馬存祥，邢 力，徐華勝

(中國(guó)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(kāi)展污染排放性能的預(yù)測(cè)。目前，污染排放預(yù)測(cè)有經(jīng)驗(yàn)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(yàn)關(guān)系式法非常簡(jiǎn)單，不考慮流動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)，僅適用于特定燃燒室，且需要該類(lèi)型燃燒室的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。數(shù)值仿真分析法接近實(shí)際情況，既考慮了流動(dòng)，也考慮了化學(xué)反應(yīng)。但其計(jì)算中需要大量的高質(zhì)量網(wǎng)格，對(duì)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(jì)算時(shí)耗時(shí)更多，不利于在燃燒室初步設(shè)計(jì)中對(duì)NOx進(jìn)行快速預(yù)測(cè)，而忽略詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理又會(huì)導(dǎo)致計(jì)算準(zhǔn)確性不高。近年來(lái)國(guó)際上發(fā)展起來(lái)的CRN模型法，在采用詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的同時(shí)還簡(jiǎn)單考慮了流動(dòng)特征參數(shù)(停留時(shí)間)，對(duì)污染排放預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性大大提高，且在計(jì)算時(shí)間上遠(yuǎn)少于數(shù)值仿真分析法[1-4]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用CRN模型法對(duì)燃燒室污染排放性能進(jìn)行了相關(guān)預(yù)測(cè)研究。劉富強(qiáng)等[5]針對(duì)一種燃油徑向分級(jí)多點(diǎn)噴射單頭部燃燒室方案建立了簡(jiǎn)單的CRN模型，研究了值班級(jí)當(dāng)量比、燃油分配比例和進(jìn)口空氣溫度對(duì)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(duì)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(gè)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(duì)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(duì)NOx生成的重要性。Falcitelli等[8]依據(jù)由CFD計(jì)算出的燃燒室內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的分布特性，構(gòu)建了一個(gè)RNA(反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)分析)模型來(lái)預(yù)測(cè)燃燒室出口NOx等污染物的排放。Russo等[1]針對(duì)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(duì)燒天然氣和合成氣的NOx、CO排放進(jìn)行了預(yù)測(cè)，與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果相比，在大氣壓下燒天然氣時(shí)的誤差在8%以?xún)?nèi)，但燒合成氣時(shí)與試驗(yàn)有很大差異。

本文針對(duì)一種貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室[9]，根據(jù)CFD數(shù)值計(jì)算結(jié)果，利用CHEMKIN-PRO軟件建立了CRN模型，對(duì)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(duì)其在不同工況下的通用性進(jìn)行了驗(yàn)證，建立了適合該型低排放燃燒室的排放預(yù)測(cè)模型和預(yù)估關(guān)系式。

2 研究對(duì)象

研究對(duì)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(jí)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(shí)預(yù)燃級(jí)(或值班級(jí))采用富油直接噴射燃燒模式(擴(kuò)散燃燒)；大狀態(tài)時(shí)預(yù)燃級(jí)采用貧油直接噴射燃燒模式，主燃級(jí)采用貧油(部分)預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒模式。

3 計(jì)算工況

文獻(xiàn)[9]研究了該型燃燒室進(jìn)口溫度和壓力對(duì)污染排放的影響，其中試驗(yàn)研究的工況有15個(gè)，包含3個(gè)不同的進(jìn)口溫度(600、700、800 K)點(diǎn)、5個(gè)不同的進(jìn)口壓力(1.0、1.2、1.4、1.6、1.8 MPa)點(diǎn)，同時(shí)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(duì)15個(gè)工況中的9個(gè)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(jì)算，根據(jù)計(jì)算得出的結(jié)果建立CRN模型預(yù)測(cè)NOx的排放，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，再以此CRN預(yù)測(cè)模型對(duì)另外6個(gè)工況進(jìn)行模型預(yù)測(cè)精度驗(yàn)證。

4 基于化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型的計(jì)算

4.1 CFD計(jì)算結(jié)果

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

4.2 區(qū)域劃分處理方法

CRN模型計(jì)算燃燒室污染排放，是根據(jù)燃燒室內(nèi)流場(chǎng)(或溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng))分布特點(diǎn)對(duì)燃燒室進(jìn)行區(qū)域劃分，每個(gè)小區(qū)域根據(jù)自身特點(diǎn)采用不同的反應(yīng)器模塊進(jìn)行模擬，然后將各個(gè)反應(yīng)模塊根據(jù)流場(chǎng)特點(diǎn)連接起來(lái)，完成燃燒室性能計(jì)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(shí)間τchem及流動(dòng)混合時(shí)間τflow決定，即用Da數(shù)來(lái)決定。

對(duì)于某一特定化學(xué)反應(yīng)，若Da＜1，表明化學(xué)反應(yīng)時(shí)間大于流動(dòng)混合時(shí)間，化學(xué)反應(yīng)起主導(dǎo)作用，流體混合(湍流流動(dòng))非常快，該區(qū)域可以用PSR來(lái)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(duì)于沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)僅有流體混合的區(qū)域，可以用MIX(無(wú)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(chǎng)分布特點(diǎn)，結(jié)合Da數(shù)劃分為不同區(qū)域。為更好地模擬預(yù)燃級(jí)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(gè)區(qū)域。PSR5代表了主燃級(jí)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(shí)間較長(zhǎng)；剩下的大部分進(jìn)入主燃區(qū)PSR7，可以看到主燃級(jí)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(shí)，一部分從主燃孔進(jìn)來(lái)的空氣也進(jìn)入了主燃區(qū)PSR7。經(jīng)過(guò)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(guò)進(jìn)一步反應(yīng)后進(jìn)入PSR2、PSR3區(qū)域用來(lái)點(diǎn)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(lái)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(lái)模擬軸向上主燃孔之后、摻混孔之前的一個(gè)小渦區(qū)。因其溫度已達(dá)1 800 K以上，為更準(zhǔn)確地計(jì)算排放數(shù)據(jù)，有必要單獨(dú)對(duì)其采用一個(gè)PSR。PFR1、PFR2分別用來(lái)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(huì)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(chǎng)的溫度、速度、組分分布特點(diǎn)，采用PSR、PFR和MIX對(duì)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(gè)PSR的容積，據(jù)此可估算出各個(gè)PSR的燃?xì)馔Ａ魰r(shí)間。

5 計(jì)算結(jié)果分析

5.1 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用氣相和表面化學(xué)反應(yīng)燃燒軟件CHEM?KIN-PRO，對(duì)DIPME燃燒室污染排放進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算過(guò)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(guò)從FLUENT中提取各個(gè)反應(yīng)區(qū)域的溫度、壓力、容積、停留時(shí)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(jì)算1.0、1.4、1.8 MPa時(shí)3個(gè)溫度(600、700、800 K)下的 NOx排放，并與試驗(yàn)結(jié)果[9]進(jìn)行對(duì)比。從圖5中的對(duì)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(jì)算得出的NOx排放量與試驗(yàn)所得值趨勢(shì)一致，誤差在9%以?xún)?nèi)，具有較高的計(jì)算精度。

5.2 預(yù)測(cè)模型建立

根據(jù)上述9個(gè)工況建立CRN模型，通過(guò)改變進(jìn)口溫度、壓力和空氣/燃油流量，對(duì)剩余6個(gè)工況的NOx排放進(jìn)行預(yù)測(cè)，并采用最小二乘原理對(duì)15個(gè)工況計(jì)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(guó)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(gè)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(yàn)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(guò)計(jì)算，最終得到的CRN模型預(yù)估NOx排放的公式為：

試驗(yàn)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(cè)公式與試驗(yàn)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(xiàng)的指數(shù)因子也很接近?？梢?jiàn)，采用CRN模型法對(duì)貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒室NOx排放進(jìn)行預(yù)測(cè)可以獲得較高的預(yù)測(cè)精度，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

6 結(jié)論

對(duì)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(jì)算，在其溫度分布特點(diǎn)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(duì)NOx排放特性進(jìn)行了計(jì)算分析，研究結(jié)果表明：

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

(2)CRN模型計(jì)算得到的NOx排放預(yù)估公式與試驗(yàn)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(gè)系數(shù)量級(jí)很接近，表明本文建立的CRN模型有效，能利用該模型對(duì)DIPME燃燒室方案開(kāi)展其他工況的NOx排放預(yù)測(cè)，且具有較高預(yù)測(cè)精度。

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