增程器微燃燒室氫－空氣燃燒特性研究

翟國凡，董志強，連晉毅，郭銳

增程器微燃燒室氫－空氣燃燒特性研究

翟國凡，董志強*，連晉毅，郭銳

（太原科技大學 機械工程學院，山西 太原 030024）

某新型燃氫微型燃氣輪機作為電動汽車增程器，綜合了其高效率低排放的特點，燃燒室作為核心部件之一，其性能直接影響整個系統的效能。針對系統要求的燃燒室結構，通過SolidWords對燃燒室結構建模，并以Fluent進行仿真。為使燃燒室達到最佳性能，比較了不同氫/空氣當量比下的燃燒火焰和NO分布情況，著重研究了燃燒溫度對于NO形成的影響以及燃燒效率和出口處NO排放特性之間的關系，結果表明：在當量比為0.4～0.6時，燃燒效率可達到98.71%～99.04%，出口處NO質量濃度保持在5.36 ppm～20.22 ppm。所得結果對于該燃燒室的進一步設計以及其他微型燃氣輪機燃燒室的設計都具有指導意義。

微型燃氣輪機；燃燒室；當量比；燃燒溫度；燃燒效率；NO排放

前言

目前使氫氣轉換為汽車動能主要有兩種方式：一是氫氣用作燃料燃燒做功，二是氫氣用于燃料電池。但燃料電池系統通常要求99.99%～99.999%的高純度氫；而用氫氣作為內燃機燃料，既對氫氣純度要求不高，且氫氣發動機熱效率較高，綜合效率與燃料電池效率相當，生產及使用成本低，在使用性能、成本等方面更具優勢，在與空氣為氧化劑做燃燒反應時，其尾氣中的NO是燃燒系統的主要污染物來源[1]。

微型燃氣輪機綜合熱效率在80%以上，作為電動汽車增程器，其功率設定在100 kW，基本技術特征是采用空氣軸承連接的向心透平和離心壓氣機以及三個具有一定彎曲角度的燃燒室結構。燃燒室作為其中重要一環，近年來學者們對于燃燒室構型設計與氫－空氣的燃燒特性做了許多研究[2-8]。

Dmitry Pashchenko[9]研究了所建立的數值模型在二維軸、二維平面和三維不同幾何類型下的氫氣/空氣燃燒特性；Ekenechukwu C.Okafor等[10]通過對燃燒器設計及燃燒技術的研究，以實現氨燃燒室的低NOx排放；王慶五等[11]提出了微型燃燒室設計方法，主要確定3個方面的數據：長度、內外筒直徑和內外筒上孔的分布；Chen Hai等[12]研究了改進的帶前腔的平面微燃燒室和原燃燒室在不同進氣速度和等效比下預混氫氣/空氣火焰的燃燒性能，討論了前空腔高度和長度對外壁溫度和效率的影響；袁有志等[13]對微型環形燃燒室內部流場進行模擬，并與一成熟應用的微型燃燒室比較進而優化設計方案。

為使燃燒室在最佳工況下穩定運行，本文在確定燃燒室基本簡化模型的基礎上，主要研究了燃燒溫度對NO形成的影響以及不同氫/空氣當量比對于燃燒效率和主要污染物NO排放的影響。

1 燃燒室模型及參數設置

1.1 燃燒室物理模型

為了適應增程器的整體結構要求，參考了環管式燃燒室的單個火焰筒結構，并對其進行了修改，如圖1所示。

圖1 燃燒室物理模型

從距離火焰筒進口40 mm和出口50 mm處的中間部位進行彎曲，彎曲角度設置為60°。其中氫氣與沿氫氣入口一周布置的四個流經旋流器空氣入口中的空氣進行混合燃燒；另一部分空氣通過一次空氣射流孔與未燃燒的氫氣進行混合燃燒，剩余空氣從二次空氣摻混射流孔流入與燃氣混合使得燃氣溫度分布更均勻。

1.2 Fluent仿真模型

流動模型選擇標準k-ε雙方程模型；燃燒模型選擇非預混燃燒中絕熱穩態火焰擴散模型（Steady Diffusion Flamelet），并在該模型中導入GRI-Mech3.0反應機理文件，該機理包含的氫氧反應子模型可以很好地預測氫氣和空氣的燃燒過程[14-16]；NOx模型選擇熱力型。因此，其控制連續性方程如下：

該方程是質量守恒方程的一般形式，使用于可壓縮流動和不可壓縮流動。

動量守恒方程如下：

式中：為靜壓；τ為應力張量；g和F分別為方向上的重力體積力和外部體積力；F包含了其他模型的相關源項。

能量守恒方程如下：

物種運輸方程如下：

式中：Sc表示湍流施密特數，μ表示湍流黏度，D表示湍流擴撒系數。

標準k-ε模型如下：

式中：G表示由于平均速度梯度而產生的湍流動能，G表示由于浮力產生的湍流動能，Y表示可壓縮湍流中脈動膨脹對總耗散率的貢獻，1ε，2ε，3ε表示常量，?和?是k和的湍流普朗特數。

燃燒模型控制方程如下：

在絕熱系統中密度加權平均物種質量分數和溫度可以計算為：

其中：

這里：

熱力型NOx的形成是由一系列高度依賴溫度的化學反應形成的，支配分子氮形成熱力型NOx的主要反應是：

1.3 數值模擬參數設置

表1 邊界條件參數表

當量比氫氣入口量/(kg·s-1)空氣入口總流量/ (kg·s-1) φ=0.41.0×10?58.63×10?4 φ=0.61.0×10?55.75×10?4 φ=0.81.0×10?54.31×10?4 φ=1.01.0×10?53.45×10?4 φ=1.21.0×10?52.88×10?4 φ=1.41.0×10?52.47×10?4 當量比一次射流孔總流量/(kg·s-1)二次摻混孔總流量/(kg·s-1) φ=0.49.0×10?56.0×10?5 φ=0.69.0×10?56.0×10?5 φ=0.89.0×10?56.0×10?5 φ=1.09.0×10?56.0×10?5 φ=1.29.0×10?56.0×10?5 φ=1.49.0×10?56.0×10?5

模型所需的基本參數設置包含在表1中，表中主要內容不同當量比下的入口邊界條件，其中氫氣入口溫度為300 K、入口壓力位101 kPa，空氣入口溫度為456 K、入口壓力為303 kPa，一次射流孔與二次摻混孔流量保持不變且溫度和壓力設置為456 K和303 kPa。

1.4 網格構建

確定好燃燒室物理模型后，導入ansys-mesh模塊中劃分網格，并對劃分好的網格進行邊界條件定義，結果如圖2所示，其中網格數為488 882個，節點數為98 284個。接下來就可以將劃分完成的網格導入fluent進行仿真。

圖2 模型網格劃分與邊界定義

1.5 網格可靠性分析

在進行Fluent仿真時，網格數量和質量對計算效率和仿真結果準確性和精度有著至關重要的影響，因此進行模型網格數量和質量的檢驗對后續燃燒仿真與結果處理顯得尤為重要[17-18]。具體方法為：在相同的參數設置及邊界條件的前提下，選取燃燒腔內最高燃燒溫度作為參考值，通過增加網格數量，通過仿真直到最高溫度無明顯變化。效果如圖3所示。

圖3 網格可靠性驗證

從圖3可以看出，在網格數量為468 214個以后，最高溫度變化趨于平穩，網格數量對于仿真結果幾乎無影響。因此為了提高計算效率，本文選取網格數為488 882個。

2 結果與分析

2.1 不同當量比下的火焰分布和NO分布情況

圖4為不同當量比下燃燒腔中心平面的溫度云圖和NO質量分數云圖，從圖4可以看出，隨著當量比的增加，火焰筒內中心火焰的位置依次后移，當量比>1.0后，隨著火焰筒內空氣的急劇減少，氫氣在火焰筒內愈加不能徹底燃燒，火焰中心超出燃燒腔出口位置；NO的分布在高溫燃氣區濃度最高，隨著燃氣溫度降低NO濃度也相應降低。

2.2 溫度對NO形成的影響

為定量研究溫度對于NO形成的影響，選取當量比φ=0.4的仿真結果進行分析，圖5為當量比φ=0.4時火焰筒中心平面上均勻分布的100個點對應的溫度與NO質量分數散點圖，從圖5可以看出NO質量分數隨著火焰筒內燃氣溫度的升高而升高，并由式（12）熱力型NO和溫度關系可知，熱力型NO主要在1 800 K以上溫度產生，且NO的生成反應慢于燃燒反應，當溫度超過2 200 K，每升高90 K，熱力型NO熱產量就會成倍增長。

2.3 不同當量比出口NO濃度與燃燒效率的綜合分析

燃燒效率是衡量燃燒室性能的重要指標。氫氣作為唯一燃料，故可由式（13）定義燃燒效率[19-20]：

式中：C和C分別表示氫氣入口和出口處的氫氣質量分數。

圖6為不同當量下出口NO濃度和燃燒效率曲線，從圖中可以看出，出口處NO濃度隨當量比的增加而呈現上升趨勢，并且在φ=1.0以后，出口處NO濃度快速增長，這是因為隨當量比增加，燃燒腔內的空氣含量明顯降低，導致氫氣和空氣的混合距離變長，使得出口溫度急劇升高。

圖6 不同當量下出口NO濃度和燃燒效率曲線

此外，燃燒效率隨當量比的增加而降低，這是因為在當量比較低時，空氣含量更高，氫氣和空氣的混合性能更好，因此反應更加充分。

3 結論

（1）此新構型火焰筒在當量比為0.4～0.6之間時的燃燒效率可達99%左右，并且主燃區的中心火焰位置位于一次射流孔和二次空氣射流孔之間，火焰更短，燃燒室的燃燒特性好。

（2）熱力型NO高度依賴溫度，在當量比為0.4～0.6之間時，該構型燃燒室出口溫度低于NO主要產生溫度，出口截面NO含量最低，對于主要污染物的抑制效果更好。

（3）對于該燃燒室在結構及燃燒技術的后續研究以及該燃氫微型燃氣輪機（增程器）的整體設計與研究提供了重要的理論依據。

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Study of Hydrogen-air Combustion Characteristics of Range Extender Microcombustion Chamber

ZHAI Guofan, DONG Zhiqiang*, LIAN Jinyi, GUO Rui

( Taiyuan University of Science and Technology, School of Mechanical Engineering, Shanxi Taiyuan 030024 )

As a range extender for electric vehicles, a new type of hydrogen-fired micro gas turbine combines its characteristics of high efficiency and low emissions. As one of the core components, the performance of the combustion chamber directly affects the efficiency of the entire system. According to the combustion chamber structure required by the system, the combustion chamber structure is modeled by SolidWords and simulated by Fluent. In order to achieve the best performance of the combustion chamber, the combustion flame and NO distribution under different hydrogen/air equivalence ratios were compared, and the influence of combustion temperature on the formation of NO and the relationship between combustion efficiency and NO emission characteristics at the outlet were studied. The results show that when the equivalent ratio is 0.4 to 0.6, the combustion efficiency can reach 98.71% to 99.04%, and the mass concentration of NO at the outlet is maintained at 5.36 ppm to 20.22 ppm. The results obtained have guiding significance for the further design of the combustor and the design of other micro gas turbine combustor.

Micro gas turbine combines; Combustion chamber; Equivalent ratio; Combustion temperature; Combustion efficiency; NO emissions

A

1671-7988(2021)22-44-05

U464

A

1671-7988(2021)22-44-05

CLC NO.: U464

翟國凡（1994—），男，碩士研究生，就讀于太原科技大學機械工程學院，主要研究方向：新能源車輛設計理論與方法。

董志強（1976—），男，副研究員，碩士研究生導師，就職于太原科技大學，主要研究方向：熱流體計算與流體裝備制造、儲能材料的納米復合化與裝備。

山西省科技平臺計劃項目（201805D121005）；山西省“1331工程”重點學科建設計劃項目。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.011