乙烯-氧化亞氮層流預(yù)混燃燒過程研究

李智鵬，孫海云，蔣榕培，王亞軍，劉江強(qiáng)，劉朝陽

(北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所 航天綠色推進(jìn)劑研究與應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100074)

0 引言

層流火焰?zhèn)鞑ニ俣茸鳛槿紵龑W(xué)中一個重要參數(shù)，它不但包含了燃燒混合物放熱特性和燃燒反應(yīng)擴(kuò)散等諸多信息，同時也影響著其他重要的燃燒特性，例如湍流火焰結(jié)構(gòu)，火焰空間分布和湍流火焰速度等。

在發(fā)動機(jī)燃燒室中，燃燒室的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性都與層流火焰?zhèn)鞑ニ俣认嚓P(guān)，因此準(zhǔn)確得到層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?，對于燃燒室設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵[1～6]。

C2H4-N2O預(yù)混體系推進(jìn)劑是一種以氧化亞氮(N2O)和小分子碳?xì)淙剂匣炫涠傻木哂须p組元推進(jìn)劑高比沖特征的新型推進(jìn)劑。相比于N2O單組元推進(jìn)劑，C2H4-N2O預(yù)混體系中碳?xì)淙剂系募尤氩粌H使原有比沖提高100 s，還擴(kuò)大了推進(jìn)劑的液態(tài)范圍。而相比于以氧化亞氮為氧化劑的雙組元推進(jìn)劑，C2H4-N2O預(yù)混體系的動力系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上相對簡單，符合當(dāng)今空間發(fā)動機(jī)小型化的發(fā)展需求。通過國外對C2H4-N2O研究可知，C2H4-N2O是一種兼具了高比沖、綠色無毒、低冰點(diǎn)、易貯存、安全和推力系統(tǒng)簡單等優(yōu)良性能的新型推進(jìn)劑，它的優(yōu)良性能對于減輕運(yùn)載器質(zhì)量、提高有效載荷、降低使用維護(hù)成本等方面具有顯著效應(yīng)。這種新型推進(jìn)劑能很好的適用于目前航天飛行器高性能、綠色環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡單、低成本的要求，國外計(jì)劃將C2H4-N2O預(yù)混推進(jìn)劑用于深空探測飛行器、火星探測、月球著陸器、衛(wèi)星軌道轉(zhuǎn)移發(fā)動機(jī)、飛船返回艙、小型載人航天飛行器、商業(yè)飛船和國際商業(yè)發(fā)射等領(lǐng)域。同時對近幾年國外對C2H4-N2O預(yù)混體系研究可以看出，C2H4-N2O預(yù)混體系的發(fā)動機(jī)試驗(yàn)和航天器的設(shè)計(jì)步伐正逐步加快，相信在可預(yù)計(jì)的將來，C2H4-N2O預(yù)混體系推進(jìn)劑以優(yōu)異的性能必然成為航天發(fā)展過程中極為重要的推進(jìn)劑而得到大力的發(fā)展和推廣[7]。

針對N2O預(yù)混體系，以往的工作大部分側(cè)重于H2-N2O混合氣體的研究，涉及著火延遲時間、層流火焰速度、爆轟波速度、爆轟波胞格尺寸等參數(shù)的測量和計(jì)算，除了氫氣之外，也有少量關(guān)于C2H2-N2O和C3H8-N2O的燃燒基礎(chǔ)研究[8～12]。關(guān)于C2H4-N2O體系的燃燒基礎(chǔ)研究很少，目前未見文獻(xiàn)系統(tǒng)研究C2H4-N2O體系的火焰?zhèn)鞑ニ俣取Ｒ虼擞斜匾_展C2H4-N2O體系的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊幕A(chǔ)研究。通過研究C2H4-N2O預(yù)混體系的燃燒特性，掌握燃燒規(guī)律及特性，對于發(fā)動機(jī)的研制具有重要意義。

1 C2H4-N2O層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扔?jì)算方法

目前關(guān)于C2H4-N2O燃燒的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理主要有兩個：一個是南加州大學(xué)USC 機(jī)理；另一個是Konnov教授的Version5.0機(jī)理。由于Konnov Version 5.0機(jī)理的剛性很大、數(shù)值模擬收斂性差，所以在計(jì)算中采用USC機(jī)理[4,9]。同時采用CHEMKIN中的PREMIX模塊來模擬C2H4-N2O體系層流火焰?zhèn)鞑ミ^程。PREMIX模塊主要用來研究等壓條件下自由傳播的一維、平面、穩(wěn)定的預(yù)混火焰，能夠得到詳細(xì)的組分場、溫度場以及速度場等，廣泛應(yīng)用于預(yù)混氣體火焰速度計(jì)算。該模塊的控制方程如下[6,9,13]：

連續(xù)性方程

M=ρμA

(1)

能量方程

MdTdx-1CpddxλAdTdx+ACpk= 1KρYkVkCpk+ACpk=1kωkhkWk-q```=0

(2)

組分方程

MdYkdx+ddxρYkVk+AωkWk=0

(3)

狀態(tài)方程

ρ=pWRΤ

(4)

式中：x為空間坐標(biāo)；M為質(zhì)量流率；T為溫度；p為壓力；μ為預(yù)混氣體速度；ρ為預(yù)混氣體密度；Yk為組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù) ；Wk為組分的摩爾質(zhì)量 ；W為預(yù)混氣體的平均摩爾質(zhì)量；R為理想氣體常數(shù)；λ為預(yù)混氣體的導(dǎo)熱系數(shù)；Cp為預(yù)混氣體的定壓比熱；Cpk為組分的定壓比熱 ；hk為組分的焓 ；Vk為組分的擴(kuò)散速度；ωk為單位體積內(nèi)種組分的化學(xué)反應(yīng)生成摩爾速率；A為預(yù)混氣體流動的橫截面積(默認(rèn)值為1)；q```為輻射熱損失。

模型以反應(yīng)器的C2H4-N2O混合氣的進(jìn)氣速率、氣體成分、混合氣濃度、壓力和溫度等邊界條件為輸入?yún)?shù)，計(jì)算層流預(yù)混火焰中火焰?zhèn)鞑ニ俣?、組分和溫度分布等。在模擬計(jì)算中，梯度GRAD=0.15，曲率CURV=0.15，空間步長為0.01 cm，計(jì)算步長1×10-6s，網(wǎng)格總數(shù)為200。引用阻尼牛頓法求解預(yù)混火焰控制方程組，采用中心差分格式求解擴(kuò)散項(xiàng)，采用迎風(fēng)差分格式求解對流項(xiàng)。前一步和后一步求解結(jié)果的相對誤差值小于0.000 1[14]。

在計(jì)算模型中，采用生成速率和敏感性分析兩種方法分析化學(xué)動力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律。生成速率分析(rate-of-production analysis，ROP)可以用于確定每個基元反應(yīng)對一種物質(zhì)生成或消耗的貢獻(xiàn)率，辨別反應(yīng)體系中的速控基元反應(yīng)。敏感性分析(Sensitivity Analysis)是指反應(yīng)模型的各參數(shù)對求解結(jié)果的影響，能夠直觀地分析基元反應(yīng)、反應(yīng)組分、反應(yīng)條件等因素對系統(tǒng)反應(yīng)參數(shù)變化的敏感程度，根據(jù)結(jié)果可以簡化反應(yīng)機(jī)理[15-16]。

2 結(jié)果與討論

2.1 C2H4-N2O層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠?jì)算

采用此方法計(jì)算了25 ℃下，壓力分別為0.1 MPa，0.5 MPa，1 MPa和1.5 MPa，N2O/C2H4質(zhì)量比分別為6∶1，7∶1，8∶1，9∶1，10∶1，11∶1和12∶1時C2H4-N2O預(yù)混氣層流火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

層流火焰?zhèn)鞑ニ俣仁穷A(yù)混氣燃燒最重要的參數(shù)，主要與混合氣濃度、溫度、壓力和燃料成分有關(guān)。圖1給出了在不同壓力時預(yù)混層流火焰?zhèn)鞑ニ俣入S當(dāng)量比的變化關(guān)系。由圖1可知，層流火焰速度與混合氣初始壓力存在反比關(guān)系。這主要是因?yàn)樵诘蛪合?，火焰產(chǎn)生火球的表面比較光滑，著火面較?。浑S著壓力升高，火球表面會出現(xiàn)較多的紋路，著火面也變厚，從而導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑プ枇^大，使得C2H4-N2O層流火焰?zhèn)鞑ニ俣入S壓力增加而減小。另外，在所研究的壓力范圍內(nèi)，在氧燃混合比8時，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到最大值。偏離該當(dāng)量比時，不管混合氣富氧燃燒還是富燃燃燒，層流燃燒速率均減小[3,17]。

最大火焰溫度是指層流火焰?zhèn)鞑ミ^程在某一個軸向位置達(dá)到的最大火焰溫度。它表示了反應(yīng)混合物的放熱性能，對火焰?zhèn)鞑ニ俣扔兄匾挠绊??；旌蠚猱?dāng)量比和初始邊界條件對最大火焰溫度的影響較大。圖2給出了C2H4-N2O混合氣最大火焰溫度隨當(dāng)量比的變化關(guān)系。由圖2可知，在氧燃混合比為7時，最大火焰溫度達(dá)到峰值。在混合氣初始溫度一定時，絕熱火焰溫度隨混合氣體壓力增高而上升，這是由于壓力增加時，離解的作用減弱所導(dǎo)致[3,18]。

圖1 不同當(dāng)量比與壓力下的C2H4-N2O層流火焰?zhèn)鞑ニ俣菷ig.1 Laminar flame propagation speed of C2H4-N2O at different equivalence ratios and pressures

圖2 不同當(dāng)量比與壓力下的C2H4-N2O 預(yù)混火焰的最大火焰溫度Fig. 2 Maximum temperature of C2H4-N2O premixed flame at different equivalence ratios and pressures

燃燒質(zhì)量流率是另一個重要的參數(shù)，它是密度與速度的乘積，包含了可燃混合氣反應(yīng)能力和放熱容量的基本信息，如圖3所示。從圖3看出，初始壓力增大，燃燒質(zhì)量流率增加。盡管壓力增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小，但由于壓力增加引起末端混合氣的密度增加幅度更大，因此燃燒質(zhì)量流率也隨之增加。從圖3中還能夠看到，隨著當(dāng)量比的增加，燃燒質(zhì)量流率先是增加后又減少，在氧燃混合比8時達(dá)到最大值。偏離該當(dāng)量比，不管混合氣是濃稀，燃燒質(zhì)量流率均降低。這與已經(jīng)得到的火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓内厔蓊愃啤?/p>

圖3 不同當(dāng)量比與壓力下的C2H4-N2O 預(yù)混火焰的燃燒質(zhì)量流率Fig.3 Combustion mass flow rate of C2H4-N2O premixed flame at different equivalence ratios and pressures

2.2 C2H4-N2O層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葴y量

圖4為層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葴y量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括4個部分：帶預(yù)熱的雙腔泄壓式球形火焰燃燒器、光學(xué)紋影系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)，其中帶預(yù)熱的雙腔泄壓式球形火焰燃燒器是最核心的部分。球形燃燒器由2個同心圓柱腔體組成，分為內(nèi)腔和外腔，內(nèi)外腔內(nèi)徑分別為10 cm和28 cm，內(nèi)外腔的長度分別為15.3 cm和30.5 cm。本實(shí)驗(yàn)臺使用彈簧壓桿密封裝置來實(shí)現(xiàn)內(nèi)外腔之間的密封與排氣。內(nèi)外腔之間沿周向均勻布置4排排氣孔，每排有3個，彈簧壓桿密封裝置通過螺紋緊固于排氣孔上。通過彈簧和蓋板固定住內(nèi)部的壓桿，使得壓桿只能在內(nèi)腔壓力大于外腔壓力和彈簧壓力之和后才能向上推動彈簧排氣。密封壓桿能夠在配氣時有效密封內(nèi)外腔，同時能夠迅速地降低內(nèi)腔由于燃燒而導(dǎo)致的壓力膨脹。由于外腔體積遠(yuǎn)大于內(nèi)腔體積，所以即使在高壓工況下內(nèi)腔氣體排出至外腔也不會導(dǎo)致外腔氣體壓力明顯上升，由此使得高壓試驗(yàn)的安全性和穩(wěn)定性得到了顯著提高。并且由于內(nèi)腔壓力能夠及時排出，內(nèi)腔壓力升高不明顯，在內(nèi)腔燃燒的前期可以認(rèn)為火焰是在定壓條件下傳播的。經(jīng)出廠測定，本燃燒器能夠承受4.0 MPa的氣壓和5.0 MPa的水壓，同時能夠承受200 ℃的預(yù)熱溫度。

實(shí)驗(yàn)中快速傳播的球形火焰紋影圖像被高速照相機(jī)記錄。通過使用Matlab圖像處理程序，處理得到球形火焰發(fā)展過程中每過0.125 ms時刻的半徑，隨后二次或三次曲線擬合球形火焰半徑隨時間的變化關(guān)系，去除腔內(nèi)擾動的影響。通過測量一把已知寬度的尺子在紋影圖像中的寬度，然后相互轉(zhuǎn)換來標(biāo)定紋影圖像的球形火焰的真實(shí)尺寸，重復(fù)多次測量保證精度。

圖4 高溫高壓層流火焰?zhèn)鞑ヌ匦匝芯繉?shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4 Experimental system for propagation characteristics of high-temperature and high-pressure laminar flame

測量了25 ℃和0.1 MPa下，N2O/C2H4質(zhì)量比為9∶1的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋瑘D5是高速攝像機(jī)拍攝的球形火焰?zhèn)鞑ゼy影圖像。根據(jù)火焰紋影圖像可以得到拉伸率與已燃物質(zhì)的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊年P(guān)系曲線，如圖6綠線所示。取其中的線性段外推到拉伸率為零處，即可得到。再乘以密度比，就可以得到未燃物的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?。未燃物的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠?jì)算值與測量值匯總在表1。從表1中可以看出，25 ℃和0.1 MPa下N2O/C2H4質(zhì)量比為9∶1的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葴y量值為117.85 cm/s，計(jì)算值為107.55 cm/s，相對誤差為8.74%。

圖5 球形火焰?zhèn)鞑D像Fig.5 Propagation pictures of spherical flame

圖6 拉伸率與已燃物質(zhì)火焰?zhèn)鞑ニ俣菷ig.6 Tensile rate and flame propagation velocity on the side of combusted object表1 計(jì)算值與測量值的對比Tab.1 Comparison between calculated value and measured value

組分C2H4:N2O計(jì)算值/(cm·s-1)107.55測量值/(cm·s-1)第1次第2次119.61116.09均值/(cm·s-1)117.85相對誤差8.74%

圖7給出了不同燃料與N2O的火焰?zhèn)鞑ニ俣缺容^。其中實(shí)線是基于USC機(jī)理的計(jì)算值，散點(diǎn)是測量值。C2H2-N2O的測量值來自于文獻(xiàn)[19]，C2H4-N2O的測量值出自本實(shí)驗(yàn)。從圖7中可以看出，在相同的質(zhì)量比下，乙烷的火焰?zhèn)鞑ニ俣茸钚?，乙炔的火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲?。在不同?dāng)量比下C2H2-N2O的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葴y量值都大于計(jì)算值，在當(dāng)量比等于1時，相對誤差為7.88%，與本實(shí)驗(yàn)的8.74%非常接近。USC機(jī)理是基于碳?xì)淙剂显诳諝庵腥紵l(fā)展起來的，它的NOx子模型主要用于預(yù)測碳?xì)淙剂?空氣燃燒產(chǎn)物中NOx的生成，會低估CxHy-N2O體系的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

圖7 C2H2-N2O, C2H4-N2O, C2H6-N2O 火焰?zhèn)鞑ニ俣葘Ρ菷ig. 7 Comparison of flame propagation speed of C2H2-N2O, C2H4-N2O and C2H6-N2O

3 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬研究了乙烯與氧化亞氮預(yù)混氣體的火焰?zhèn)鞑ヌ匦?，并?jì)算了常壓和高壓下C2H4-N2O預(yù)混體系的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，得到以下主要結(jié)論：

1)C2H4-N2O層流火焰?zhèn)鞑ニ俣入S壓力增加而減小，在0.1 MPa當(dāng)量比為1.18時，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到最大值為110.14 cm/s；

2)C2H4-N2O的火焰溫度隨壓力的增加而升高，在同等壓力下，C2H4-N2O火焰溫度隨當(dāng)量比的增加先升高后減小，在1.5 MPa當(dāng)量比為1.35時，最大火焰溫度達(dá)到峰值為3 401 K。

3)C2H4-N2O體系隨著當(dāng)量比的增加，燃燒質(zhì)量流率先增加后減少，在1.5 MPa當(dāng)量比為1.18時達(dá)到最大值為2.3 μg/cm2·s。