對(duì)以煤油為燃料的各類發(fā)動(dòng)機(jī)開展了數(shù)值模擬的研究工作，以期通過數(shù)值仿真了解流動(dòng)和燃燒的細(xì)節(jié)。

盡管不同類型發(fā)動(dòng)機(jī)所使用的煤油不同，但燃燒特性接近。不過由于煤油成分復(fù)雜，其燃燒機(jī)理也非常復(fù)雜，例如Dagaut等人的3組分替代煤油燃燒反應(yīng)機(jī)理模型包含了209種組分1673步反應(yīng)[1];Honnet等人的2組分替代煤油燃燒反應(yīng)模型也包含了122種組分900步反應(yīng)[2]。在數(shù)值仿真中，如果直接采用這些包含上百種組分和上千種反應(yīng)的機(jī)理來研究煤油的燃燒特性存在很大困難，所以很多煤油燃燒流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究都采用了簡(jiǎn)化的燃燒模型。例如胡欲立等人計(jì)算了帶有凹槽的超聲速燃燒室中煤油的霧化燃燒過程[3]，郭瑞卿等人計(jì)算了替代燃料對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室性能的影響[4]，都是采用了FLUENT軟件和PDF燃燒模型。因?yàn)镻DF模型是基于化學(xué)平衡假設(shè)的，所以采用該模型計(jì)算低速流動(dòng)條件下的燃燒雖適合，但是對(duì)于超聲速燃燒計(jì)算誤差較大。王慧汝等人利用FLUENT比較計(jì)算Kundu反應(yīng)機(jī)理和亞琛反應(yīng)機(jī)理在模型燃燒室內(nèi)的應(yīng)用時(shí)采用了火焰面模型[5]，忽略了反應(yīng)速率的影響。另一種簡(jiǎn)化方式是采用過度簡(jiǎn)化的反應(yīng)機(jī)理，例如萬田等人的計(jì)算直接采用了總包反應(yīng)[6]，萬少文等人計(jì)算RBCC中的燃燒流動(dòng)時(shí)采用了3步反應(yīng)模型[7]，這些模型認(rèn)為燃燒受湍流混合控制而不考慮反應(yīng)速率的影響。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火問題，采用忽略反應(yīng)速率的簡(jiǎn)化模型就無法反映出煤油燃燒的動(dòng)力學(xué)特性，因此較為合適的反應(yīng)模型是在復(fù)雜機(jī)理的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)化，減少其中的組分?jǐn)?shù)目和反應(yīng)數(shù)目。例如樂嘉陵院士團(tuán)隊(duì)采用10組分12步反應(yīng)的簡(jiǎn)化機(jī)理進(jìn)行數(shù)值模擬[8]。在研究煤油點(diǎn)火延遲時(shí)，國內(nèi)則多采用CHEMKIN軟件的激波管計(jì)算模塊對(duì)復(fù)雜機(jī)理進(jìn)行模擬[9]。

為了研究發(fā)動(dòng)機(jī)中煤油點(diǎn)火延遲的動(dòng)力學(xué)特性及其影響因素，并確定可用于數(shù)值模擬的煤油

簡(jiǎn)化機(jī)理，本文開發(fā)了一種通用的適用于簡(jiǎn)化機(jī)理和復(fù)雜機(jī)理的化學(xué)動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件，并研究了一種簡(jiǎn)化處理的煤油（C10H20）的10步簡(jiǎn)化反應(yīng)機(jī)理，通過與實(shí)驗(yàn)的比較確定了其中的參數(shù);計(jì)算了不同初始溫度和壓力條件下的煤油反應(yīng)過程，探討了壓力和初溫對(duì)煤油反應(yīng)誘導(dǎo)時(shí)間的影響。該軟件模塊可以直接移植到燃燒流場(chǎng)計(jì)算中。

1計(jì)算模型

本文開發(fā)的化學(xué)動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件的基礎(chǔ)是多組分混合氣體的化學(xué)非平衡計(jì)算模型[10]。該模型不考慮流動(dòng)對(duì)燃燒的影響，假定反應(yīng)發(fā)生在絕熱、定容且各向同性的流體微團(tuán)中，因此反應(yīng)過程只受化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制。

1.1程序框圖

軟件的計(jì)算核心采用FORTRAN95編寫，用戶界面采用WPF編寫，可在安裝了.NET的Windows7和WindowsXP環(huán)境下運(yùn)行。軟件流程圖如圖1所示，其中組分輸入、初始條件輸入和反應(yīng)機(jī)理輸入都采用文本文件的形式;熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫（Thermodatabase）采用NASA版本的thermo.dat文件。

3結(jié)果與討論

3.1煤油反應(yīng)機(jī)理

因?yàn)樵敿?xì)的煤油反應(yīng)機(jī)理過于復(fù)雜，所以工程上較為實(shí)用的是包含較少反應(yīng)步數(shù)的準(zhǔn)總包反應(yīng)機(jī)理（Quasi-GlobalMechanism）。準(zhǔn)總包反應(yīng)機(jī)理是指煤油先通過一步不可逆反應(yīng)氧化為CO，H2等，然后再計(jì)算CO，H2的多步反應(yīng)，其優(yōu)點(diǎn)在于既考慮了烴類燃料的裂解特性，又大大簡(jiǎn)化了煤油反應(yīng)機(jī)理。盡管煤油的成分很復(fù)雜，但是因?yàn)槿紵奶卣飨嘟?，所以本文采用一種簡(jiǎn)化處理的煤油作為算例研究，其分子式為C10H20，對(duì)應(yīng)的燃燒機(jī)理是Choi在乙烯準(zhǔn)總包反應(yīng)[13]的基礎(chǔ)上發(fā)展的煤油10步準(zhǔn)總包反應(yīng)機(jī)理[14]，見表1。但是在上述文獻(xiàn)中，并未找到總包反應(yīng)中反應(yīng)物的反應(yīng)速率指數(shù)η′，如果采用相應(yīng)的計(jì)量系數(shù)作為指數(shù)顯然對(duì)于O2是過高了，為此本文進(jìn)行了大量的參數(shù)調(diào)整和與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證，最終確定C10H20的反應(yīng)速率指數(shù)1.0，O2的指數(shù)為0.83。

3.2初始溫度對(duì)反應(yīng)誘導(dǎo)時(shí)間的影響

應(yīng)用上述的10步反應(yīng)機(jī)理，計(jì)算了煤油在空氣中的燃燒過程，其初始?jí)毫?MPa，初始溫度為1200K。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。計(jì)算得到的反應(yīng)誘導(dǎo)時(shí)間約為40μs，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[14]符合較好。

圖4所示為根據(jù)該反應(yīng)機(jī)理計(jì)算的初始?jí)簭?qiáng)為10×101.325kPa時(shí)，不同初始溫度條件下的反應(yīng)誘導(dǎo)時(shí)間，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[15-16]進(jìn)行了對(duì)比。由對(duì)比結(jié)果可見，根據(jù)該反應(yīng)機(jī)理計(jì)算的煤油燃燒的誘導(dǎo)時(shí)間在各初始溫度下均與實(shí)驗(yàn)符合較好。這不僅驗(yàn)證了化學(xué)反應(yīng)計(jì)算模塊的正確性，也驗(yàn)證了煤油反應(yīng)機(jī)理的正確性。另外，由計(jì)算結(jié)果可知，初始溫度對(duì)反應(yīng)速度影響很大，初溫的升高會(huì)使反應(yīng)誘導(dǎo)時(shí)間迅速減小。

3.3壓力對(duì)反應(yīng)誘導(dǎo)時(shí)間的影響

為考察壓力對(duì)反應(yīng)的影響，本文計(jì)算了煤油和空氣的混合比為當(dāng)量混合比，初溫均為1200K，壓力分別為101.325kPa、2MPa和18MPa三種條件下的煤油反應(yīng)，計(jì)算結(jié)果如圖5～7所示。

從三種不同初始?jí)毫ο碌姆磻?yīng)誘導(dǎo)時(shí)間可知，在初始?jí)毫?01.325kPa條件下，煤油反應(yīng)誘導(dǎo)時(shí)間約為800μs，而壓力達(dá)到18MPa時(shí)，誘導(dǎo)時(shí)間降低到5.3μs，相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)。在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃燒室壓力通常高達(dá)10MPa以上，在這樣的工況下，煤油的反應(yīng)誘導(dǎo)時(shí)間為幾微秒，遠(yuǎn)小于流動(dòng)計(jì)算的時(shí)間步長，可以近似認(rèn)為反應(yīng)迅速發(fā)生，忽略其誘導(dǎo)時(shí)間的影響，因此認(rèn)為燃燒處于化學(xué)平衡狀態(tài)是合理的;而對(duì)于沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，其燃燒室壓力經(jīng)過進(jìn)氣道的沖壓作用后尚不及一個(gè)大氣壓，煤油反應(yīng)的誘導(dǎo)時(shí)間為1ms的量級(jí)，這個(gè)時(shí)間處于與燃燒室內(nèi)氣流的停留時(shí)間接近的水平，顯然只有采用化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型才能模擬超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒反應(yīng)過程。另外，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的空氣流速約為1000m/s的量級(jí)，煤油反應(yīng)的誘導(dǎo)時(shí)間在毫秒量級(jí)也說明，如果煤油直接在流動(dòng)的空氣中燃燒，那么燃燒室長度至少達(dá)到1m以上才可能充分釋放能量;對(duì)于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，采用縮比模型進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)是不可行的。

4結(jié)論

本文開發(fā)了基于等體積燃燒模型和化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型的計(jì)算軟件，依據(jù)煤油燃燒的10步簡(jiǎn)化機(jī)理計(jì)算了不同初溫和壓力條件下的煤油燃燒過程，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比符合較好。根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到如下結(jié)論：

（1）采用并確定參數(shù)的10步煤油簡(jiǎn)化反應(yīng)機(jī)理可以較好地模擬煤油燃燒過程，計(jì)算得到的反應(yīng)誘導(dǎo)時(shí)間與實(shí)驗(yàn)值一致性較好。

（2）溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響很大，初溫的提升會(huì)使反應(yīng)誘導(dǎo)時(shí)間迅速縮短。

（3）壓力對(duì)煤油反應(yīng)誘導(dǎo)時(shí)間影響很大，初始?jí)毫?8MPa時(shí)反應(yīng)誘導(dǎo)時(shí)間只有5.3μs，而在101.325kPa時(shí)的反應(yīng)誘導(dǎo)時(shí)間長達(dá)800μs;

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒反應(yīng)，應(yīng)該采用化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型才能有效模擬其反應(yīng)過程，采用縮比模型實(shí)驗(yàn)來研究超聲速燃燒過程是不可行的。

參考文獻(xiàn)：

[1DagautP，BakaliAE，RistoriATheCombustionofKerosene：ExperimentalResultsandKineticModelingUsing1to3ComponentSurrogateModelFuels[J].2006，85（7）：944-956.

[2]HonnetS，SeshadriK，NiemannU，etal.ASurrogateFuelforKerosene[J].ProceedingsoftheCombustionInstitute，2009，32（1）：485-492.

[3]胡欲立，劉歐子，蔡元虎.液體煤油超聲速燃燒的三維數(shù)值分析[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，2007，13（3）：214-219.

HuYuli，LiuOuzi，CaiYuanhu.ThreeDimensionalNumericalAnalysisofLiquidKeroseneSupersonicCombustion[J].JournalofCombustionScienceandTechnology，2007，13（3）：214-219.（inChinese）

[4]郭瑞卿，唐正府，尚守堂，等.替代燃料對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室性能影響的計(jì)算研究[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2016，42（1）：21-24.GuoRuiqing，TangZhengfu，ShangShoutang，etal.SimulationonInfluenceofAlternativeFuelonCombustorPerformanceforAeroengine[J].Aeroengine，2016，42（1）：21-24.（inChinese）

[5]王慧汝，金捷.采用不同航空煤油反應(yīng)機(jī)理模擬模型燃燒室兩相燃燒流場(chǎng)[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2013，26（4）：22-27.

WangHuiru，JinJie.NumericalSimulationofTwoPhaseCombustionFieldsinaModelCombustorUsingTwoDifferentChemicalReactionMechanismsofJetFuel[J].GasTurbineExperimentandResearch，2013，26（4）：22-27.（inChinese）

[6]萬田，李東霞，陳立紅，等.超燃燃料和空氣混合及燃燒的數(shù)值模擬[C]∥第二屆高超聲速科技學(xué)術(shù)會(huì)議，黃山，2009.

WanTian，LiDongxia，ChenLihong，etal.NumericalSimulationofKeroseneAirMixingandCombustioninScarmjetCombustors[C]∥2ndHypersnicAcademicConference，Huangshan，2009.（inChinese）

[7]萬少文，何國強(qiáng)，劉佩進(jìn)，等.RBCC混合燃燒模式下燃料噴注位置對(duì)燃燒性能影響研究[J].固體火箭技術(shù)，2010，33（6）：636-640.

WanShaowen，HeGuoqiang，LiuPeijin，etal.ResearchofCombustionaboutInjectorPositioninRocketInducedSecondaryCombustionofRBCCEngine[J].JournalofSolidRocketTechnology，2010，33（6）：636-640.（inChinese）

[8]楊順華，樂嘉陵，趙慧勇，等.煤油超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)三維大規(guī)模并行數(shù)值模擬[J].計(jì)算物理，2009，26（4）：534-540.

YangShunhua，LeJialing，ZhaoHuiyong，etal.ThreeDimensionalMassivelyParallelNumericalSimulationofKeroseneFueledScramjet[J].ChineseJournalofComputationalPhysics，2009，26（4）：534-540.（inChinese）

[9]王慧汝，金捷，王靜波，等.正癸烷燃燒機(jī)理及航空煤油點(diǎn)火延時(shí)動(dòng)力學(xué)模擬[J].高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)，2012，33（2）：341-345.

WangHuiru，JinJie，WangJingbo，etal.CombustionMechanismofnDecaneatHighTemperaturesandKineticModelingofIgnitionDelayforAviationKerosene[J].ChemicalJournalofChineseUniversities，2012，33（2）：341-345.（inChinese）

[10]劉君，周松柏，徐春光.超聲速流動(dòng)中燃燒現(xiàn)象的數(shù)值模擬方法及應(yīng)用[M].長沙：國防科技大學(xué)出版社，2008.

LiuJun，ZhouSongbai，XuChunguang.NumericalSimulationandApplicationofCombustionPhenomenainSupersonicFlow[M].Changsha：NationalUniversityofDefenseTechnologyPress，2008.（inChinese）

[11]WilsonGJ，MacCormackRW.ModelingSupersonicCombustionUsingaFullyImplicitNumericalMethod[J].AIAAJournal，1992，30（4）：1008-1015.

[12]BhaskaranKA，GuptaMC，JustT.ShockTubeStudyoftheEffectofUnsymmetricDimethylHydrazineontheIgnitionCharacteristicsofHydrogenAirMixtures[J].Combustion&Flame，1973，21（1）：45-48.

[13]SinghDJ，JachimowskiCJ.QuasiglobalReactionModelforEthyleneCombustion[J].AIAAJournal，1994，32（1）：213-216.

[14]ChoiJY.AQuasiGlobalMechanismofKeroseneCombustionforPropulsionApplications[C]∥AIAA/ASME/SAE/ASEEJointPropulsionConference&Exhibit，SanDiego，California，2013.

[15]DagautP，CathonnetM.TheIgnition，Oxidation，andCombustionofKerosene：AReviewofExperimentalandKineticModeling[J].ProgressinEnergyandCombustionScience，2006，32（1）：48-92.

[16]DavidsonDF，HansonRK.FundamentalKineticDatabaseUtilizingShockTubeMeasurements[C]∥6thInternationalConferenceonChemicalKinetics，Gaithersburg，MD，2005：25-29.