增程器微燃燒室氫－空氣燃燒特性研究

翟國凡，董志強(qiáng)，連晉毅，郭銳

增程器微燃燒室氫－空氣燃燒特性研究

翟國凡，董志強(qiáng)*，連晉毅，郭銳

（太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

某新型燃?xì)湮⑿腿細(xì)廨啓C(jī)作為電動(dòng)汽車增程器，綜合了其高效率低排放的特點(diǎn)，燃燒室作為核心部件之一，其性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)的效能。針對系統(tǒng)要求的燃燒室結(jié)構(gòu)，通過SolidWords對燃燒室結(jié)構(gòu)建模，并以Fluent進(jìn)行仿真。為使燃燒室達(dá)到最佳性能，比較了不同氫/空氣當(dāng)量比下的燃燒火焰和NO分布情況，著重研究了燃燒溫度對于NO形成的影響以及燃燒效率和出口處NO排放特性之間的關(guān)系，結(jié)果表明：在當(dāng)量比為0.4～0.6時(shí)，燃燒效率可達(dá)到98.71%～99.04%，出口處NO質(zhì)量濃度保持在5.36 ppm～20.22 ppm。所得結(jié)果對于該燃燒室的進(jìn)一步設(shè)計(jì)以及其他微型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的設(shè)計(jì)都具有指導(dǎo)意義。

微型燃?xì)廨啓C(jī)；燃燒室；當(dāng)量比；燃燒溫度；燃燒效率；NO排放

前言

目前使氫氣轉(zhuǎn)換為汽車動(dòng)能主要有兩種方式：一是氫氣用作燃料燃燒做功，二是氫氣用于燃料電池。但燃料電池系統(tǒng)通常要求99.99%～99.999%的高純度氫；而用氫氣作為內(nèi)燃機(jī)燃料，既對氫氣純度要求不高，且氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率較高，綜合效率與燃料電池效率相當(dāng)，生產(chǎn)及使用成本低，在使用性能、成本等方面更具優(yōu)勢，在與空氣為氧化劑做燃燒反應(yīng)時(shí)，其尾氣中的NO是燃燒系統(tǒng)的主要污染物來源[1]。

微型燃?xì)廨啓C(jī)綜合熱效率在80%以上，作為電動(dòng)汽車增程器，其功率設(shè)定在100 kW，基本技術(shù)特征是采用空氣軸承連接的向心透平和離心壓氣機(jī)以及三個(gè)具有一定彎曲角度的燃燒室結(jié)構(gòu)。燃燒室作為其中重要一環(huán)，近年來學(xué)者們對于燃燒室構(gòu)型設(shè)計(jì)與氫－空氣的燃燒特性做了許多研究[2-8]。

Dmitry Pashchenko[9]研究了所建立的數(shù)值模型在二維軸、二維平面和三維不同幾何類型下的氫氣/空氣燃燒特性；Ekenechukwu C.Okafor等[10]通過對燃燒器設(shè)計(jì)及燃燒技術(shù)的研究，以實(shí)現(xiàn)氨燃燒室的低NOx排放；王慶五等[11]提出了微型燃燒室設(shè)計(jì)方法，主要確定3個(gè)方面的數(shù)據(jù)：長度、內(nèi)外筒直徑和內(nèi)外筒上孔的分布；Chen Hai等[12]研究了改進(jìn)的帶前腔的平面微燃燒室和原燃燒室在不同進(jìn)氣速度和等效比下預(yù)混氫氣/空氣火焰的燃燒性能，討論了前空腔高度和長度對外壁溫度和效率的影響；袁有志等[13]對微型環(huán)形燃燒室內(nèi)部流場進(jìn)行模擬，并與一成熟應(yīng)用的微型燃燒室比較進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

為使燃燒室在最佳工況下穩(wěn)定運(yùn)行，本文在確定燃燒室基本簡化模型的基礎(chǔ)上，主要研究了燃燒溫度對NO形成的影響以及不同氫/空氣當(dāng)量比對于燃燒效率和主要污染物NO排放的影響。

1 燃燒室模型及參數(shù)設(shè)置

1.1 燃燒室物理模型

為了適應(yīng)增程器的整體結(jié)構(gòu)要求，參考了環(huán)管式燃燒室的單個(gè)火焰筒結(jié)構(gòu)，并對其進(jìn)行了修改，如圖1所示。

圖1 燃燒室物理模型

從距離火焰筒進(jìn)口40 mm和出口50 mm處的中間部位進(jìn)行彎曲，彎曲角度設(shè)置為60°。其中氫氣與沿氫氣入口一周布置的四個(gè)流經(jīng)旋流器空氣入口中的空氣進(jìn)行混合燃燒；另一部分空氣通過一次空氣射流孔與未燃燒的氫氣進(jìn)行混合燃燒，剩余空氣從二次空氣摻混射流孔流入與燃?xì)饣旌鲜沟萌細(xì)鉁囟确植几鶆颉?/p>

1.2 Fluent仿真模型

流動(dòng)模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型；燃燒模型選擇非預(yù)混燃燒中絕熱穩(wěn)態(tài)火焰擴(kuò)散模型（Steady Diffusion Flamelet），并在該模型中導(dǎo)入GRI-Mech3.0反應(yīng)機(jī)理文件，該機(jī)理包含的氫氧反應(yīng)子模型可以很好地預(yù)測氫氣和空氣的燃燒過程[14-16]；NOx模型選擇熱力型。因此，其控制連續(xù)性方程如下：

該方程是質(zhì)量守恒方程的一般形式，使用于可壓縮流動(dòng)和不可壓縮流動(dòng)。

動(dòng)量守恒方程如下：

式中：為靜壓；τ為應(yīng)力張量；g和F分別為方向上的重力體積力和外部體積力；F包含了其他模型的相關(guān)源項(xiàng)。

能量守恒方程如下：

物種運(yùn)輸方程如下：

式中：Sc表示湍流施密特?cái)?shù)，μ表示湍流黏度，D表示湍流擴(kuò)撒系數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型如下：

式中：G表示由于平均速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，G表示由于浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，Y表示可壓縮湍流中脈動(dòng)膨脹對總耗散率的貢獻(xiàn)，1ε，2ε，3ε表示常量，?和?是k和的湍流普朗特?cái)?shù)。

燃燒模型控制方程如下：

在絕熱系統(tǒng)中密度加權(quán)平均物種質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度可以計(jì)算為：

其中：

這里：

熱力型NOx的形成是由一系列高度依賴溫度的化學(xué)反應(yīng)形成的，支配分子氮形成熱力型NOx的主要反應(yīng)是：

1.3 數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置

表1 邊界條件參數(shù)表

當(dāng)量比氫氣入口量/(kg·s-1)空氣入口總流量/ (kg·s-1) φ=0.41.0×10?58.63×10?4 φ=0.61.0×10?55.75×10?4 φ=0.81.0×10?54.31×10?4 φ=1.01.0×10?53.45×10?4 φ=1.21.0×10?52.88×10?4 φ=1.41.0×10?52.47×10?4 當(dāng)量比一次射流孔總流量/(kg·s-1)二次摻混孔總流量/(kg·s-1) φ=0.49.0×10?56.0×10?5 φ=0.69.0×10?56.0×10?5 φ=0.89.0×10?56.0×10?5 φ=1.09.0×10?56.0×10?5 φ=1.29.0×10?56.0×10?5 φ=1.49.0×10?56.0×10?5

模型所需的基本參數(shù)設(shè)置包含在表1中，表中主要內(nèi)容不同當(dāng)量比下的入口邊界條件，其中氫氣入口溫度為300 K、入口壓力位101 kPa，空氣入口溫度為456 K、入口壓力為303 kPa，一次射流孔與二次摻混孔流量保持不變且溫度和壓力設(shè)置為456 K和303 kPa。

1.4 網(wǎng)格構(gòu)建

確定好燃燒室物理模型后，導(dǎo)入ansys-mesh模塊中劃分網(wǎng)格，并對劃分好的網(wǎng)格進(jìn)行邊界條件定義，結(jié)果如圖2所示，其中網(wǎng)格數(shù)為488 882個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為98 284個(gè)。接下來就可以將劃分完成的網(wǎng)格導(dǎo)入fluent進(jìn)行仿真。

圖2 模型網(wǎng)格劃分與邊界定義

1.5 網(wǎng)格可靠性分析

在進(jìn)行Fluent仿真時(shí)，網(wǎng)格數(shù)量和質(zhì)量對計(jì)算效率和仿真結(jié)果準(zhǔn)確性和精度有著至關(guān)重要的影響，因此進(jìn)行模型網(wǎng)格數(shù)量和質(zhì)量的檢驗(yàn)對后續(xù)燃燒仿真與結(jié)果處理顯得尤為重要[17-18]。具體方法為：在相同的參數(shù)設(shè)置及邊界條件的前提下，選取燃燒腔內(nèi)最高燃燒溫度作為參考值，通過增加網(wǎng)格數(shù)量，通過仿真直到最高溫度無明顯變化。效果如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格可靠性驗(yàn)證

從圖3可以看出，在網(wǎng)格數(shù)量為468 214個(gè)以后，最高溫度變化趨于平穩(wěn)，網(wǎng)格數(shù)量對于仿真結(jié)果幾乎無影響。因此為了提高計(jì)算效率，本文選取網(wǎng)格數(shù)為488 882個(gè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同當(dāng)量比下的火焰分布和NO分布情況

圖4為不同當(dāng)量比下燃燒腔中心平面的溫度云圖和NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖，從圖4可以看出，隨著當(dāng)量比的增加，火焰筒內(nèi)中心火焰的位置依次后移，當(dāng)量比>1.0后，隨著火焰筒內(nèi)空氣的急劇減少，氫氣在火焰筒內(nèi)愈加不能徹底燃燒，火焰中心超出燃燒腔出口位置；NO的分布在高溫燃?xì)鈪^(qū)濃度最高，隨著燃?xì)鉁囟冉档蚇O濃度也相應(yīng)降低。

2.2 溫度對NO形成的影響

為定量研究溫度對于NO形成的影響，選取當(dāng)量比φ=0.4的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，圖5為當(dāng)量比φ=0.4時(shí)火焰筒中心平面上均勻分布的100個(gè)點(diǎn)對應(yīng)的溫度與NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)散點(diǎn)圖，從圖5可以看出NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著火焰筒內(nèi)燃?xì)鉁囟鹊纳叨?，并由式?2）熱力型NO和溫度關(guān)系可知，熱力型NO主要在1 800 K以上溫度產(chǎn)生，且NO的生成反應(yīng)慢于燃燒反應(yīng)，當(dāng)溫度超過2 200 K，每升高90 K，熱力型NO熱產(chǎn)量就會(huì)成倍增長。

2.3 不同當(dāng)量比出口NO濃度與燃燒效率的綜合分析

燃燒效率是衡量燃燒室性能的重要指標(biāo)。氫氣作為唯一燃料，故可由式（13）定義燃燒效率[19-20]：

式中：C和C分別表示氫氣入口和出口處的氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖6為不同當(dāng)量下出口NO濃度和燃燒效率曲線，從圖中可以看出，出口處NO濃度隨當(dāng)量比的增加而呈現(xiàn)上升趨勢，并且在φ=1.0以后，出口處NO濃度快速增長，這是因?yàn)殡S當(dāng)量比增加，燃燒腔內(nèi)的空氣含量明顯降低，導(dǎo)致氫氣和空氣的混合距離變長，使得出口溫度急劇升高。

圖6 不同當(dāng)量下出口NO濃度和燃燒效率曲線

此外，燃燒效率隨當(dāng)量比的增加而降低，這是因?yàn)樵诋?dāng)量比較低時(shí)，空氣含量更高，氫氣和空氣的混合性能更好，因此反應(yīng)更加充分。

3 結(jié)論

（1）此新構(gòu)型火焰筒在當(dāng)量比為0.4～0.6之間時(shí)的燃燒效率可達(dá)99%左右，并且主燃區(qū)的中心火焰位置位于一次射流孔和二次空氣射流孔之間，火焰更短，燃燒室的燃燒特性好。

（2）熱力型NO高度依賴溫度，在當(dāng)量比為0.4～0.6之間時(shí)，該構(gòu)型燃燒室出口溫度低于NO主要產(chǎn)生溫度，出口截面NO含量最低，對于主要污染物的抑制效果更好。

（3）對于該燃燒室在結(jié)構(gòu)及燃燒技術(shù)的后續(xù)研究以及該燃?xì)湮⑿腿細(xì)廨啓C(jī)（增程器）的整體設(shè)計(jì)與研究提供了重要的理論依據(jù)。

[1] He X,Hou X H,Yang Q,et al.Study of laminar combustion character- istics of gasolinesurrogate fuel-hydrogen-air premixed flames[J]. International Journal of Hydrogen Energy,2019,44(26):13910-13922.

[2] 陳欣.30kW級微型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室性能研究[D].沈陽:沈陽航空航天大學(xué),2017.

[3] 劉聰.不同進(jìn)氣環(huán)境下微型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒及污染物排放特性研究[D].徐州:中國礦業(yè)大學(xué),2015.

[4] 李成勤,李新宇,郭德三.微型燃?xì)廨啓C(jī)中低熱值燃燒室設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2019,39(19):5829-5834+5911.

[5] 陳炫任,劉愛虢,楊宇東,等.微型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室燃料空氣預(yù)混特性對燃燒特性的影響[J].沈陽航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2020,37(01):8-16.

[6] 劉重陽,戴斌.湍流燃燒模型在燃燒室數(shù)值模擬中的對比分析[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究,2014,27(05):12-18.

[7] 黨帛.微型燃?xì)廨啓C(jī)環(huán)形燃燒室的數(shù)值模擬與研究[D].上海:上海交通大學(xué),2015.

[8] 楊牧歌.微型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2016.

[9] Pashchenko D.Comparative analysis of hydro-gen/air combustion CFD-modeling for 3D and 2D computational domain of micro- cylindrical combustor[J].International Journal of Hydrogen Energy, 2017,42(49):29545-29556.

[10] Okafor E C,Somarathne K D K A,Hayakawa A,et al.Towards the development of an efficient low-NOx ammonia combustor for a micro gas turbine[J].Proceedings of the Combustion Institute,2019, 37(4):4597-4606.

[11] 王慶五,魏明翔,張俊偉,等.微型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室設(shè)計(jì)計(jì)算[J].華電技術(shù),2020,42(5):24-30.

[12] Chen H,Liu W Q. Numerical study of effect of front cavity on hydrogen/air premixed combustion in a micro-combustion chamber [J].Journal of Central South University,2019,26(8):2259-2271.

[13] 袁有志,王立平,關(guān)立文.微型環(huán)形燃燒室數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,47(02):198-201.

[14] 龐福娥.氫空氣反應(yīng)機(jī)理及基礎(chǔ)燃燒特性研究[D].鄭州:華北水利水電大學(xué),2016.

[15] Duan J,Wu P,Zhu H,et al.Simplification and applicability studies of a hydrogen-air detailed reaction mechanism[J].International Jour- nal of Hydrogen Energy,2019,44(11):5538-5542.

[16] Stroehle J,Myhrvold T.Reduction of a detailed reaction mechanism for hydrogen combustion under gas turbine conditions[J].Combus- tion and Flame,2006,144(3):545-557.

[17] EJQ,Peng QG, Liu XL,et al.Numerical investigation on hydrogen/ air non-premixed combustion in a three-dimensional micro com- bustor[J].Energy Conversion and Management,2016,124:427-438.

[18] Lopez-Ruiz G,Fernandez-Akarregi A R,DIAZ L,et al.Numerical study of a laminar hydrogen diffusion flame based on the non- premixed finite-rate chemistry model; thermal NOx assessment [J]. International journal of hydrogen energy,2019,44(36):20426-20439.

[19] Wan J,Fan A,Yao H,et al.Effect of thermal conductivity of solid wall on combustion efficiency of a micro-combustor with cavities [J].Energy Conversion and Management, 2015(96):605-612.

[20] EJQ,Peng QG,Zhao X H,et al.Numerical investigation on the com- bustion characteristics of non-premixed hydrogen-air in a novel micro-combustor[J].Applied Thermal Engineering, 2017(110):665- 677.

Study of Hydrogen-air Combustion Characteristics of Range Extender Microcombustion Chamber

ZHAI Guofan, DONG Zhiqiang*, LIAN Jinyi, GUO Rui

( Taiyuan University of Science and Technology, School of Mechanical Engineering, Shanxi Taiyuan 030024 )

As a range extender for electric vehicles, a new type of hydrogen-fired micro gas turbine combines its characteristics of high efficiency and low emissions. As one of the core components, the performance of the combustion chamber directly affects the efficiency of the entire system. According to the combustion chamber structure required by the system, the combustion chamber structure is modeled by SolidWords and simulated by Fluent. In order to achieve the best performance of the combustion chamber, the combustion flame and NO distribution under different hydrogen/air equivalence ratios were compared, and the influence of combustion temperature on the formation of NO and the relationship between combustion efficiency and NO emission characteristics at the outlet were studied. The results show that when the equivalent ratio is 0.4 to 0.6, the combustion efficiency can reach 98.71% to 99.04%, and the mass concentration of NO at the outlet is maintained at 5.36 ppm to 20.22 ppm. The results obtained have guiding significance for the further design of the combustor and the design of other micro gas turbine combustor.

Micro gas turbine combines; Combustion chamber; Equivalent ratio; Combustion temperature; Combustion efficiency; NO emissions

A

1671-7988(2021)22-44-05

U464

A

1671-7988(2021)22-44-05

CLC NO.: U464

翟國凡（1994—），男，碩士研究生，就讀于太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，主要研究方向：新能源車輛設(shè)計(jì)理論與方法。

董志強(qiáng)（1976—），男，副研究員，碩士研究生導(dǎo)師，就職于太原科技大學(xué)，主要研究方向：熱流體計(jì)算與流體裝備制造、儲(chǔ)能材料的納米復(fù)合化與裝備。

山西省科技平臺(tái)計(jì)劃項(xiàng)目（201805D121005）；山西省“1331工程”重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.011