煤油超燃冲压发动机两相流场数值研_省略_油在超燃流场中的多步化学反应特征_黄生洪
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2005年4月第26卷 第2期J OURNA L OF PRO PU LS I ON TECHNO LOGYApr .2005V ol .26 No .2煤油超燃冲压发动机两相流场数值研究*(Ⅲ)煤油在超燃流场中的多步化学反应特征黄生洪1,徐胜利1,刘小勇2(1.中国科学技术大学力学和机械工程系,安徽合肥230026;2.航天科工集团公司31所,北京100074) 摘 要:深入分析了煤油代用燃料C 12H 23的17组分30步反应模型在超燃冲压发动机流场内的细观化学反应动力学特征,结果表明:(1)该化学反应模型比较合理地描述了煤油在超燃流场内的裂解、点火、裂解产物的燃烧以及和NO X 的生成等基本规律和特征,其中对于OH 分布特征的预示和文献的利用PL IF 的物理观测结果一致。
不过,其单步裂解机制对温度场的预估偏高。
(2)对导流型凹槽内的化学动力学特征分析表明,导流槽由于加强了凹槽外氧气向凹槽内的输运,使得凹槽内的燃烧得以强化,生成的CO 2偏多。
(3)煤油的化学反应动力学过程对于准确预示和评价煤油在超燃发动机内的燃烧状况及发动机整体性能有重要影响。
关键词:冲压喷气发动机;煤油;超音速燃烧;导流型凹槽+;模型中图分类号:235.211 文献标识码:A 文章编号:1001-4055(2005)02-0101-05 * 收稿日期:2004-01-20;修订日期:2004-06-20。
基金项目:国家自然科学基金(90205004);国家“八六三”项目资助(2002AA 723061)。
作者简介:黄生洪(1974—),男,博士后,研究领域为航空宇航推进技术。
Co mbustion flo w of kerose ne -fueled scra m jet w it h 3D cavit y (Ⅲ)M ulti -step c he m istry characteristics of kerose neHUANG Sheng -hong 1,XU Sheng -li 1,LI U Xiao -yong2(1.D ep.t ofM ode rn M echan ics ,China U niv .o f Science and T echno l ogy ,H efei 230026,Ch i na ;2.The 31st Re search Ins.t o f CA SI C ,Be iji ng 100074,Ch i na )Ab strac t : The chem istry m echanis m of kero sene is key to nu m e rica l si m ula tions of ke rosene ’s s upe rsonic combusti on fl ow field .The chem ica l dyna m ic characteristics of surrogate f ue l ’s (C 12H 23)reduced chem istry model w ere ana l yzed i n de -tai.l Itw as concluded t ha t :(1)t he cracking ,ign iti on ,combusti on and NO X e m ission characteristi c s a re properly describedby t his che m istry m ode l ,i n which t he predicted distribu tion of OH is i n consist ent w ith the PL IF observati on o f lite rature ,but the te m pe ra t ure fl ow fie l d w as over -predicted by one st ep cracki ng m echanis m to some ex t en.t (2)T he produc tion of CO 2i n 3D cav it y is re lati ve l y h i gh ,w hich revea ls m ore co m bustion enhance m en t i n 3D cavit y.Besides ,the OH d istri bution i n 3D cav ity ’s transverse vor t ex prove s its fla m e stabilizi ng m echanis m in m i c rocos m ic view .(3)The descri p tion of kero sene ’s re -ac ting dynam ics p l ays an i mportant ro le in exact nu m erica l predic tion of ke rosene ’s supe rsonic co m bustion flo w field and eva l -uati on of kero sene -f ue l ed sc ra m j e t ’s pe rf o r m ance .K ey word s : Scra m je t ;K erosene ;Supersonic co m bustion ;Cavit y w ith fl ow -u s her slot +;M ode l1 引 言煤油燃料作为一种石油化工产品,并非一种单纯的物质,而是由多种碳氢化合物组成(从C 9至C 16)。
其燃烧机理也因涉及多种碳氢燃料的反应动力学机制而十分复杂。
考虑到计算的规模和效率,在煤油燃烧流场的CFD 模拟中常采用的处理方法是———代用燃料(Surrogate fue l )模型及其简化化学反应动力学机制(Reduced che m ical kine tic m echanis m )[1]。
目前,关于煤油的代用燃料模型及其简化化学反应动力学机制机理的研究,国外已较多开展[2,3],并已逐步应用到相关的CFD 计算中[4,5],但国内这方面的报道尚不多见。
特别在煤油超燃的数值模拟中,究竟应该采用何种代用燃料模型,化学动力学机制应该考虑到DOI 牶牨牥牣牨牫牰牱牭牤j 牣cn ki 牣t jjs 牣牪牥牥牭牣牥牪牣牥牥牪 推 进 技 术2005年何种程度尚无明确的规则。
本文以航天科工集团公司31所设计的煤油超燃冲压发动机为背景,应用NASA Lang ley中心提出的代用燃料C12H23的17组分30步简化化学反应模型,对其实验工况展开数值模拟。
在前两部分中,已分别对总体流场特征[6]和导流型凹槽的流动特点[7]进行了分析,本部分主要从流场内的细观化学反应动力学特征展开论述,对超燃流场内煤油多步化学反应模型进行综合评价。
2 代用燃料模型及简化反应动力学机制代用燃料模型要求所采用的代用燃料的热物理性质及化学动力学特征要尽量和实际的煤油燃料一致,以保证数值结果的可靠性。
目前,关于煤油的代用燃料模型主要有如下几种:C10H19,C12H23,C12H24,C12H26等,其中C10H19,C12H23主要用于代表Jet系列(如Je tA),而C12H24,C12H26主要代表RP系列。
由于实验中使用的是航空煤油,属Jet系列,分子量接近C12H23,因此,本文选C12H23为代用燃料。
在化学动力学机制方面,实际煤油组成物中的长碳链分子在高温下不稳定,很快裂解产生更短碳链的烷烃、烯烃和碳氢自由基。
这一裂解过程至少涉及三步以上的反应。
所以真正在燃烧室燃烧并放出大量热量的是短链的碳氢化合物,如CH3,CH4,C2H4等等。
目前,短链碳氢化合物的反应机理已较完备,问题主要集中在煤油裂解反应机理的简化。
详细的裂解反应机理涉及大量的组分(100以上)和中间过程(1000步以上基元反应),难以直接用于数值模拟(计算量太大)。
NASA Lang ley中心提出了一种17组分30步化学反应的简化机理(为美国国家燃烧计算程序所用),认为煤油一步裂解成CH和H。
本文采用了该反应动力学模型,其反应机理如表1。
其中第1步为总包化学反应,模拟裂解过程;6～14步为H-O 反应机理,模拟点火过程;15～21步为裂解后燃料C H的燃烧过程;其余为NO X等污染物的生成过程。
进一步分析该反应机理可见:(1)C12H23的裂解反应在整个反应机理中起着源头作用,是起动煤油燃烧的第一步也是唯一一步,因而是整个煤油燃烧过程的控制步。
从本文计算的工况来看,起动这一反应有两个不同的机理:对CASE1而言,由于来流总温较高(1773K),凹槽内蒸发的燃油将自动发生裂解(凹槽内温度接近总温)。
而对于CASE2,由于来流总温低(851K),加上蒸发吸热,计算发现煤油不能自动裂解。
必须设置点火条件,即设置一个局部高温区,诱发部分煤油首先开始裂解。
Tab le1 R edu ced che m istry of k eroseneNo.Reacti on1N2+C12H23=>12CH+11H+N22CH+H2+N2=>2NH+CH3CH+2NH=>N2+H2+CH4O+N2+HO2=>2NO+H+O52NO+H=>N2+HO26H2+OH=H2O+H7H2+O=H+OH8H+O2=O+OH9N2+O2=>2O+N210H2+2O=>O2+H211H2+2H=2H212H+O2=HO213H+HO2=H2+O214O+HO2=OH+O215CO+HO2=CO2+OH16CO+OH=CO2+H17CH+O=CO+H18CH+OH=CO+H219CH+NO=NH+CO20N2+2CH=C2H2+N221C2H2+O2=2CO+H222N2+O=N+NO23N+O2=NO+O24N+OH=NO+H25NH+NO=N2O+H26N2O+OH=N2+HO227N2O+O=2NO28N2O+O=N2+O229N2O+H=N2+OH30NH+O=NO+Hβ/(m ol e/(s m3)4.35×1031.00×1091.95×1091.60×1032.50×1041.17×1052.50×1094.00×1081.00×10121.00×10122.00×10111.00×1096.50×1072.50×1075.80×1071.51×1013.00×1063.00×1071.00×1051.00×1083.00×10106.50×1076.30×1033.00×1052.00×1093.20×1076.00×1086.00×1081.50×1062.50×10-2k0.51.3-11.311-0.82.6E/(k J/m ole)125.604326.57033.49415.18125.12075.362511.79096.020-3.17325.12079.549314.01026.376118.067118.067(2)裂解一旦发生,将产生大量非常活跃的H。
