温度和压力对煤油燃烧反应诱导时间的影响

    孙得川 向伟彬

    DOI：10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2018.06.010

    摘要：煤油作为航空航天发动机的理想燃料，其点火特性对动力装置的研制至关重要。本文开发了等容绝热燃烧的化学动力学计算软件，可进行包含准总包反应的燃烧机理计算。采用8组分19步反应计算了氢-空气燃烧，采用10步准总包简化反应机理计算了煤油-空气燃烧，计算结果与实验结果符合较好。计算了不同初温和压力条件下煤油的反应诱导时间，结果表明，初温和压力对煤油反应诱导时间的影响都很大;温度和压力的提升会使反应诱导时间迅速缩短;初始压力为18MPa时反应诱导时间只有5.3μs，而101.325kPa时的反应诱导时间长达800μs。

    关键词：煤油;反應机理;诱导时间;压力;温度

    中图分类号：TJ763;V231.2文献标识码：A文章编号：1673-5048（2018）06-0060-06[SQ0]

    0引言

    作为最经济可行的燃料，煤油不仅在航空发动机中广泛应用，而且也是超燃冲压发动机和液体火箭发动机的理想燃料。因为这些发动机的工作环境差别很大，所以了解煤油在其中的燃烧规律对于动力装置的研究显得尤其重要。为此，许多学者对以煤油为燃料的各类发动机开展了数值模拟的研究工作，以期通过数值仿真了解流动和燃烧的细节。

    尽管不同类型发动机所使用的煤油不同，但燃烧特性接近。不过由于煤油成分复杂，其燃烧机理也非常复杂，例如Dagaut等人的3组分替代煤油燃烧反应机理模型包含了209种组分1673步反应[1];Honnet等人的2组分替代煤油燃烧反应模型也包含了122种组分900步反应[2]。在数值仿真中，如果直接采用这些包含上百种组分和上千种反应的机理来研究煤油的燃烧特性存在很大困难，所以很多煤油燃烧流场的数值模拟研究都采用了简化的燃烧模型。例如胡欲立等人计算了带有凹槽的超声速燃烧室中煤油的雾化燃烧过程[3]，郭瑞卿等人计算了替代燃料对航空发动机燃烧室性能的影响[4]，都是采用了FLUENT软件和PDF燃烧模型。因为PDF模型是基于化学平衡假设的，所以采用该模型计算低速流动条件下的燃烧虽适合，但是对于超声速燃烧计算误差较大。王慧汝等人利用FLUENT比较计算Kundu反应机理和亚琛反应机理在模型燃烧室内的应用时采用了火焰面模型[5]，忽略了反应速率的影响。另一种简化方式是采用过度简化的反应机理，例如万田等人的计算直接采用了总包反应[6]，万少文等人计算RBCC中的燃烧流动时采用了3步反应模型[7]，这些模型认为燃烧受湍流混合控制而不考虑反应速率的影响。对于发动机点火问题，采用忽略反应速率的简化模型就无法反映出煤油燃烧的动力学特性，因此较为合适的反应模型是在复杂机理的基础上进行简化，减少其中的组分数目和反应数目。例如乐嘉陵院士团队采用10组分12步反应的简化机理进行数值模拟[8]。在研究煤油点火延迟时，国内则多采用CHEMKIN软件的激波管计算模块对复杂机理进行模拟[9]。

    为了研究发动机中煤油点火延迟的动力学特性及其影响因素，并确定可用于数值模拟的煤油

    简化机理，本文开发了一种通用的适用于简化机理和复杂机理的化学动力学计算软件，并研究了一种简化处理的煤油（C10H20）的10步简化反应机理，通过与实验的比较确定了其中的参数;计算了不同初始温度和压力条件下的煤油反应过程，探讨了压力和初温对煤油反应诱导时间的影响。该软件模块可以直接移植到燃烧流场计算中。

    1计算模型

    本文开发的化学动力学计算软件的基础是多组分混合气体的化学非平衡计算模型[10]。该模型不考虑流动对燃烧的影响，假定反应发生在绝热、定容且各向同性的流体微团中，因此反应过程只受化学动力学控制。

    1.1程序框图

    软件的计算核心采用FORTRAN95编写，用户界面采用WPF编写，可在安装了.NET的Windows7和WindowsXP环境下运行。软件流程图如图1所示，其中组分输入、初始条件输入和反应机理输入都采用文本文件的形式;热力学数据库（Thermodatabase）采用NASA版本的thermo.dat文件。

    3结果与讨论

    3.1煤油反应机理

    因为详细的煤油反应机理过于复杂，所以工程上较为实用的是包含较少反应步数的准总包反应机理（Quasi-GlobalMechanism）。准总包反应机理是指煤油先通过一步不可逆反应氧化为CO，H2等，然后再计算CO，H2的多步反应，其优点在于既考虑了烃类燃料的裂解特性，又大大简化了煤油反应机理。尽管煤油的成分很复杂，但是因为燃烧的特征相近，所以本文采用一种简化处理的煤油作为算例研究，其分子式为C10H20，对应的燃烧机理是Choi在乙烯准总包反应[13]的基础上发展的煤油10步准总包反应机理[14]，见表1。但是在上述文献中，并未找到总包反应中反应物的反应速率指数η′，如果采用相应的计量系数作为指数显然对于O2是过高了，为此本文进行了大量的参数调整和与实验数据的对比验证，最终确定C10H20的反应速率指数1.0，O2的指数为0.83。

    3.2初始温度对反应诱导时间的影响

    应用上述的10步反应机理，计算了煤油在空气中的燃烧过程，其初始压力为2MPa，初始温度为1200K。计算结果如图3所示。计算得到的反应诱导时间约为40μs，与实验数据[14]符合较好。

    图4所示为根据该反应机理计算的初始压强为10×101.325kPa时，不同初始温度条件下的反应诱导时间，并与实验数据[15-16]进行了对比。由对比结果可见，根据该反应机理计算的煤油燃烧的诱导时间在各初始温度下均与实验符合较好。这不仅验证了化学反应计算模块的正确性，也验证了煤油反应机理的正确性。另外，由计算结果可知，初始温度对反应速度影响很大，初温的升高会使反应诱导时间迅速减小。

    3.3压力对反应诱导时间的影响

    为考察压力对反应的影响，本文计算了煤油和空气的混合比为当量混合比，初温均为1200K，压力分别为101.325kPa、2MPa和18MPa三种条件下的煤油反应，计算结果如图5～7所示。

    从三种不同初始压力下的反应诱导时间可知，在初始压力为101.325kPa条件下，煤油反应诱导时间约为800μs，而压力达到18MPa时，诱导时间降低到5.3μs，相差两个数量级。在液体火箭发动机中，燃烧室压力通常高达10MPa以上，在这样的工况下，煤油的反应诱导时间为几微秒，远小于流动计算的时间步长，可以近似认为反应迅速发生，忽略其诱导时间的影响，因此认为燃烧处于化学平衡状态是合理的;而对于冲压发动机，其燃烧室压力经过进气道的冲压作用后尚不及一个大气压，煤油反应的诱导时间为1ms的量级，这个时间处于与燃烧室内气流的停留时间接近的水平，显然只有采用化学动力学模型才能模拟超燃冲压发动机中的燃烧反应过程。另外，冲压发动机燃烧室内的空气流速约为1000m/s的量级，煤油反应的诱导时间在毫秒量级也说明，如果煤油直接在流动的空气中燃烧，那么燃烧室长度至少达到1m以上才可能充分释放能量;对于超燃冲压发动机，采用缩比模型进行燃烧实验是不可行的。

    4结论

    本文开发了基于等体积燃烧模型和化学动力学模型的计算软件，依据煤油燃烧的10步简化机理计算了不同初温和压力条件下的煤油燃烧过程，与实验结果对比符合较好。根据计算结果得到如下结论：

    （1）采用并确定参数的10步煤油简化反应机理可以较好地模拟煤油燃烧过程，计算得到的反应诱导时间与实验值一致性较好。

    （2）温度对反应速率的影响很大，初温的提升会使反应诱导时间迅速缩短。

    （3）压力对煤油反应诱导时间影响很大，初始压力为18MPa时反应诱导时间只有5.3μs，而在101.325kPa时的反应诱导时间长达800μs;

    根据计算结果，对于超燃冲压发动机中的燃烧反应，应该采用化学动力学模型才能有效模拟其反应过程，采用缩比模型实验来研究超声速燃烧过程是不可行的。

    参考文献：

    [1DagautP，BakaliAE，RistoriATheCombustionofKerosene：ExperimentalResultsandKineticModelingUsing1to3ComponentSurrogateModelFuels[J].2006，85（7）：944-956.

    [2]HonnetS，SeshadriK，NiemannU，etal.ASurrogateFuelforKerosene[J].ProceedingsoftheCombustionInstitute，2009，32（1）：485-492.

    [3]胡欲立，劉欧子，蔡元虎.液体煤油超声速燃烧的三维数值分析[J].燃烧科学与技术，2007，13（3）：214-219.

    HuYuli，LiuOuzi，CaiYuanhu.ThreeDimensionalNumericalAnalysisofLiquidKeroseneSupersonicCombustion[J].JournalofCombustionScienceandTechnology，2007，13（3）：214-219.（inChinese）

    [4]郭瑞卿，唐正府，尚守堂，等.替代燃料对航空发动机燃烧室性能影响的计算研究[J].航空发动机，2016，42（1）：21-24.GuoRuiqing，TangZhengfu，ShangShoutang，etal.SimulationonInfluenceofAlternativeFuelonCombustorPerformanceforAeroengine[J].Aeroengine，2016，42（1）：21-24.（inChinese）

    [5]王慧汝，金捷.采用不同航空煤油反应机理模拟模型燃烧室两相燃烧流场[J].燃气涡轮试验与研究，2013，26（4）：22-27.

    WangHuiru，JinJie.NumericalSimulationofTwoPhaseCombustionFieldsinaModelCombustorUsingTwoDifferentChemicalReactionMechanismsofJetFuel[J].GasTurbineExperimentandResearch，2013，26（4）：22-27.（inChinese）

    [6]万田，李东霞，陈立红，等.超燃燃料和空气混合及燃烧的数值模拟[C]∥第二届高超声速科技学术会议，黄山，2009.

    WanTian，LiDongxia，ChenLihong，etal.NumericalSimulationofKeroseneAirMixingandCombustioninScarmjetCombustors[C]∥2ndHypersnicAcademicConference，Huangshan，2009.（inChinese）

    [7]万少文，何国强，刘佩进，等.RBCC混合燃烧模式下燃料喷注位置对燃烧性能影响研究[J].固体火箭技术，2010，33（6）：636-640.

    WanShaowen，HeGuoqiang，LiuPeijin，etal.ResearchofCombustionaboutInjectorPositioninRocketInducedSecondaryCombustionofRBCCEngine[J].JournalofSolidRocketTechnology，2010，33（6）：636-640.（inChinese）

    [8]楊顺华，乐嘉陵，赵慧勇，等.煤油超燃冲压发动机三维大规模并行数值模拟[J].计算物理，2009，26（4）：534-540.

    YangShunhua，LeJialing，ZhaoHuiyong，etal.ThreeDimensionalMassivelyParallelNumericalSimulationofKeroseneFueledScramjet[J].ChineseJournalofComputationalPhysics，2009，26（4）：534-540.（inChinese）

    [9]王慧汝，金捷，王静波，等.正癸烷燃烧机理及航空煤油点火延时动力学模拟[J].高等学校化学学报，2012，33（2）：341-345.

    WangHuiru，JinJie，WangJingbo，etal.CombustionMechanismofnDecaneatHighTemperaturesandKineticModelingofIgnitionDelayforAviationKerosene[J].ChemicalJournalofChineseUniversities，2012，33（2）：341-345.（inChinese）

    [10]刘君，周松柏，徐春光.超声速流动中燃烧现象的数值模拟方法及应用[M].长沙：国防科技大学出版社，2008.

    LiuJun，ZhouSongbai，XuChunguang.NumericalSimulationandApplicationofCombustionPhenomenainSupersonicFlow[M].Changsha：NationalUniversityofDefenseTechnologyPress，2008.（inChinese）

    [11]WilsonGJ，MacCormackRW.ModelingSupersonicCombustionUsingaFullyImplicitNumericalMethod[J].AIAAJournal，1992，30（4）：1008-1015.

    [12]BhaskaranKA，GuptaMC，JustT.ShockTubeStudyoftheEffectofUnsymmetricDimethylHydrazineontheIgnitionCharacteristicsofHydrogenAirMixtures[J].Combustion&Flame，1973，21（1）：45-48.

    [13]SinghDJ，JachimowskiCJ.QuasiglobalReactionModelforEthyleneCombustion[J].AIAAJournal，1994，32（1）：213-216.

    [14]ChoiJY.AQuasiGlobalMechanismofKeroseneCombustionforPropulsionApplications[C]∥AIAA/ASME/SAE/ASEEJointPropulsionConference&Exhibit，SanDiego，California，2013.

    [15]DagautP，CathonnetM.TheIgnition，Oxidation，andCombustionofKerosene：AReviewofExperimentalandKineticModeling[J].ProgressinEnergyandCombustionScience，2006，32（1）：48-92.

    [16]DavidsonDF，HansonRK.FundamentalKineticDatabaseUtilizingShockTubeMeasurements[C]∥6thInternationalConferenceonChemicalKinetics，Gaithersburg，MD，2005：25-29.