甲烷高空排放技术数值模拟

冯 飞 王 鹍

（北京航天试验技术研究所，北京 100074)

甲烷高空排放技术数值模拟

冯 飞 王 鹍

（北京航天试验技术研究所，北京 100074)

在液氧/甲烷发动机地面试验中，发动机预冷过程中或试验结束后，存在大量的甲烷需要进行排放处理。研究发现，原有甲烷排放系统在排放过程中甲烷向低空扩散较多，容易在地面形成积聚，发生危险。为了解决这些问题，重新设计了甲烷的排放方式，并进行了数值模拟研究。数值模拟显示，新的排放方式向上扩散较多，甲烷不易积聚。同时，还研究了甲烷的扩散规律，为后续研究火炬点火等处理方式提供了参考依据。

数字化，液氧/甲烷发动机，甲烷排放，数值模拟

1 概 述

液氧/甲烷火箭发动机的研究已有较长历史。早在20世纪前期，国外就曾进行了探索性的研究。美国在液氧/甲烷发动机领域开展了大量研究，多家美国研究机构进行了点火、传热、燃烧及积碳等基础研究和较小推力发动机的研制工作。

液氧/甲烷发动机具有诸多优点：在碳氢化合物中，液氧/甲烷比冲最高；甲烷在世界范围内储量巨大，是目前地球上常规化石燃料储量的2倍还多；国外进行的烃类燃料的碳沉积研究表明，在400℃～900℃的燃烧温度范围内，液氧/甲烷燃烧产物未出现明显的积碳；美国在1980年进行了电传热试验，研究烃类燃料的结焦特性，结果表明，烃类燃料中煤油的结焦极限温度最低，甲烷最高；甲烷的密度约为氢的6倍、价格是液氢的1%。在美国重返月球计划中，鉴于液氧/甲烷发动机的诸多优点，在美国国家航空航天局（NASA）支持下，洛克达因公司、XCOR公司及ATK公司等公司进行了液氧/甲烷发动机研究，并已开展了多次热试车。

为研制低成本、高可靠、无污染、可重复使用、能够单级入轨的火箭发动机，近几年，我国也启动了液氧/甲烷发动机的预研工作，并开展了一系列液氧/甲烷发动机关键技术集成验证试验。但是，试验过程中的液态甲烷排放处理成为一个难题。本文基于数值模拟方法，对试验过程中甲烷的高空排放问题进行了仿真研究，发现了原有排放系统的不足之处，重新设计了甲烷的排放方式，并通过数值模拟方法研究了甲烷的浓度分布情况，有利于后续采取火炬点燃等更有效的排放处理方式。

2 模型建立

2.1 模型建立及网格划分

甲烷排放方式选择高空排放，汇总排放管路高度为18m，排放口形式采用甲、乙2种，如图1所示，这2种排放形式都具有4个排放口，管路内径均为210mm。

考虑到管路为圆柱形轴对称结构，将模型简化，建立以垂直面为对称面的二维模型，选取的计算域是20m×30m的长方形，研究重点为甲烷从排放管排出后的扩散情况，因此，对扩散区域进行网格划分。采用非结构化网格，网格单元为四边形网格，部分区域网格模型见图2。

图2 二维模型及网格示意图

2.2 模拟方法及物性参数确定

湍流模型选用标准k-e模型，定义排放出口湍流强度为10%。采用燃烧模型中不发生化学反应的物质输运模型来模拟甲烷的排放过程。物质输运方程为：

Ri是化学反应产生速率，因本文仅模拟甲烷的排放扩散，不发生化学反应，所以，为离散相及用户定义的源项导致的额外产生速率，是质量扩散通量，在k-e湍流模型中，

在系统中出现N种物质时，需要解N-1个这种形式的方程。本文将空气看作1种单一气体，共有甲烷、空气2种组分，需要求解1个物质输运方程。甲烷介质从排放口排出后与空气进行传质传热，进一步混合。甲烷的密度是影响其流动的重要参数，200K时甲烷密度为0.97kg/m3，300K时甲烷密度为0.64kg/m3。选用Boussinesq模型确定甲烷密度，此模型比使用依赖于温度变化而密度发生变化的模型能够获得更快的收敛速度。因此，本文采用不发生化学反应的物质输运和Boussinesq模型模拟甲烷排放的流场分布，计算采用非定常数耦合隐式解法，步长定为0.1s。

2.3 边界条件及初始条件的确定

计算流体力学（CFD）模拟的基本边界条件包括流体进口边界、流体出口边界、给定压力边界、对称边界、壁面边界、周期性（循环）边界等。结合所研究的实际问题，对以下4种情况进行模拟仿真，具体参数见表1。

在甲烷介质的大量排放过程中，其初始条件是排放管出口的状态。液态甲烷通过排放管路与外界的热交换，转变为气态甲烷，到排放管出口处温度为200K左右。根据所选择的边界条件，模拟的初始条件包括：甲烷介质出口温度、压力、出口速度、出口流量、湍流强度、环境温度等。通过排放流量计算可知，甲烷出口的流速为8.6m/s，保守起见，数值模拟时甲烷排放速度提高到10m/s。本地区年平均风速2.2m/s，故有风条件选择2m/s的风速入口。

3 结果分析

图3为无风情况下，甲烷气体从甲种排放口排出后云团随时间变化的轨迹图。图4为有风且风速为2m/s时甲烷排放过程中的云团随时间变化的轨迹图。

甲烷排放到大气中，在扩散过程中会与空气混合，形成甲烷-空气云团。其中，甲烷在空气中的体积含量是表征云团危险程度的重要参数。甲烷的爆炸范围为体积含量的5%～15%，甲烷引起窒息的含量范围是＞10%，所以确定5%为其危险下限，图中仅显示了浓度＞5%的甲烷分布情况。

由图3可以看出，在无风情况下，从上面2个排放口排出的甲烷气体随着时间的推移，不断向高空飘移。这是由于甲烷气体的密度小于空气密度，排放气体呈浮力扩散。下面2个排放口排出的甲烷气体，由于具有10m/s的排放速度，在排放过程中气体有向下冲击的趋势，扩散过程中，在气体排放速度和气体浮力共同作用下形成如图3所示的气体云团。随着时间的推移，浮力作用逐渐占据主导地位，在13s后气体有向上飘逸的趋势，扩散的动力主要源自环境对甲烷的浮力。介质不断消散，直至最后达到与空气非常接近的密度而转为大气扩散方式。从图3可以看出，甲烷排放开始13s后，浓度＞5%的区域已经接近排放管所在地面，距离地面高度约1m，排放管周围地面成为危险区域，有可能产生爆燃或者窒息。甲烷的扩散系数只有0.00734，若无外力干扰，其在空气中的扩散速度很慢，长时间排放后，排放管地面附近会堆积甲烷气体，形成不安全因素。

图3 甲烷排放过程云团随时间变化轨迹图（无风）

图4 甲烷排放过程云团随时间变化轨迹图（风速2m/s）

由图4可见，当排放过程中有2m/s的微风时，甲烷的扩散速度明显加快，大量排出的甲烷在空气流动的驱动下从右侧快速飘散，不会向下扩散至地面，可确保安全排放。

而在某次实际排放试验过程中，试验当天由于几乎无风，明显可以看到大量甲烷气体下落到地面附近，排放过程中的气体分布与数值模拟相似，这也表明数值模拟具有一定的参考性。通过此次试验与数值模拟可以看出，甲烷的排放过程需要改进，速度向下的排放不利于甲烷气体扩散。在有风的情况下，现有排放系统可以保证大量甲烷的安全排放，但是若无风，则会像此次试验一样，产生一些不安全因素。因此，拟将甲烷排放管改为乙种排放形式。下面对这种排放形式进行数值模拟，为下次液氧/甲烷发动机试验提供参考，以保证试验过程更加安全、可靠。

图5为无风情况下，甲烷气体从乙种排放口排出后云团随时间变化的轨迹图。图6为风速2m/s情况下，甲烷气体从乙种排放口排出后云团随时间变化的轨迹图。

由图5可以看出，从乙种排放管排放甲烷时，甲烷气体以向上飘散和向周围扩散为主，向下扩散的距离有限。开始排放10s后，甲烷气体几乎全部向高空飘散，属于安全的高空排放，因此，乙种排放管的排放效果优于甲种排放管。

由图6可以看出，当有空气流动时，空气流动也成为甲烷扩散的主要影响因素，大量排出的甲烷会在较短时间内迅速扩散，不会造成甲烷气体堆积及下沉，能够满足安全排放要求。

图5 甲烷排放过程云团随时间变化轨迹图（无风）

图6 甲烷排放过程云团随时间变化轨迹图（风速2m/s）

由此可见，对于乙种排放管，无论哪种天气状况，其都可以满足甲烷的安全排放要求。数值模拟对于甲烷的排放具有一定的指导意义，排放口的形式可以进行一些改进，同时，通过数值模拟得到甲烷的扩散情况，可为后续火炬点火处理等方式提供参考，例如设置点火位置及时间等，以确保甲烷能够以更安全、更环保的方式进行排放。

4 小 结

大流量甲烷的排放技术是大推力液氧甲烷发动机试验中的难题之一。根据初步制定的高空排放设计方案建立模型，采用不发生化学反应的物质运输模型和Boussinesq模型对甲烷的排放情况进行数值模拟。通过分析，发现原有排放系统在排放过程中，甲烷向低空扩散较多，容易在地面附近聚集，发生危险。根据该情况，重新设计了甲烷的排放方式。数值模拟显示，新的排放方式甲烷向上扩散较多，不易积聚。同时，通过数值模拟，研究了甲烷的扩散规律，为后续研究火炬点火等处理方式提供了参考依据。

1 孙宏明. 液氧/甲烷发动机评述[J]. 火箭推进, 2006, 32(2): 23～31

2 Philippart K D, Moser M D. Stability Analyses of Liquid Oxygen/Methane injectors using currently available analytical tools[R]. AIAA, 88: 2851

3 Pemple P, Frohlich T, Vernin H. LOX/Methane and LOX/ Kerosene high thrust engine trade-off [R]. AIAA , 2001: 3542

4 钟水清, 熊继有, 张元泽, 等. 我国21世纪非常规能源的战略研究[J]. 钻采工艺, 2005, 28(5): 93～98

5 Hernandez R, Mercer S. Carbon deposition characteristics of LO2/HC propellants [R]. AIAA, 87: 1855．

6 Rosenberg S D, Gage M L. Compatibility of hydrocarbon fuels with booster engine combustion chamber liners[R], AIAA, 87: 3215

7 禹天福, 李亚裕. 液氧/甲烷发动机的应用前景[J]. 航天制造技术, 2007, （2）: 1～10

8 Judd D, Buccella S, Alkema M, et al． Development Testing of a LO2/Methane Engine for in－Space Propulsion[R]．AIAA, 2006: 5079

9 张小平, 丁丰年. 我国载人登月重型运载火箭动力系统探讨[J]. 火箭推进, 2009, 35（2）: 1～6

1009-8119(2015)01(1)-0058-03