含濕氫氧摻混燃燒過(guò)程的三維數(shù)值模擬

高育科，彭 博，胡 巍，韓新波，李洪偉，萬(wàn)榮華

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七○五研究所，陜西 西安 710075)

0 引言

氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室部件的作用是組織氫氧燃燒，并利用燃燒后的燃?xì)饨?jīng)過(guò)噴管做功產(chǎn)生動(dòng)力，如中國(guó)長(zhǎng)征三號(hào)甲火箭第三級(jí)的YF75火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)攜帶液氫液氧，氫氣氧氣進(jìn)入燃燒室進(jìn)行燃燒，燃燒后的燃?xì)饨?jīng)過(guò)噴管做功后排出發(fā)動(dòng)機(jī)。在某應(yīng)用領(lǐng)域，氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)入口燃料含有一定的水蒸氣，含濕氫氧在燃燒室內(nèi)點(diǎn)火燃燒，燃燒后燃?xì)鉁囟群芨?，可以通過(guò)噴入冷卻水噴霧對(duì)其摻混降溫，通過(guò)摻入冷卻水噴霧不僅可以降低燃?xì)鉁囟?，防止燃燒室過(guò)熱保護(hù)燃燒室，而且可以通過(guò)調(diào)節(jié)噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)和噴水工況參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)燃燒室輸出工質(zhì)參數(shù)。

數(shù)值仿真是研究燃燒室中流動(dòng)、燃燒、摻混蒸發(fā)等過(guò)程的重要方法，通過(guò)對(duì)燃燒室中高濕氫氧摻混燃燒過(guò)程進(jìn)行三維仿真計(jì)算可以得到燃燒室中壓力、溫度、密度等物理量分布和冷卻水液滴運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程，并可通過(guò)多工況仿真探究各工況和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氫氧摻混燃燒過(guò)程的影響。

本文構(gòu)建含濕氫氧燃燒器構(gòu)型，分析其中的氣相燃燒及液滴蒸發(fā)和氣液摻混過(guò)程，氣相物理場(chǎng)計(jì)算采用k－ε湍流模型及EBU湍流燃燒模型，冷卻水噴霧液滴蒸發(fā)過(guò)程計(jì)算采用離散相模型，基于上述模型對(duì)燃燒器中燃燒摻混過(guò)程進(jìn)行三維仿真計(jì)算，經(jīng)過(guò)計(jì)算獲得燃燒器中氣相各物理量分布及液滴運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程，并針對(duì)不同參數(shù)條件下的含濕氫氧摻混燃燒過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算，獲得各參數(shù)對(duì)摻混燃燒過(guò)程的影響。

1 研究對(duì)象

仿真針對(duì)的試驗(yàn)器工作原理如圖1所示，其基本結(jié)構(gòu)為圓筒狀，入口為內(nèi)外套管式結(jié)構(gòu)，氧氣從中心圓孔進(jìn)氣，含濕氫氣從外部環(huán)狀入口進(jìn)氣，燃料進(jìn)入燃燒器后點(diǎn)火燃燒，在摻混點(diǎn)噴入冷卻水噴霧進(jìn)行摻混降溫，經(jīng)過(guò)摻混降溫的工質(zhì)排出試驗(yàn)器。其中的過(guò)程涉及含濕氫氧的射流燃燒、冷卻水噴霧液滴的蒸發(fā)及氣液兩相之間的摻混等。

圖1 含濕氫氧摻混燃燒器工作原理Fig.1 Working principle of humidity oxy-hydrogen combustion chamber

仿真針對(duì)的含濕氫氧燃燒器三維構(gòu)型中不加入噴嘴幾何模型，進(jìn)行CFD計(jì)算時(shí)在Fluent平臺(tái)內(nèi)選用Pressure－Swriling－Atomizer(壓力旋流)型噴嘴并配置噴嘴工況和結(jié)構(gòu)參數(shù)，本文仿真試驗(yàn)器中在摻混段噴嘴布置采用4個(gè)冷卻水噴嘴相互垂直布置的形式，摻混點(diǎn)處垂直軸線(xiàn)截面上噴嘴布置如圖2所示。

圖2 摻混點(diǎn)截面噴嘴布置方式Fig.2 Nozzle arrangement on blending point section

2 數(shù)學(xué)物理模型

含濕氫氧燃燒器中的過(guò)程涉及含濕氫氧的射流燃燒、冷卻水噴霧液滴的運(yùn)動(dòng)蒸發(fā)及氣液兩相之間的摻混等過(guò)程，其中的工作介質(zhì)涉及氣液兩相，因此需針對(duì)氣相和液滴相分別建立數(shù)學(xué)物理模型［1］。

含濕氫氧燃燒器中氣相工質(zhì)進(jìn)行射流燃燒并與冷卻水噴霧進(jìn)行摻混傳熱傳質(zhì)，分別選取湍流模型、湍流燃燒模型及能量方程描述氣相各過(guò)程。由于燃燒器入口為環(huán)狀直射流，燃燒器主體為圓筒狀，流動(dòng)形式較規(guī)整且流動(dòng)速度相對(duì)較低，因此湍流模型選用kε雙方程模型。純粹由動(dòng)力學(xué)因素控制的氫氧化學(xué)反應(yīng)速度很快且反應(yīng)所需的自由能較低反應(yīng)很易發(fā)生，因此燃燒器中氫氧燃燒過(guò)程主要受控于氫氧的湍流混合速率，湍流燃燒模型選用EBU(渦耗散)模型［2］。

含濕氫氧燃燒器中工作過(guò)程還涉及冷卻水噴霧射流，由于冷卻水噴霧過(guò)程中產(chǎn)生的噴霧液滴所占體積率較低，因此選用離散相模型［3］描述冷卻水噴霧液滴的運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程。含濕氫氧摻混燃燒過(guò)程中氣液兩相之間有質(zhì)量、動(dòng)量、能量等交換，基于離散相模型選用歐拉－拉格朗日方法描述高濕氫氧摻混燃燒過(guò)程，即在歐拉網(wǎng)格系統(tǒng)內(nèi)解算氣相各物理場(chǎng)，在拉格朗日坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)計(jì)算液滴的運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程，后通過(guò)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化及插值積分等操作完成氣液耦合。

3 計(jì)算方法及網(wǎng)格

三維仿真中針對(duì)氣液兩相分別選取計(jì)算方法，利用simple方法［4］在歐拉坐標(biāo)系內(nèi)計(jì)算氣相速度場(chǎng)［5］、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、壓力場(chǎng)，在拉格朗日網(wǎng)格系統(tǒng)內(nèi)采用離散相模型進(jìn)行液滴相速度、粒徑、溫度、軌跡變化，并將拉格朗日系統(tǒng)內(nèi)計(jì)算得到的液滴相結(jié)果經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化作用于氣相歐拉網(wǎng)格系統(tǒng)內(nèi)，最終利用PSIC(particle source in cell)方法完成氣液耦合［6］。

燃燒器的工作涉及射流、燃燒、摻混、蒸發(fā)等多個(gè)過(guò)程，仿真中先進(jìn)行冷態(tài)流場(chǎng)計(jì)算，之后依次計(jì)入燃燒和噴霧流場(chǎng)計(jì)算，最終得到摻混燃燒物理場(chǎng)解。三維仿真中先依據(jù)燃燒器構(gòu)型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，得到粗收斂結(jié)果后對(duì)依據(jù)選擇物理量梯度對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行自適應(yīng)細(xì)化處理［7］，再在該網(wǎng)格系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行仿真計(jì)算獲得最終解。仿真針對(duì)的邊界條件為質(zhì)量入口和壓力出口參數(shù)，冷卻水噴嘴選用Pressure-Swriling atomizer類(lèi)型，并設(shè)置噴嘴相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)。本文計(jì)算中湍流燃燒模型采用渦耗散模型，其中氫氧燃燒采用單步反應(yīng)，由于沒(méi)有中間產(chǎn)物，依據(jù)常用熱物性參數(shù)計(jì)算得到的燃?xì)鉁囟绕撸?］，采用 Rose 和 Cooper［9］等建議對(duì)各物質(zhì)比熱隨溫度變化系數(shù)進(jìn)行修正。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

1)含濕氫氧摻混燃燒過(guò)程分析

含濕氫氧摻混燃燒過(guò)程為含濕氫氣和氧氣進(jìn)入燃燒器進(jìn)行燃燒，在摻混點(diǎn)噴入冷卻水噴霧對(duì)燃?xì)膺M(jìn)行摻混降溫后排出燃燒器，燃燒器沿軸向中心截面燃?xì)鉁囟确植既鐖D3所示。氫氧燃燒主火焰區(qū)溫度高達(dá)2800 K，而通過(guò)冷卻水噴霧摻混降溫后主流燃?xì)鉁囟冉抵?200 K左右。

圖3 氫氧摻混燃燒氣相溫度分布Fig.3 Gas phase temperature distribution of high humidity oxy-hydrogen combustion

燃燒室作為動(dòng)力系統(tǒng)一環(huán)，系統(tǒng)的運(yùn)行對(duì)燃燒室出口的工質(zhì)有嚴(yán)格的要求，在燃燒室中有摻混冷卻過(guò)程時(shí)，為使系統(tǒng)運(yùn)行安全必須保證出口摻混水噴霧液滴蒸發(fā)完全。本論文計(jì)算中冷卻水噴霧采取壓力驅(qū)動(dòng)傘狀噴霧形式，噴霧液滴的速度變化如圖4所示。噴嘴出口液滴速度為25 m/s左右，逆向運(yùn)動(dòng)的液滴速度逐漸減小，如在逆向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中未蒸發(fā)完全則折返順流運(yùn)動(dòng);順流的液滴噴嘴出口速度比蒸汽主流高，由于液滴和蒸汽之間的粘性作用導(dǎo)致液滴速度逐漸降低直至達(dá)到與主流蒸汽速度相同。冷卻水噴霧液滴的溫度變化如圖5所示。由圖可知，當(dāng)液滴出噴嘴后溫度逐漸升高直至飽和溫度后保持不變。

圖4 冷卻水液滴三維速度分布Fig.4 Three-dimensional velocity distribution of cooling water droplets

圖5 冷卻水液滴三維溫度分布Fig.5 Three-dimensional temperature distribution of cooling water droplets

由圖4和圖5可知，相對(duì)主流逆向運(yùn)動(dòng)液滴大多在未達(dá)到穩(wěn)定溫度 (飽和溫度)前即蒸發(fā)完全，說(shuō)明液滴的蒸發(fā)過(guò)程較強(qiáng)，這是由于逆向運(yùn)動(dòng)的液滴與主流之間的相對(duì)速度較大，對(duì)流換熱作用較強(qiáng)，且由燃燒器內(nèi)氣相速度矢量分布圖6可知在噴嘴的兩側(cè)有2個(gè)渦，靠近頭部火焰區(qū)的渦將火焰區(qū)附近的高溫燃?xì)鈳е晾鋮s水噴嘴附近加熱噴霧液滴，靠近噴嘴下游也有渦旋將下游燃?xì)鈳е羾娮旄浇訜嵋旱危嫌螠u旋帶回的燃?xì)鉁囟容^高，因此上游逆向運(yùn)動(dòng)液滴接觸燃?xì)鉁囟容^高，下游渦旋帶至噴嘴附近的燃?xì)鉃樯嫌螄婌F冷卻過(guò)的燃?xì)庖虼藴囟容^低，所以綜合以上因素逆流運(yùn)動(dòng)的液滴蒸發(fā)作用較強(qiáng)，蒸發(fā)距離短，順流運(yùn)動(dòng)的液滴蒸發(fā)距離長(zhǎng)，因此需采取措施控制加強(qiáng)順流液滴的蒸發(fā)過(guò)程，如將傘狀噴嘴深入燃燒器一定距離，并以一定角度逆向噴射，或者設(shè)計(jì)優(yōu)化燃燒器結(jié)構(gòu)參數(shù)和噴嘴布置形式加強(qiáng)順流液滴蒸發(fā)。

圖6 氫氧摻混燃燒氣相速度矢量圖Fig.6 Gas phase velocity vector distribution of high humidity oxy-hydrogen combustion

2)入口含濕量對(duì)火焰結(jié)構(gòu)的影響

針對(duì)H2入口含濕量為0%，40%，75%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))進(jìn)行仿真計(jì)算，得到純氫氧燃燒及各含濕工況下的氫氧燃燒中心截面氣相溫度分布如圖7～圖9所示。由圖可知，燃燒器入口含濕量增加，燃燒后的燃?xì)鉁囟冉档?，燃燒區(qū)域逐漸減小，由后文燃燒反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)圖也可以得出此結(jié)論。入口蒸汽溫度低于燃燒后燃?xì)鉁囟?，在射流燃燒過(guò)程中水蒸氣吸熱，導(dǎo)致燃燒后燃?xì)鉁囟冉档?，隨著入口含濕量的增加，燃燒后燃?xì)鉁囟炔粩嘟档?，燃燒區(qū)域不斷減小，當(dāng)含濕達(dá)到一值時(shí)導(dǎo)致無(wú)反應(yīng)區(qū)火焰熄滅。

圖7 純氫氧燃燒氣相溫度分布Fig.7 Gas phase temperature distribution of oxy-hydrogen combustion

圖8 氫氧燃燒入口含濕40%氣相溫度分布Fig.8 Gas phase temperature distribution of humidity oxy-hydrogen combustion with entrance moisture 40%

圖9 氫氧燃燒入口含濕75%氣相溫度分布Fig.9 Gas phase temperature distribution of humidity oxy-hydrogen combustion with entrance moisture 75%

各工況的氫氧燃燒反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)如圖10～圖12所示。由圖可知，隨著含濕量的增大反應(yīng)區(qū)逐漸減小，當(dāng)含濕量增大到一定量值時(shí)無(wú)反應(yīng)區(qū)而導(dǎo)致火焰熄滅，這是由于入口加入的水蒸汽吸收燃燒產(chǎn)生的熱量，當(dāng)燃燒產(chǎn)生熱量不足以提供各種散熱及水蒸汽吸熱時(shí)火焰將熄滅。

圖10 純氫氧燃燒湍流反應(yīng)速率分布Fig.10 The turbulent reaction rate distribution of oxy-hydrogen combustion

圖11 入口含濕40%湍流反應(yīng)速率分布Fig.11 The turbulent reaction rate distribution of humidity oxy-hydrogen combustion with entrance moisture 40%

圖12 入口含濕75%湍流反應(yīng)速率分布Fig.12 The turbulent reaction rate distribution of humidity oxy-hydrogen combustion with entrance moisture 75%

3)摻混點(diǎn)對(duì)火焰結(jié)構(gòu)的影響

在距入口不同點(diǎn)處加入摻混對(duì)于燃燒器內(nèi)的各物理量分布有很大的影響，針對(duì)摻混點(diǎn)距入口0.3 m，0.10 m，0.05 m的工況進(jìn)行仿真計(jì)算，得到燃燒器溫度分布如圖13～圖15所示。由圖13可知，在燃?xì)馑俣容^均勻的射流燃燒區(qū)外摻入冷卻水噴霧時(shí)，燃燒器中前段燃?xì)鉁囟纫廊槐３?000 K左右的高溫，燃燒器下游主流速度較均勻燃?xì)馑俣容^低，所以傘狀噴霧液滴逆向運(yùn)動(dòng)距離相對(duì)更長(zhǎng)，摻入點(diǎn)距燃燒器出口很近，冷卻水噴霧液滴至出口時(shí)可能蒸發(fā)不完全。由于在此工況下燃燒器中摻混對(duì)高溫區(qū)無(wú)影響且出口液滴可能蒸發(fā)不完全，因此此種摻混方式不可取。

距燃燒器入口0.10 m摻入冷卻水時(shí)燃燒器內(nèi)燃?xì)鉁囟确植既鐖D14所示，經(jīng)過(guò)含濕氫氧的射流燃燒及摻混蒸發(fā)等過(guò)程，燃?xì)鉁囟茸罱K降至1200 K左右。

圖13 距入口300 mm處摻混氫氧摻混燃燒氣相溫度分布Fig.13 Gas phase temperature distribution of high humidity oxy-hydrogen combustion with blending displacement away from the entrance of 300 mm

圖14 距入口100 mm處摻混氫氧摻混燃燒氣相溫度分布Fig.14 Gas phase temperature distribution of high humidity oxy-hydrogen combustion with blending displacement away from the entrance of 100 mm

圖15為在距燃燒器入口0.05 m摻入冷卻水時(shí)燃燒器內(nèi)燃?xì)鉁囟确植?，燃燒器?nèi)經(jīng)過(guò)含濕氫氧的射流燃燒及摻混蒸發(fā)等過(guò)程，燃?xì)鉁囟茸罱K降至1200 K左右，出口溫度與圖14結(jié)果一致，此工況下頭部附近燃?xì)鉁囟戎挥?00 K左右。

圖15 距入口50 mm處摻混氫氧摻混燃燒氣相溫度分布Fig.15 Gas phase temperature distribution of high humidity oxy-hydrogen combustion with blending displacement away from the entrance of 50 mm

燃燒器內(nèi)燃料穩(wěn)定燃燒和保證燃燒效率的關(guān)鍵是燃燒區(qū)周?chē)纬傻臏u旋回流將下游高溫燃?xì)鈳е令^部附近加熱入口燃料和重新參加燃燒反應(yīng)，過(guò)于靠近頭部摻入冷卻水噴霧會(huì)破壞燃?xì)饣亓鳒u結(jié)構(gòu)，使火焰穩(wěn)定燃燒發(fā)生困難，并無(wú)法保證燃燒效率，且過(guò)于靠近頭部摻入冷卻水噴霧會(huì)使燃燒器入口段溫度很低，噴霧高速射流也有可能會(huì)嚴(yán)重影響燃燒器入口燃料射流結(jié)構(gòu)導(dǎo)致燃料無(wú)法點(diǎn)燃或穩(wěn)定燃燒。

因此建議在燃燒區(qū)域中后部加入摻混，這樣首先可以保證入口射流周?chē)娜細(xì)饣亓骺梢苑€(wěn)定點(diǎn)燃入口燃料，其次中后部加入傘狀噴霧可以對(duì)燃燒后的高溫燃?xì)庠谌紵齾^(qū)下游進(jìn)行摻混降溫，且逆向射流可以冷卻燃燒器入口近壁面區(qū)域，防止入口附近壁面過(guò)熱。因此在本文仿真工況下，摻混點(diǎn)與燃燒器入口距離宜選取0.10 m左右。

5 結(jié)語(yǔ)

1)本文通過(guò)三維仿真研究含濕氫氧燃燒器中摻混燃燒過(guò)程，獲得燃燒器中氣相各物理量分布和液滴運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程，分析摻混燃燒過(guò)程中氣液兩相的變化過(guò)程。

2)通過(guò)對(duì)不同的燃燒器入口含濕工況和冷卻水摻混工況進(jìn)行仿真計(jì)算，發(fā)現(xiàn)氫氧燃燒氫氣入口含濕會(huì)導(dǎo)致火焰區(qū)變小，隨著含濕量的繼續(xù)增加，入口蒸汽吸熱量增加，火焰穩(wěn)定性降低直至熄滅;摻混點(diǎn)在燃燒反應(yīng)區(qū)外，冷卻水摻混對(duì)上游高溫燃?xì)鉄o(wú)影響，摻混點(diǎn)過(guò)于靠近頭部會(huì)破壞頭部回流結(jié)構(gòu)并使頭部處于低溫影響火焰穩(wěn)定燃燒，經(jīng)分析摻混點(diǎn)宜選取在燃燒區(qū)域中后部，既保證火焰周?chē)亓鲌?chǎng)使火焰穩(wěn)定燃燒，又能對(duì)上下游高溫燃?xì)舛歼M(jìn)行摻混降溫。

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