高濕氫氧噴注器數值分析與正交設計

胡友瑞，劉 彥，汪 洋，劉建忠，周俊虎，胡 巍，李洪偉

（1.浙江大學 能源清潔利用國家重點實驗室，浙江 杭州310027；2.浙江大學 工業技術研究院，浙江 杭州310027；3.中國船舶重工集團公司第七〇五研究所，陜西 西安710075）

蒸汽動力是應用廣泛的成熟動力源，鍋爐是主要的蒸汽生產設備，存在設備復雜、啟動時間較長、蒸汽參數不易調節等缺點，限制了其在中小型動力系統中的應用.氫氧反應是產物為水的快速強放熱反應，將化學當量比的氫氣、氧氣在燃燒室內燃燒生產高溫過熱蒸汽，再通過噴水或低溫蒸汽調節出口工質參數的氫氧蒸汽發生器技術［1-3］，是實現以氫氣為燃料的蒸汽循環［4-5］和燃氣-蒸汽聯合循環［6-9］的關鍵，具有功率密度大、啟動迅速、結構緊湊、調節方便等優點，在國防和民用中小型動力推進領域有著良好的應用前景.

與常規氣體燃料不同，氫氧燃燒具有火焰溫度高、火焰傳播速度快、點火延遲時間短的特性［10］，為了改善氫氧燃燒性能，可采用稀釋燃燒的方式，將氫氣與從蒸汽發生器后部或后續透平內抽取的水蒸氣混合，行成熱值較低的氫氣-蒸汽混合物，以此作為燃料代替純氫氣，這種含水蒸氣質量分數90%以上的低熱值氫氣蒸汽混合物稱為高濕氫氣，以高濕氫氣和純氧為燃料和氧化劑的燃燒方式稱為高濕氫氧燃燒.

高濕氫氧燃燒的技術難點是燃燒組織.燃燒長度過大會增大燃燒室長度，而應用設備往往對燃燒室尺寸有嚴格要求；燃燒長度過短會增大燃燒室頭部熱負荷，不利于燃燒設備安全運行.燃燒室內工質調節也需要了解高濕氫氧燃燒特性以選擇調節位置.對于燃料和氧化劑均為氣態的非預混燃燒，基于剪切式摻混的研究和應用最為廣泛.同軸剪切噴嘴既是應用廣泛的氣氣燃燒式噴嘴，也是多種氣氣燃燒噴嘴的改進基礎.對同軸剪切式噴注器進行研究能夠加深對氫氧蒸汽發生器燃燒室內燃燒過程的認識，有著重要的理論研究和工程應用價值.

以實驗為主的設計方法成本高、周期長.近幾十年來，計算流體力學飛速發展，數值模擬越來越多用于噴嘴和燃燒器設計［11-13］，特別是在航空發動機領域，以常溫氫氣／氧氣、富氫／富氧為推進劑的氣氣燃燒得到了大量數值模擬研究［14］.

高濕氫氧燃燒是一種新型燃燒技術.與航空發動機單噴嘴模型燃燒室相比，高濕氫氧燃燒以高濕氫氣為燃料、純氧為氧化劑，燃料稀釋度高，射流受限程度較低.純氫氧燃燒、富氫／富氧燃燒的規律不能直接應用于高濕氫氧燃燒，有必要開展高濕氫氧噴注器的設計研究工作.影響高濕氫氧燃燒影響參數多、取值范圍廣，且對全參數全范圍的全面研究成本高、周期長，而正交實驗能夠在較少的實驗次數下獲得良好的結果［15］，本文采用正交實驗的方法對高濕氫氧燃燒組織方法進行模擬研究.

1 數值模擬和分析方法

1.1 物理模型

氫氧蒸汽發生器工作原理示意圖如圖1所示.氫氣與蒸汽發生器末端抽取的較低溫度的水蒸氣混合成高濕氫氣，與純氧氣在燃燒室內摻混燃燒產生高溫蒸汽，高溫蒸汽在混合室與噴水混合，在混合室末端輸出目標參數的水蒸氣推動后續透平機械做功.本文研究燃燒室內摻混燃燒流動情況.

圖1 氫氧蒸汽發生器原理示意圖Fig.1 Generalized schematic of oxy-hydrogen steam generator

氫氧蒸汽發生器頭部采用同軸剪切噴注形式，中心氧噴注速度v、氫氧速度比r 和氧噴嘴端面厚度d 對燃燒室內流動和燃燒穩定性影響很大，是需要研究的重要設計參數.當研究單個參數變化對燃燒的影響規律時，通過改變噴注器結構尺寸調整參數以保證其他設計參數不變.

1.2 數值模擬方法

本文使用數值模擬軟件Fluent 6.3，采用雷諾時 均 求 解N-S 方 程（Reynolds average Navier-Stokes，RANS）的方法對二維軸對稱氫氧蒸汽發生器燃燒室流場進行數值模擬.湍流模型采用標準k-ε模型，燃燒模型采用渦耗散概念（Eddy-dissipation concept，EDC）模型，該模型能夠在模擬湍流-化學反應相互作用的同時考慮詳細的化學反應機理，模擬精度可以達到工程要求［16-18］.用于模擬氫氧燃燒反應的機理較多，本文選用一種應用較多的氫氧反應 機理［19，20］，該 機 理 包 括6 種 組 分 和9 步 基 元 反應，如表1所示.

表1 氫氧反應機理Tab.1 H2／O2reaction mechanism

由于沒有成型的氫氧蒸汽發生器可參考，本研究參考了火箭發動機、燃氣發生器等設備.燃燒室長200mm，直徑為34mm，燃燒室壓力為7MPa，燃燒器以高濕氫氣為燃料，以氧氣為氧化劑，進入燃燒室的氫氧量為化學當量比，以保證完全燃燒產物為純蒸汽.

燃燒室結構和邊界條件如圖2所示.高濕氫氣和氧氣入口采用質量入口邊界條件，溫度為1 000K，流量為48.00g／s，其中氫氣質量分數為5.263%，其余為水蒸氣（即氫氣和水蒸氣的摩爾比為1∶2）.氧氣入口采用質量入口邊界條件，氧氣溫度520K，流量20.21g／s.燃燒室出口設置為壓力出口邊界條件，出口壓力為7MPa，壁面采用無滑移絕熱壁面邊界條件.由于模擬對象是對稱結構，采用二維模擬以減少計算量，網格數目通過網格獨立性驗證確定在40 000左右.

圖2 燃燒室模擬區域和邊界條件Fig.2 Simulation domain and boundary conditions of combustion chamber

1.3 評價指標

從燃燒性能和壁面熱負荷兩方面評價高濕氫氧的燃燒性能.

對于氫氧燃燒蒸汽發生器，采用燃燒室截面氫氣和氧氣組分流量與進入燃燒室的氫氣、氧氣總流量的比值表示該截面氫氧剩余比例.該比例反映了到該截面處氫氧燃燒完成程度，沿軸向分布揭示了燃燒室燃燒性能.本文選擇氧氣作為燃燒性能評價組分，在軸向距離x 處的截面的氧氣剩余比例η（x）可表示為

式中：w（O2）為氧氣質量分數，ρ（x）為x 處氧氣密度，v（x）為x 處速度矢量，dA 為單元面積矢量，Qm為氧氣入口質量流量.本文使用燃燒長度LC評價燃燒性能，燃燒長度定義為氧氣剩余質量分數為5%時截面距氧噴嘴出口端面的距離.較高的熱負荷不利于燃燒室熱防護，會縮短燃燒室壽命.本文使用燃燒室壁面平均溫度Tb評價燃燒室壁面熱負荷.

燃燒室設計要求盡量提高燃燒性能，降低燃燒室壁面熱負荷.

2 正交實驗設計

研究氧氣噴注速度v、高濕氫氧速度比r、氧噴嘴端面厚度d 及其之間的交互作用對高濕氫氧燃燒的影響規律，設計參數取值水平如表2所示.

表2 噴注器設計參數Tab.2 Injector design parameters

考慮到設計參數的交互作用可能對評價指標產生影響，本文采用L27（313）正交表對噴嘴設計參數及其交互作用進行正交實驗設計.通過數值模擬結果，分析單因素和各因素的交互作用對燃燒室評價指標的影響.正交實驗表頭設計如表3所示，因素水平安排和數值模擬結果如表4所示.

表3 正交實驗表頭設計Tab.3 Form design of orthogonal optimization

表4 正交實驗數值模擬結果Tab.4 Numerical simulation results of orthogonal optimization

根據正交實驗設計方案進行數值模擬，從模擬結果中提取相應的指標參數，獲得各個設計參數對評價指標參數的極差和方差.通過方差的F 值檢驗噴注器設計參數對各評價指標的影響顯著程度.

3 結果分析

3.1 流場分析

如圖3所示所燃燒室內溫度分布圖和氫氣、氧氣、水蒸氣的質量分數分布云圖，對應表4中的工況1數值模擬結果，圖中L 為軸向長度.從圖3（a）可以看出，燃燒室流場存在一個明顯的大回流區.回流區前側和外側分別與噴注面板和燃燒室壁面接觸.回流區內側前部與高濕氫氣射流接觸，卷吸溫度較低的高濕氫氣進入回流區，使回流區為富氫區域.回流區內側中后部與高溫燃燒區接觸，卷吸高溫燃氣.卷吸的高溫燃氣依次流過燃燒室壁面和噴注面板，并逐漸與回流區前部卷吸的高濕氫氣混合，在流動和混合過程中回流的燃氣溫度逐漸降低，但仍遠高于高濕氫氣的入口溫度，從而在回流區內側前部與高濕氫氣流接觸時，起到加熱高濕氫氣的作用，對高濕氫氣預熱快速點火有重要作用.回流區分析結果表明：噴注面板的熱負荷來自燃燒室壁面附近的回流燃氣，因此噴注面板的熱負荷規律與燃燒室壁面熱負荷規律相同.因此，本文沒有將其單獨列為燃燒室熱負荷評價參數.

圖3 工況1模擬結果的溫度和組分分布圖Fig.3 Temperature and component profiles of simulation of working condition 1

高濕氫氣流進入燃燒室后向燃燒室壁面擴展.受到回流區的限制，高濕氫氣流與內側低速氧氣流剪切摻混.隨著剪切過程動量交換，高濕氫氣射流和氧氣射流速度逐漸趨于一致并最終匯聚在一起，擴展到整個燃燒室，如圖3（a）所示.高濕氫氣流和氧氣流剪切層之間形成一層高溫火焰，結合圖3各組分分布圖可以看出，剪切層火焰面將氫氣和氧氣分隔開來；氧氣被限制在軸線附近區域，沿軸線逐漸降低；氫氣則分布在剪切層火焰外側，沿高濕氫氣射流、回流區向下游逐漸降低.隨著摻混燃燒和流動的發展，氫氧射流區域內水蒸氣含量不斷增大，成分和速度趨于一致，氫氧射流匯聚聯合在一起并充滿燃燒室后部，形成以高溫水蒸氣為主的燃盡區.如圖3（d）所示，由于模擬采用絕熱邊界條件，溫度升高僅取決于燃燒的熱量釋放和流動摻混.隨著燃燒接近完全，火焰下游燃燒產物溫度趨于平穩.

3.2 燃燒長度影響因素分析

本文分析氧噴注速度v、速度比r、噴嘴出口端面厚度d 及其之間交互作用的影響，將更高階的交互作用視為誤差處理.通過方差分析，對各個考察因素進行F 值檢驗，將表3 的空白列作為誤差源，則誤差e的自由度為8.對自由度為2的因素，若F 值大于F0.01（2，8），則視該因素為顯著影響因素，否則為不顯著因素；對自由度為4 的因素，若F 值大于F0.01（4，8）則視為顯著影響因素，否則為不顯著因素.F 值越大表明影響越顯著.

如表5 所示為設計參數對燃燒長度的方差分析，其中S表示方差，f表示自由度.從表中可以看出，對燃燒長度影響的大小依次是：速度比＞氧噴注速度＞速度比和氧噴注速度的交互作用.

表5 燃燒長度的方差分析Tab.5 Variance analysis of combustion length

如圖4所示是設計參數對燃燒長度影響的趨勢圖.可以看出，增大氧噴注速度和速度比都有利于縮短燃燒長度，而氧噴嘴端面厚度對燃燒長度的影響很小.同軸剪切噴嘴通過高濕氫氣流和氧氣流的剪切進行摻混，速度比越大剪切作用越強.大速度比有利于高濕氫氣和氧氣的摻混燃燒，從而縮短燃燒長度.在保持流量不變的情況下，通過改變噴注器結構尺寸達到改變氧噴注速度、速度比和氧噴嘴厚度的目的.氧噴注速度增大意味著氧噴嘴直徑變小，軸心處氧氣擴散到燃燒面的距離減小.同時，高速下湍流強度增大，增大氧噴注速度有利于摻混燃燒.

如圖5所示為氧噴注速度和速度比的交互作用對燃燒長度的影響.可以看出，氧噴注速度和速度比存在著明顯的交互作用，在高速度比的情況下，增大氧噴注速度對燃燒長度的影響程度小于低速度比時的影響.從縮短燃燒長度角度考慮，應選擇較高的氧氣噴注速度和高速度比，而氧噴嘴端面厚度對燃燒長度影響很小，可根據需要選擇.在本研究的參數范圍內，使燃燒長度最小的參數組合是r＝7、v＝40m／s.

圖4 設計參數對燃燒長度的影響Fig.4 Influence of design parameters on combustion length

圖5 氧噴注速度與速度比交互作用對燃燒長度的影響Fig.5 Influence of interaction of oxygen velocity and velocity ratio on combustion length

3.3 燃燒室壁面熱負荷影響因素分析

以燃燒室壁面平均溫度作為燃燒室壁面熱負荷的評價參數.如表6所示為設計參數對燃燒室壁面平均溫度的方差分析.從表中可以看出，對燃燒室壁面平均溫度的影響大小依次是：速度比＞氧噴注速度＞速度比與氧噴注速度的交互作用，其他因素的影響則不顯著.

表6 燃燒室壁面平均溫度的方差分析Tab.6 Variance analysis of average temperature on combustion chamber wall

如圖6所示為設計參數對燃燒室壁面平均溫度影響的趨勢圖.從圖中可以看出，氧噴注速度和速度比增大都導致燃燒室壁面溫度升高，而氧噴嘴端面厚度對燃燒室壁面溫度的影響很小.如前文所述，增大氧噴注速度和速度比會強化摻混燃燒，使火焰位置提前，熱負荷更加集中.這使回流區內側提前接觸高溫火焰區域，從而卷吸更多高溫氣體，使得回流區附近的燃燒室壁面溫度增大，從而燃燒室壁面平均溫度增大.

圖6 設計參數對燃燒室壁面平均溫度的影響Fig.6 Influence of design parameters on average temperature of combustion chamber

圖7 氧噴注速度與高濕氫氧速度比交互作用對燃燒室壁面平均溫度的影響Fig.7 Influence of interaction of oxygen velocity and velocity radio on average temperature of combustion chamber

如圖7所示為氧噴注速度和速度比的交互作用對燃燒室壁面溫度的影響.從圖中可以看出，氧噴注速度和速度比存在著明顯的交互作用，在高速度比下，燃燒室壁面平均溫度隨氧噴注速度的變化而變化的幅度更大.燃燒室壁面平均溫度高意味著燃燒室壁面熱負荷大.從熱防護角度看，較低的燃燒室壁面溫度有利于延長燃燒設備壽命，提高其安全性能；減小速度比和氧噴注速度有利于熱防護.在本研究參數范圍內，使壁面熱負荷最小的參數組合是r＝3、v＝20m／s.

4 結 語

燃燒室頭部附近存在較高溫度的回流區，起到預熱高濕氫氣流促進點火燃燒的作用，并影響燃燒室壁面熱負荷.高濕氫氣流與氧氣流間存在剪切燃燒層將氫氧分隔開來，增大速度比和湍流強度有助于強化燃燒并縮短燃燒長度.

高濕氫氧速度比和氧噴注速度對同軸剪切式高濕氫氧燃燒器的燃燒性能、燃燒室壁面熱負荷的影響顯著，而氧噴嘴端面厚度產生的影響不明顯.增大速度比和氧噴注速度會減小燃燒長度，提高燃燒性能，但同時會提高燃燒室壁面平均溫度，增大燃燒室壁面熱負荷.高濕氫氧速度比和氧噴注速度對燃燒室燃燒性能和熱負荷的影響表現出明顯的交互作用.隨著氧噴注速度的增大，增大速度比帶來的燃燒長度減小幅度和壁面熱負荷增大幅度均降低.其他交互作用的影響都不明顯.

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