空氣污染各組分對甲烷超聲速燃燒性能的影響

侯凌云 楊 縉 馬雪松 劉 巍

(1清華大學航天航空學院,北京 100084; 2北京動力機械研究所,北京 100074)

空氣污染各組分對甲烷超聲速燃燒性能的影響

侯凌云1,*楊 縉1馬雪松2劉 巍2

(1清華大學航天航空學院,北京 100084;2北京動力機械研究所,北京 100074)

在與甲烷詳細化學反應機理對比驗證基礎上,采用18組分24步簡化反應機理模擬甲烷超聲速燃燒過程,從化學動力學和熱力學角度用數值方法研究了乙醇燃燒加熱空氣中的七種主要污染組分(H2O,CO2,O, OH,CO,H,H2)對甲烷超聲速燃燒性能的影響.分析結果表明：在一定條件下,進口空氣中污染組分H2O的增加造成平均比熱容增加,總溫降低,并作為第三體抑制甲烷的燃燒過程,使超燃室的性能下降;CO2因大分子量特性使燃氣平均分子量增大,降低超燃室做功能力,H2O和CO2兩組分對甲烷超燃性能都起消極作用;污染組分自由基H、O、OH和燃燒中間產物CO、H2使燃燒室燃燒效率上升,對甲烷超燃性能起積極作用.

超聲速燃燒;化學反應機理;污染空氣;組分

超燃沖壓發動機地面實驗中要再現飛行時的高速高焓氣流特性,必須對進口氣體進行預加熱以使總焓達到高飛行馬赫數時氣流總焓.目前,主要采用電弧加熱和燃燒加熱兩種方式對空氣進行加熱,以模擬高空高焓氣流條件.在工程應用中,常使用比電加熱更經濟的燃燒加熱方式來模擬高空高速、高焓進口氣流.然而,燃燒加熱空氣與實際空氣組分組成、比熱、分子量等的差異會使地面實驗結果不能等同于飛行實驗結果.于是,如何使用污染空氣來模擬和復現超聲速燃燒飛行狀態下的實際性能,研究燃燒加熱污染空氣對超聲速燃燒的影響就成為燃燒實驗技術需要解決的重要課題.

國外加熱空氣污染物影響超音速燃燒的研究始于1960-1970年,人們從理論、實驗和數值模擬來研究燃燒加熱后的污染空氣對超音速燃燒過程的影響[1-3].但其發表的文獻大多是針對氫超燃過程影響的分析.國內也在近幾年展開了相關研究[4-6],但大多側重在對最終產物影響的計算和實驗.本文針對乙醇燃燒加熱空氣中的主要污染物,包括最終產物H2O、CO2,自由基O、OH、H,中間產物CO、H2,對甲烷超聲速燃燒性能影響展開數值模擬.

1 計算模型與方法

1.1 燃燒室模型

數值計算所使用的燃燒室模型如圖1所示,為具有中心支板和兩對凹槽的突擴型雙模態超燃沖壓發動機燃燒室[7].此模型的支板燃料注入系統能夠使燃料在高速氣流中均勻分布,并在很短的時間內完成混合,凹槽火焰穩定器能對點火和穩定燃燒起積極作用.燃料從燃燒室壁面距凹槽15 mm處徑向垂直噴入,以及支板尾緣順向噴入主流.由于結構的對稱性,取其一半進行計算.采用結構化網格,對支板、凹槽及壁面進行了局部加密,網格數為15265.

1.2 控制方程與模型

采用包含多種組分帶化學反應的雷諾平均、守恒型Navier-Stokes方程作為氣體湍流流動、燃燒控制方程:

式中U為守恒變量向量,F、G為對流項向量,Fv、Gv為粘性項向量,H為源項向量.其中:

其中ρ為密度,u、v為軸向和徑向速度分量,E、p為內能和壓力,Yi為i組分的質量分數,τij和qi為粘性應力分量和反應吸放熱量,Sd,h為化學反應作用源項,ωi為組分i的質量生成率.以SST(shear-stress transport) k-ω湍流模型、空間反應渦耗散概念燃燒模型封閉雷諾平均方程,對超聲速流和化學反應進行耦合計算.

1.3 化學反應動力學模型

本文參考Peters等[8]的甲烷14組分18反應模型和董剛等[9]的甲烷Y簡化機理模型,在考慮氮氧化物生成的條件下,構造而得甲烷18組分24反應簡化反應機理模型.如下表1所示.

此甲烷模型中R1-R2為鏈引發;R3-R8為鏈分支;R9-R12為鏈傳遞;R13-R19為鏈終止[9],其余為氮氧化物生成反應.利用Chemkin4.0中的一維對沖擴散火焰模型對甲烷18組分24步簡化反應機理與甲烷53組分325步詳細反應機理(主要取自GRIMECH2.11[10])進行對比、驗證.兩者的溫度分布和主要組分分布比較見圖2、圖3和圖4.

表1 甲烷燃燒化學反應動力學模型Table 1 Chemical reaction mechanism of methane combustion

圖2、圖3、圖4中橫坐標d代表從燃料噴口到氧化劑噴口的距離,圖3和圖4左邊的縱坐標代表O2和CH4的摩爾分數,右邊的縱坐標x代表H2、H2O、HO2、CH3、CO和CO2的摩爾分數.可以看出,兩者的溫度分布和主要組分分布基本上是一致的,說明本文構造的甲烷18組分24步簡化反應機理與53組分水嶺325步詳細反應機理較好吻合,能夠反映出各成分的變化規律.

1.4 邊界條件與進口空氣組分

為獲得超燃室入口條件,首先需對乙醇加熱燃燒器展開其研究.對于乙醇加熱器而言,其入口條件為:空氣質量流量為0.067 kg·s-1,氧氣的質量流量為0.016 kg·s-1,乙醇的質量流量為0.0077 kg·s-1,燃燒完成后,保證出口燃氣中氧氣的摩爾分數仍為21%,燃氣總溫為1644 K.采用Chemkin和Lawrence實驗室的68組分388步反應乙醇燃燒機理[11]對乙醇燃燒加熱器燃燒過程進行模擬,得到加熱器出口(超燃室入口)主要組分含量,出口燃氣中除了N2、O2外,含量較多的7種組分分別是H2O、CO2、O、OH、CO、H、H2.其中H2O和CO2含量占的比重非常大,摩爾分數分別在7%和10%左右;O、OH、CO含量在同一個數量級10-3;H、H2的含量在同一個數量級10-4.其余組分如C2H4、C2H2、CH4、CH3、CH2O、HO2等,摩爾分數數量級在10-6以下,這些組分不會對超聲速燃燒造成明顯影響,因此主要考慮7種組分即最終產物(H2O、CO2)、自由基(O、OH、H)和中間產物(CO、H2).

空氣入口采用壓力入口,總壓強732152.8 Pa,靜壓強42852.9 Pa,總溫度1644.15 K.燃料入口為壓力入口,以聲速噴入常溫(300 K)甲烷,其流量按燃燒當量比0.723給定,第一個凹槽前沿與支板尾緣燃料噴注比為6:1.出口為壓力出口,背壓為大氣環境壓力101325 Pa,總溫300 K,壁面為無滑移絕熱壁面.表2-4為分別改變H2O、CO2、O、OH、CO、H、H2的摩爾分數,與O2、H2O和N2(剩余含量計入N2組分中)構成不同進口氣流工況.其中每組工況中帶“#”號的為基準工況(電加熱空氣工況),帶“*”號的工況中的單個組分含量值為乙醇燃燒加熱污染空氣中該組分的含量.當七種組分中每種組分摩爾含量改變,而其余成分不變時(指O2和H2O),研究各組分對超燃性能的影響.

1.5 性能參數定義[1,12]

(1)燃燒效率

本文選擇基于總溫變化來計算燃燒效率.定義如下:

其中質量平均總溫Tt定義為

Tt=∫ρuTt,AdA/∫ρudA

絕對火焰溫度T0,ideal為

其中,T0為入口的質量平均總溫,ΔH0b為定壓標準燃燒熱;nj、Cp,m,j分別為燃燒產物中第j組元的摩爾數及摩爾定壓熱容,pr為生成物.

(2)燃燒室參考比推力

推力由壓差和動量差兩部分組成,定義如下:

比推力f定義為超燃室參考推力與燃氣質量流量之比,即 f=F/m.其中F為超燃室參考推力,m為燃氣質量流量.

(3)出口截面燃氣平均定壓比熱容和平均分子量:

其中,ni為第i個組分的摩爾分數,Cp,i為第i個組分的定壓比熱容.Mi為第i個組分的分子量.

2 計算結果分析

2.1 污染組分最終產物H2O的作用

污染組分最終產物H2O的工作狀況設置見表2,結果分析見圖5、圖6.隨著進口空氣中的水含量的增多,超燃室的燃燒效率、比推力均明顯下降.

從化學反應動力學模型可以看出:H2O在鏈引發階段通過反應CH3+H2O→CH4+OH發揮重要作用;在鏈分支階段,H2O在反應HCO+H2O→CH2O+OH中也非常關鍵;在這兩個反應中,H2O的增加促進了自由基生成,對燃燒著火過程起到了一定促進作用,但作用有限;在一定的條件下,H2O作為第三體在反應H+O2+M→HO2+M和H+H+M→H2+M中碰撞頻率因子較高,造成自由基復合,因此對燃燒起負面作用.另外,由圖7可見,當水含量增加,平均比熱容會增加,各截面的質量平均溫度下降,也是導致燃燒效率下降的一個重要原因.當燃燒效率下降,會使燃氣做功能力下降,從而使燃燒室比推力下降.

表2 含H2O污染空氣組分Table 2 Vitiation cases containing H2O

表3 含CO2污染空氣組分Table 3 Vitiation cases containing CO2

根據熱力學分析,由圖7可見,平均分子量隨H2O含量的增加而減小,一定溫度條件下,燃氣平均分子量減小應該促使燃氣做功能力增強,也就是說從熱力學角度分析進口空氣中H2O含量增加會使比推力增大.但由于分子量的增加有限,該影響較小.

綜合化學動力學和熱力學分析,定性地說明H2O對甲烷超燃過程的影響在化學能轉化為熱能階段起的消極作用強于在熱能轉化為動能階段起的積極作用,從而降低了甲烷超燃性能.

2.2 污染組分最終組分CO2的作用

污染組分最終產物CO2的工況設置見表3,結果分析見圖8、圖9.從圖8、圖9、圖10可以看出,燃燒效率未隨CO2含量增加而明顯變化,而比推力明顯下降了,同時燃氣平均分子量增大了.從化學反應動力學角度看,CO2屬于比較惰性的最終產物,它對燃燒過程的影響是有限的.污染物CO2因其大分子量特性使燃氣平均分子量增大,從而使燃氣做功能力下降,這是CO2對超燃室燃燒性能起消極作用的主要原因.

2.3 污染組分自由基H、O、OH的作用

污染組分自由基H、O、OH的工況設置如表4,結果分析如圖11,隨著進口空氣中的自由基H、O和OH含量的增多,超燃室的燃燒效率均上升.

從化學反應動力學角度,根據本文化學反應動力學模型,說明自由基O主要是通過鏈分支反應CH3+O?CH2O+H和鏈傳遞反應O+H2O?OH+OH來促進燃燒,從而提升超燃室性能;自由基OH是非常活躍的組分,它主要通過促進鏈引發反應CH4+ OH?CH3+H2O和鏈分支反應CH2O+OH?HCO+H2O、CO+OH?CO2+H來促進燃料燃燒過程,從而使燃燒效率、比推力上升;自由基H主要通過鏈終止反應H+OH+M?H2O+M和CH3+H+M?CH4+M發生作用,它與甲烷燃燒過程形成了競爭,抑制了甲烷的燃燒,但由于自由基H本身作為相當活躍的燃料燃燒而使超燃室性能提升.

自由基O、OH、H促進超聲速燃燒的能力是不一樣的.O的摩爾分數從0到0.00726,使燃燒效率提升5.9%;OH的摩爾分數從0到0.01224,使燃燒效率提升5.6%;H的摩爾分數從0到0.0004,使燃燒效率提升6.1%.于是可以定性地看出,這三種自由基對甲烷超聲速燃燒效率提升能力強弱應該依次為H、O、OH.

從熱力學角度分析,由于進口污染空氣中自由基O、OH、H含量非常少,數量級在10-3左右.因此自由基O、OH、H含量引起燃氣的平均定壓比熱容和平均分子量的改變對超燃室做功性能的影響是非常有限的,自由基主要通過促進化學反應動力學過程來提升超燃室的性能.

2.4 污染組分中間產物CO和H2的作用

污染組分中間產物CO和H2的工況設置如表4,結果分析如圖12,隨著進口空氣中的中間產物CO和H2含量的增多,超燃室的燃燒效率、比推力均明顯上升了.

因為CO本身是性質比較活躍的燃料,通過OH+CO?H+CO2作為額外添加的燃料提升了甲烷超燃性能;H2對超聲速燃燒的作用與H、CO對超聲速燃燒的作用是類似的.H2的加入會抑制甲烷的消耗,但H2本身通過O+H2?H+OH和OH+H2?H+ H2O,作為添加燃料使超燃室的性能得到提升.

3 結論

根據乙醇燃燒加熱器燃燒化學反應得到的主要七種組分,采用甲烷18組分24步反應簡化機理,得到污染空氣中最終組分H2O、CO2,自由基H、O、OH和中間產物CO、H2對甲烷超聲速燃燒性能的主要影響如下:

(1)進口空氣中污染組分H2O含量增多使燃燒效率、比推力均下降.H2O的增加造成平均比熱容增加,總溫度降低,并作為第三體抑制甲烷的燃燒過程,使超燃室的性能下降.

(2)進口空氣中污染組分CO2含量增多對燃燒效率沒有明顯影響,但使超燃室參考比推力下降.CO2主要因為其大分子量特性使燃氣平均分子量增大,從而降低超燃室做功能力,對甲烷超燃性能起消極作用.

(3)進口空氣中自由基O、OH、H含量增多均使超燃室燃燒效率上升.自由基O、OH主要通過化學反應動力學過程,加快燃燒過程,促進甲烷和煤油消耗而提高燃燒效率,從而提升超燃室性能.自由基H作為額外添加的活躍燃料對甲烷超燃性能起積極作用.

(4)進口空氣中污染組分CO和H2均對甲烷超燃性能起積極作用.它們的作用原理與自由基H的作用類似.

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Effects of Species in Vitiation Air on Methane-Fueled Supersonic Combustion

HOU Ling-Yun1,*YANG Jin1MA Xue-Song2LIU Wei2
(1School of Aerospace,Tsinghua University,Beijing 100084,P.R.China;2Beijing Power Machinery Research Institute,Beijing 100074,P.R.China)

Based on a detailed chemical reaction mechanism,a reduced reaction mechanism with 18 species and 24 steps was used to simulate the supersonic combustion of methane.Heated air calculations showed that seven main vitiated species,i.e.,H2O,CO2,O,OH,CO,H,and H2,were present in ethanolfueled heated air.We analyzed the effects of these species on methane-fueled supersonic combustion using chemical kinetics and thermodynamics.H2O inhibits the combustion process,decreases the combustion efficiency,and decreases the specific thrust.The relatively large molecular weight of CO2contributes to an increase in the mean molecular weight of the fuel gas,which is a negative factor in the mechanism of specific thrust.Free radicals O,OH,H can effectively promote the combustion process and thus increase the combustion efficiency.Intermediate products CO and H2increase the combustion efficiency,and this is a function of the additional fuel.

Supersonic combustion;Chemical reaction mechanism;Vitiation air;Species

O643

Received:May 10,2010;Revised:August 13,2010;Published on Web:October 26,2010.

*Corresponding author.Email:lyhou@tsinghua.edu.cn;Tel:+86-10-62772157.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(50306011).

國家自然科學基金(50306011)資助項目

?Editorial office ofActa Physico?Chimica Sinica