航空煤油HiTAC燃烧特性的数值分析

刘喜岳，齐东东，吴环云，王力军

(沈阳航空航天大学航空航天工程学部，沈阳 110136)

高温空气燃烧 (High Temperature Air Combustion)简称HiTAC，又称为无焰燃烧，MILD燃烧。是采用高温助燃空气(Tair＞1 000℃)稳燃和低氧浓度(平均氧浓度3% ～15%)均匀燃烧的新燃烧技术。

日本的FDI烧嘴，德国的FLOX烧嘴，意大利的Dilute Flame燃烧技术等，都采用高温、高速空气射流，使助燃空气与燃烧射流混合前，卷吸大量高温烟气，降低空气射流中氧气浓度，使传统燃烧过程中的火焰锋面燃烧变为空间体积燃烧。即将燃烧过程扩展到更大的燃烧室空间，使局部燃烧趋向均匀化，避免局部高温区的出现，降低氮氧化物的生成。

Ryugo Fuse，Hideaki Kobayashi等人［1］研究了甲烷高温空气燃烧的氮氧化物生成规律，试验和数值模拟结果都揭示了助燃空气中的低氧气浓度和均匀的燃烧温度场能大量减少氮氧化物的生成量。栗原孝好，仲町一郎等人［2］对FDI(Fuel Direct Injection)蓄热式燃烧器进行了研究，当空气与燃气平行直接喷射，且空气速度大于60 m/s时，可卷吸大量炉内烟气，使NOx排放降低到100 mg/m3以下。Nobuo Shimo等人［3］对煤油高温空气燃烧过程低氮氧化物排放特性的研究指出，降低助燃空气中的含氧量是降低氮氧化物排放的重要因素。Jianwei Yuan 和 Ichiro Naruse［4］应用 Fluent软件，CFD数值模拟了蓄热式炉膛采用不同稀释气体降低氧浓度对高温空气燃烧的影响。指出惰性气体的稀释使得火焰温度降低，炉内温度分布均匀，氮氧化物的生成减少。

Weber等［5］运用实验方法分别对天然气、轻油、重油和煤粉进行了HiTAC燃烧状态的研究并得出了以下结论:尽管助燃空气温度超过1 270℃，重油在炉内的最高温度不超过1 550℃。燃烧区的温度梯度远比传统燃烧方式低，并且得到一个比较均匀的火焰温度场，温度在1 300℃ ～1 500℃。NOx排放含量在100～200 mg/m3。

朱尚龙［6］采用燃料/空气平行直接喷射技术(FDI)使燃油直接喷入燃烧室回流区，控制高温空气和燃料的混合速度，最大程度地利用回流区的低氧气氛，实现均匀燃烧。

在相关试验研究基础上，本文的研究对航空发动机燃烧室采用HiTAC新燃烧技术具有一定指导意义。

1 物理模型及计算条件

1.1 模型燃烧室结构

仿IFRF试验用HiTAC模型燃烧室［5］，燃烧室尺寸为:2 m×2 m×6.25 m。左侧中央为空气喷嘴，直径为124 mm。距空气喷嘴280 mm处各设一航空煤油油喷嘴。右侧为燃烧室出口，直径600 mm。模型燃烧室内采用结构和非结构组合网格剖分为34万个网格，如图1所示。

图1 模型及网格

1.2 计算条件

IFRF的试验采用高温空气喷入速度为100 m/s，温度为1 543 K。航空煤油平行于空气射流喷射入燃烧室是可调节操作参数，得到燃油/空气速度比为 U0=u20/u10，温度为298 K，见表1所示。

表1 HiTAC模型燃烧室的计算条件

2 数学模型

2.1 两相流模型

气－雾两相流模型中，煤油雾滴采用轨迹模型。即将喷雾分成有代表性的n个组，每组有相同的位置、速度、温度、直径。用拉格朗日方法跟踪这些离散液滴在全流场中的运动和输运。气相守恒方程用欧拉方法描述。液滴对气相的影响，通过在气相守恒方程中加入相应的液滴源项处理。控制液滴运动的拉格朗日方程为:

其中，FD(u－up)是单位质量的液滴的阻力，是液滴的重力;Fx为液滴所受的其它力，如附加质量力、热泳力、布朗力、萨夫曼升力等。在本文的喷雾模拟中，根据液滴直径很小及所处的环境，只考虑液滴阻力，忽略其他作用力。

2.2 燃烧模型

非预混燃烧模型(平衡化学反应/PDF模型)混合分数表示为燃料流的质量分数，表达式为:

式中:Zi——元素i的质量分数。下标ox表示氧化剂流入口处的值，fuel表示燃料流入口处的值。

时间平均混合分数方程为:

源项Sm仅指由液体燃料滴传入气相中的质量。Suser为任何用户定义源项。

2.3 辐射模型

其在离散坐标辐射模型中的数学表达式为:

式中，α为吸收系数，σs为散射系数，为位置矢量，为方向矢量，为散射方向矢量，si为的分量，N为折射系数，I为总辐射强度，Ωt为立体角，T为热力学温度，为相函数，φ表示内向散射的空间分布特性。式中等号右端第一项为由于介质吸收和散射造成的辐射强度减弱，第二项为介质自身的容积辐射，第三项为各方向进入微元体的热辐射在s方向的散射。

2.4 NOx 生成模型

燃烧过程中生成的NOx有3个来源［7］:热力NOx、燃料NOx和快速NOx。

热力NOx(Thermal NOx)，它是空气中的氮气在高温下氧化而生成的NOx。它主要产生于温度高于1 500℃的高温区，其形成过程可由Zeldovich链锁反应来描述，主要反应如下:

因此，在高温下生成NO和NO2的总反应式为:

上述热力型NO，生成的反应机理称之Zeldovich机理［8］，有上述反应式可推导出Zeldovich关于NO生成速度的表达式:

热力型NOx的主要影响因素是温度和氧浓度。随温度和氧浓度的增加，热力型NOx的浓度增加。因此，降低热力型NOx的基本原理就是降低氧的浓度、降低火焰温度以及缩短高温区的停留时间等。温度高于1 500℃时，每增加100℃，反应速度将增加6～7倍。不考虑航空煤油燃烧的燃料NOx和快速NOx时，高温区形成的NOx对炉内整个NOx的生成起主要作用。本文主要考虑热力型 NOx［9－10］。

3 计算结果与分析

3.1 等温流场特征

高温烟气的回流有卷吸和加热喷入空气的作用，形成高温低氧气氛。假设在没有发生燃烧条件下，CFD数值模拟等温条件下的回流区结构、氧浓度分布、雾化燃油在回流区内的分布特性十分必要。

图2 等温流场结构

该等温模型中，高温空气以高速气流的形式喷入燃烧室，并利用进口突扩和出口突缩的边界约束条件形成了如图2所示的壁面回流区，有利于氧浓度的降低，是实现低氧燃烧的关键。

3.2 低氧浓度分布

控制低氧浓度和分布范围，有利于控制燃烧反应速度，使燃烧在较大范围内释放热量，减少局部高温区和温度梯度，得到较均匀的温度场。热力型NOx生成能得到有效抑制。

图3 不同U0与氧浓度分布

从图3可以看到，取不同U0时，回流区内氧浓度都有明显降低。在燃烧室内低氧分布范围较大。由于空气的质量流量不变，所以喷入的燃油质量流量的变化对由中央高速射流驱动的回流区氧浓度变化影响较小。可见，中央空气高速射流的驱动作用是燃烧室内产生回流和低氧浓度的主要原因。

3.3 雾化燃油分布特征

雾化燃油在低氧回流区内的分布直接影响其燃烧状态。图4计算结果表明，U0=0.2时雾化燃油可以穿透回流区并在其中均匀分布产生均匀燃烧效应。

图4 雾化燃油轨迹图

3.4 燃烧状态的温场均匀性

图5 不同U0的火焰形状

与图4相对应，图5为不同射流速度比情况下的火焰形状。当射流速度比U0为0.03时，燃油液滴由于喷射速度过小被中央的高速空气引射抽吸燃烧。进入高速气流两侧的回流区燃油量少，出现火焰径向宽度减小。由于高温烟气的回流混合，主燃区温度仍能保持均匀。

当射流速度比增大到0.2时，燃油液滴能有效喷射入回流区，并与空气和高温烟气均匀混合。燃油液滴在回流区有较大的分布范围，使燃烧室内火焰位置和分布的均匀性得到改善。

当射流速度比为0.38时，由于燃烧油喷射速度较大，回流区对燃油雾滴的卷吸强度明显减弱。油/气混合蒸发段加长，轴向混合距离过大，造成主燃区位置后移过大不利于充分燃烧。

综合以上计算结果，说明煤油射流的分布状态也是产生HiTAC燃烧的主要因素之一。

3.5 燃烧流场的驱动效应

由气－雾两相流模型，雾化燃油的分布主要决定于高速空气携带雾滴的曳力。而燃烧流场与等温流场的对比可以分析燃烧热对空气射流的膨胀加速推动作用。

图6 等温流场与燃烧流场的对比

由图6可以看出，由于燃烧使高温气体膨胀，增大了燃烧室内的气体驱动动能，使同一位置处的气流速度增大，对雾滴的卷吸能力增强，并产生更低的低氧气氛［9］。

3.6 NO生成的数值模拟

为进一步分析U0对燃烧状态的影响，在上述计算基础上，取不同射流速度比U0，计算并分析其产生NO的规律。如图7所示，为出口热力NO的平均浓度计算结果。当射流速度比UV0分别取为0.03，0.2，0.38时，出口NO浓度分别为67 ppm、45 ppm和90 ppm。选择合适的射流速度比U0可以降低出口NO排放。Weber等人在此条件下的试验结果表明［5］，在进气温度为1 543 K，燃油和空气质量流量分别为49 kg/h、800 kg/h时，燃烧室出口氮氧化物排放约为70 ppm～100 ppm。基本与本文的模拟规律一致。因为燃烧过程均匀使放热强度均匀，将不再存在传统燃烧过程中出现的局部高温高氧燃烧区，使热力型NOx的生成得到了有效抑制。燃烧室内温度分布越均匀，NOx排放浓度越低［11］。对应本文U0=0.2时的情况，低NOx表明了HiTAC的低污染燃烧特性。

图7 射速比与出口NO浓度关系曲线

3.7 计算结果的试验验证

图8下方为Weber等人的重油实验所测Z=0面的温度分布，图8上方为本文的温度场计算结果图。对比结果表明，除航空煤油与重油的燃料和热值区别外，温度场的变化规律符合较好［5］。

图8 温度场的试验验证

4 结论

本文CFD数值模拟了航空煤油HiTAC燃烧的两相流动和燃烧状态，结论如下:

(1)在本文研究条件下，采用高射速空气射流能在燃烧室内形成大的回流区。燃烧放热的气流膨胀有更强的驱动作用。

(2)在燃烧状态下，由于气体的膨胀使燃烧室内气流运动增强，高温烟气的卷吸作用加强，在燃烧室内形成大的高温低氧区域。合适的油/气速度比能使航空煤油雾恰当穿入回流区混合区充分利用低氧浓度形成HiTAC燃烧，火焰体积成倍增大，燃烧室内温度场分布均匀。

(3)在适当的射流速度比条件下，由于Hi-TAC燃烧的温度场均匀化，加之有较低的氧气浓度，有效抑制了NOx的生成。

(4)计算结果与试验结果符合较好。对航空发动机燃烧室采用HiTAC新技术提供了依据。

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