低排放燃烧室化学反应器网络模型的参数化

刘　闯，李鹏飞，刘　勇，朱冬清，金仁瀚

（南京航空航天大学江苏省航空动力系统重点实验室，南京210016）

低排放燃烧室化学反应器网络模型的参数化

刘闯，李鹏飞，刘勇，朱冬清，金仁瀚

（南京航空航天大学江苏省航空动力系统重点实验室，南京210016）

为了掌握低排放燃烧室的污染物排放情况，对其化学反应网络器（CRN）模型的参数化进行研究。对爬升工况下燃烧室CFD数值模拟结果进行分析，划分燃烧室的结构，得到燃烧室的CRN模型。再利用自编程软件对燃烧室的结构参数和进口参数进行参数化定义，并把参数化的CRN模型在不同工况下的模拟结果与试验结果分别比较。结果表明：在慢车工况下二者相差不大，在爬升工况下二者差异也在允许误差范围之内。验证了该模型可行性较好，该参数化CRN模型可用于预测低排放燃烧室的污染物排放量和出口温度。

化学反应器网络模型；低排放燃烧室；CFD数值模拟；参数化；污染物排放；航空发动机

0　引言

目前，化石燃料的燃烧过程已经成为非常可靠的能量来源。燃气轮机燃烧室内的燃烧情况直接影响到燃气轮机的性能和排放。化学反应网络（CRN）会定量地提供燃烧室中氮氧化物和一氧化碳的生成结果，对燃烧室的设计、优化环节以及燃烧系统污染物排放的减少非常有帮助。

在国外，Sturgess［1］运用区域建模的思想研究了贫油预混燃烧室内的贫油熄火情况；Steele［2］构建了HP-JSR反应器，应用2个PSR串联的简单网络模型对污染物排放进行预测，预测结果与试验数据吻合得很好；Nicol等［3］运用由1个PSR和一系列PFR组成的模型，研究了在甲烷和空气预混燃烧情况下，不同的反应机理对NOX排放的影响；Sturgess和Shouse［4］运用CFD-CRN方法对燃烧室内污染排放进行了研究，CRN模型能够较好地满足流场以及化学反应计算的要求；Bengtsson［5-6］采用单个PSR和单个PFR的简单网络模型对燃气轮机燃烧室内NOx排放进行了模拟，计算结果与试验结果基本一致；Bhargava等［7］利用PSR和PFR构建了CRN模型，并研究了当量比以及压力对NOx和CO排放特性的影响；Rutar［8-9］通过PSR模型，运用GRI Mech 3.0化学动力学反应机理，成功预测了高压射流反应器下NOx和CO的排放量；Falcitelli等［10］运用通用算法构建了CRN模型，研究了影响污染物生成的因素；Mohamed和Rizk等［11-14］构建CRN网络模型研究了当量比、停留时间以及温度对CO 和NOx排放特性的影响；Novosselov［15］等对某燃气轮机燃烧室污染物的形成机理进行了详细分析，构建了复杂的CRN网络模型，详细介绍了CRN网络模型的构建过程，计算结果与试验结果高度吻合；Mancini等［16］采用同样的步骤构建了化学反应网络模型RNM，预测NOx的生成与测量结果误差在5%以内。

本文采用自编程软件实现了化学反应机理文件的解析、化学热力学平衡计算、化学反应动力学计算、CRN网络组建以及参数化计算，利用该软件建立某低排放燃烧室的参数化反应器网络模型，对燃烧室的不同工况进行模拟，并把模拟结果与试验结果进行对比，确定模型的正确性。

1　燃烧室结构

本文研究的燃烧室为低排放燃烧室，为了研究方便，把该燃烧室简化为单管圆筒燃烧室，其结构如图1所示。

该低排放燃烧室装有双环预混旋流的燃烧室头部，由主混合器、值班旋流器以及喷嘴系统等部分组成，如图2所示。以双环预混旋流（TAPS）为基础，同时引入了多点燃油直接喷射技术（MLDI）。

图1　低排放燃烧室结构

图2　TAPS/MLDI燃烧室头部

2　CFD数值模拟结果分析

本文数值模拟的进口工况为试验工况（爬升），其参数见表1。

利用Gambit软件对低排放燃烧室结构进行建模和网格划分，生成3维网格节点总数为235万，网格单元总数为855万。

在低排放燃烧室燃烧流场计算过程中，燃烧室流场计算采用隐式的分离式求解器，近壁面采用标准的壁面函数处理，湍流模型为标准k-ε模型，燃料为航空煤油，分子式为C12H23，氧化剂为空气。燃烧状态为稳态燃烧过程，燃烧过程为扩散燃烧或非预混燃烧，化学反应初始条件通过PDF文件生成。求解所用的算法为SIMPLE算法，压力方程采用2阶精度进行离散，动量、湍流动能及其耗散率、能量、混合分数、混合分数脉动均方值等方程的离散采用QUICK格式离散；把火焰筒壁面假设为固壁，按照Fluent软件的判断收敛准则，所得的计算结果的进出、口流量相对误差小于5%，全部残差小于1.0×10-3。

表1　爬升状态的计算工况

低排放燃烧室中心截面温度分布如图3所示。从图中可见，在爬升状态下燃烧室的高温区可以分为2部分：值班级高温区域和主级高温区域。值班级的燃烧属于扩散燃烧，燃油浓度较高，形成了值班级高温区域。由于主混合器径向进气方向与喷嘴喷出的燃油喷射方向相反，有利于燃油的喷射、雾化与掺混，同时主混合器内大部分燃油沿圆周共8个单点直射式喷嘴进行喷射，周向供油比较均匀，导致主混合器出口油气掺混均匀，基本上属于预混和半预混燃烧。因此，主级燃烧温度非常均匀，主级高温区的面积较小。随着冷却空气的进入，在沿燃烧室气流的流动方向上，混合气的温度逐渐降低。

图3　爬升状态燃烧室中心截面温度分布

图4　爬升状态燃烧室中心截面速度流线

低排放燃烧室中心截面速度流线如图4所示。从图中可见，回流区域可以分为2部分：主回流区（PRZ）和角回流区（CRZ）。空气流经2级轴向值班旋流器后形成旋流并与从径向旋流器流出的旋转射流相互作用，形成1个稳定的中心回流区又称主回流区（PRZ），以提供点火源保证火焰稳定。在燃烧室头部壁面附近角落处还出现角回流区（CRZ），这是燃烧室头部突扩结构造成的。来自主混合器与值班旋流器的旋转射流之间的速度差形成了剪切层，其存在有助于燃烧过程中的油气掺混。由于低排放燃烧室头部设计采用弱旋流，并且火焰筒上不存在主燃孔对回流区长度的限制，因此低排放燃烧室头部主回流区比较长。

燃烧室中心截面NOx质量分数分布图5所示，从图中可见，由于值班级的燃烧属于扩散燃烧，燃油浓度较高，燃烧温度超过1900 K，因此形成了NOx的主要生产区域；而在主级燃烧区域后面，氮氧化物的生成量很小，这是由于主级旋流器和值班级旋流器的共同作用使得主级油气掺混比较均匀，燃烧比较充分，另外，主级大量空气的进入降低了主级高温区后的反应区温度，使得温度高于1900 K的区域减小，造成NOx的生成量迅速减少。随着轴向距离增加，大量冷却空气进入燃烧室，降低了燃气的温度，抑制了热力NOx的生成，同时也稀释了来流燃气，降低了出口NOx的质量分数。

图5　爬升状态燃烧室中心截面NOx质量分数

燃烧室中心截面当量比分布如图6所示。从图中可见，主级和值班级进口处的当量比数值较大，其喷嘴喷出大小不同的油珠，形成1个油雾锥面，在油珠运动过程中不断吸热蒸发。值班级、主级的燃油油珠从喷出到完全蒸发时间约为毫秒级和微秒级，因此值班级喷入的燃油油珠的生命周期比主级的明显长，值班级火焰为扩散火焰，而主级油珠在径向旋流器空腔中就完全蒸发，进入燃烧室时已经接近预混燃烧或半预混燃烧过程。

图6　爬升状态下当量比分布

燃烧室Z=0截面Da分布如图7所示。针对燃气轮机燃烧室不同区域的模拟是用PSR还是用PFR，是由燃烧室内不同区域的化学反应尺度以及湍流尺度来决定的，即用Da（Da为特征流动时间与化学反应时间的比值）来决定。一般而言，针对多组分化学系统，因为化学反应时间的变化跨度很大，所以Da变化范围也较大。一般规定若Da＜1的区域，用PSR来模拟，而Da＞1的区域，则用PFR来模拟。从图中可见，燃烧室的前半部分Da＜1，因此，前半部分燃烧室的各部分区域大都可以用PSR来表示。燃烧室的后半部分Da＞1，因此，前半部分燃烧室的各部分区域大都可以用PFR来表示。

图7　爬升状态下Z=0截面Da分布

3　反应网络模型的设计及参数化

3.1燃烧室区域划分

在进行燃烧室区域划分时，由于燃烧室已简化为单管圆筒燃烧室，并且各工况为稳态工况，中心线上任意1个截面的流态都相同，并且该截面关于中心线对称，因此可以使用截面的一半对燃烧室结构进行划分。

从图7中可见，燃烧室前面大部分区域Da＜1，所以可以用PSR来表示，而燃烧室尾部区域Da＞1，所以可以用PFR表示。从由图3中可见，在燃烧室中部偏后的位置，温度变化不大，并且从图7、8中可知该部分的掺混比较均匀，大部分区域Da＜1。Da＞1的部分是由于大量的冷却气体进入并且不与混合物发生反应，为了简化计算，把该区域统一分为PSR。考虑到燃烧室的进口位置和流动曲线，燃烧室前部可以划分为几个反应器。从图4中可见，进口的流动可以分为2种不同的气流，分别为值班级和主级。在主级旋流器作用下，主级气流沿着靠近壁面的位置向后流动，形成1个高温区，该高温区可以利用1个PSR表示。在主级高温区的后面，气流的温度迅速降低，这样造成了流动时间变长，Da＞1，该区域可以用1个PFR表示。从图中可见，值班级的燃烧方式为扩散燃烧，燃烧区域内的当量比沿半径方向逐渐变小，需要把该区域分为3部分。在该区域中值班级入口附近，Da＞1，这是由于燃料液滴的蒸发燃烧造成的，但该区域的混合比较均匀，反应比较剧烈，所以也可以用PSR反应器表示。混合气沿轴向流动时，燃油蒸汽和空气逐渐掺混均匀。此时，混合气的当量比趋于稳定，并且混合气均来自于值班级上游的3个不同的反应器。燃烧室划分的结果如图8所示。

图8　低排放燃烧室结构划分

3.2网络模型的生成

利用自编程软件对燃烧室建模，生成低污染燃烧室所对应的CRN模型，通过对CFD模拟生成的云图观察对比，发现在燃烧室的头部区域，NOx的质量分数很高，随着气流沿轴向运动，NOx的质量分数逐渐减小，这是由于冷却气体在回流和卷吸的作用下进入燃烧室的内部反应稀释造成的。因此，需要在燃烧室中部PSR的进口处添加1个空气进口，从而得到完整的低污染燃烧室CRN结构，如图9所示。

图9　低污染燃烧室的CRN结构

3.3网络模型的参数化

网络模型的参数化提供了1个快捷的途径对燃烧室进行分区计算。可以通过输入一些初始参数得到燃烧室的出口温度和各组分的质量分数。网络模型的参数化包括空气量、燃油量和燃烧室结构的参数化。

3.3.1空气量的参数化

空气量的多少对各反应器中燃料的燃烧和污染物的生成有很大影响。随着空气流量的减少，当量比增大，燃烧状态会逐渐从贫油燃烧过渡到富油燃烧，而污染物的排放量会先增加后减少。值班级进口的燃烧方式为扩散燃烧，由于燃油与空气没有混合均匀，虽然整体的当量比小于1，但是局部的燃烧区域混合气的当量比仍然要大于1。主级进口的燃烧方式为预混或半预混燃烧，相比较扩散燃烧来说，在当量比大于1时，预混燃烧的NOx转化率会变成1个常数，而在扩散燃烧时，转化率随当量比的减小而增大。确定值班级燃烧区域的当量比大小，可以用于计算相对应燃油流量下的空气量。

从图9中可见，网络结构中空气量被分为6部分，分别是主级空气量、值班级空气量1～3、中部掺混空气量和冷却空气量。初始参数给出了主级空气流量和值班级空气流量的百分比。中部掺混空气量的百分比与油气比有关。剩余空气为冷却气量。值班级空气量2、3可以通过燃油流量和相对应的当量比计算出来。而值班级空气量1可以通过值班级总空气量与值班级空气量2、3相减得到。

3.3.2燃油量的参数化

在主级供油情况下（如爬升状态），油量的分配根据初始参数确定。燃油进口有2个，分别是主级和值班级燃油进口。在主级不供油情况下（例如：慢车状态），燃油进口为1个，即值班级燃油进口。根据图9燃油量分为2部分，分别是值班级残留油量和值班级燃油量。值班级残留油量的分配与该状态下的油气比呈一定的函数关系。

2种情况都需要对网络中值班级燃油量进行划分。3个值班级燃油进口的燃油流量按照一定比例划分，并且进口油量总和等于值班级燃油量。

3.3.3燃烧室结构的参数化

网络模型中反应器的几何尺寸可以从2个方面进行定义，即停留时间和反应器体积。在已知燃烧室的结构划分时，很容易利用反应器体积和几何尺寸进行定义。从图8中可见，网络模型中各反应器沿轴向的长度和沿径向的宽度分别与燃烧室的总长和半径有一定的比例关系，可以通过这些比例关系对网络模型中各反应器的体积容量进行量化。

为了避免采用定量方式计算燃烧室各反应区域体积所带来的误差，对燃烧室各部分的体积进行修正。每个反应区域的体积都乘以1个修正系数，然后利用优化方案对某个区间内的修正系数按照一定的间隔进行计算，在各方案中找出1组修正系数使得在该组修正系数下的模拟结果与试验结果吻合得很好。因此，对燃烧室中主级PSR1、主级PSR2、主级PFR、值班级PSR1、值班级PSR2、值班级PSR3和值班级PSR4的体积进行了修正。

由于定量假设主级PSR体积时所选用的长度比较合适，在假定修正系数时选取修正系数的范围为0.8～1.2，变化间隔为0.1，因此，每个工况都有1024组计算结果可供筛选。各反应器的体积公式见表2。

通过表2中的计算公式可以得出每个反应器的体积，进而通过给定燃烧室的直径和长度对各反应器的体积进行计算。试验工况1的优化方案如图10所示。可以同时设置多个工况进行计算，本文对5个工况进行优化。

优化方案的已知栏中设置了进口压力pi，进口温度T，燃油总量ot，空气总量at和主级燃油比例om。目标栏中设置了混合器。t代表混合器出口温度和混合器，NO代表混合器出口NOx排放量。在输入优化变量栏中，变量a1、a2、a3分别表示主级PSR1、PSR3和PFR的修正系数。由于在设置变量时，a4和a5已经用于表示其他变量，为了避免重复。用变量a6表示值班级PSR1、PSR2和PSR3的修正系数，用变量a7表示值班级PSR4的修正系数。

表2　各反应器的体积公式

图10　各工况的优化方案

3.4运行参数以及结果

首先，对燃烧室的结构进行定性划分，按比例计算出各反应器的体积。其次，对各反应器体积中的长度尺寸利用优化方案选项进行优化。最后，选择与试验值相近的优化方案作为该工况下的模拟方案。对比各工况的优化方案结果可得，当a1=0.9，a2=0.8，a3= 0.8，a6=1.1，a7=0.9时，各工况下的模拟结果与试验结果相差较小。

采用该自编程软件对低排放燃烧室出口NOx排放特性进行模拟，模拟过程中所用燃料为航空煤油的替代燃料（C12H23），反应机理采用C12H23的骨干化学反应机理。本文在不同工况下对构建的化学反应器网络模型进行验证。其中工况5为中国燃气涡轮研究院提供的试验工况，其余为在南京航空航天大学能源与动力学院燃烧试验室获取的另外1组试验数据。具体运行参数见表3，模拟结果与试验结果对比见表4。

表3　燃料和空气的进口参数

表4　模拟结果与试验结果对比

工况1～4为慢车状态下的工况，进口压力、进口温度和值班级燃油分配都相同，所以可以将这4种工况的出口温度和出口NOx质量分数进行比较。出口NOx排放量的试验值与模拟值都随着油气比的增大而增大，各工况下的模拟值都略大于该工况下的试验值。但在工况3处，试验值的曲线中有1个拐点，这可能是由于试验误差所造成的。除工况3外，在其他3个工况下，试验值与模拟值的误差都在6.3%以内。出口温度的试验值与模拟值都随着油气比的增大而升高，除工况1外，其他工况下的试验值均大于模拟值，且二者的误差都在6%以内，符合模拟要求。从表3中数据可见，处于爬升状态工况5下的进口压力和进口温度都比较大，该工况增加了主级供油并且供油量占总油量的87%，所以工况5应该与工况1～4分开单独比较。从表4中数据对比可知，工况5下NOx排放量的模拟结果与试验值非常接近，而温度的模拟结果与试验值有一定偏差，但其误差在允许范围内。

由于初始状态条件相同，比较了工况1～4的模拟值和试验值。出口NOx的变化曲线如图11所示。从图中可见，模拟值与试验值的误差相差不大，并且随着工况的变化，模拟值和试验值都会随着燃烧室的各工况变化逐渐递增。出口温度随工况的变化曲线如图12所示，模拟值与试验值都随着工况的变化呈上升趋势。

图11　出口NOx的排放量随工况变化曲线

图12　出口温度随工况的变化曲线

从图11、12中的变化趋势可以归结出油气比对出口NOx排放量和出口温度的影响，油气比增大，即是燃油比例增加，这时反应区域的当量比增大，并向最佳当量比靠近，反应更加剧烈，反应产生的温度越来越高，NOx的生成与反应区的温度有很大关系，温度越高，NOx的生成量越大，即随着油气比的增大，出口的NOx排放量增加和出口温度升高。

4　结论

对某低排放燃烧室建立参数化反应网络模型，利用Gambit软件建立3维模型，并采用CFD方法对燃烧室进行数值模拟，再用模拟结果对燃烧室结构进行划分，得到低排放燃烧室的化学反应网络模型。对模型中各反应器的体积、进口空气流量和进口燃油流量进行参数化。建立各反应器的体积与燃烧室几何尺寸之间的关系，可以使得体积随燃烧室几何尺寸的变化而变化，建立1套完整的参数化化学反应器网络模型。

（1）参数化网络模型的计算结果与试验值相差不大，验证了参数化网络模型具有一定的实际意义和参考价值。

（2）利用验证过的参数化网络模型对慢车工况进行预测，预测结果可以用于指导燃烧室的优化设计。而在爬升工况下，需要较多的试验数据才能进行验证。

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（编辑：张宝玲）

Parameterized Chemical Reactor Networks Molds of Low-Emission Combustor

LIU Chuang，LI Peng-fei，LIU Yong，ZHU Dong-qing，JIN Ren-han
（Jiangsu Province Key Laboratory of Aerospace Power System，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

In order to master the pollutant emission of a low-emission combustor，the parameters of the low-emission combustor Chemical Reactor Networks（CRN）models were studied.CFD numerical simulation on the combustor under climbing condition was carried out，the simulation results were analyzed，combustor structures were divided and the parameterized CRN models were obtained.Then the combustor structural parameters and inlet parameters were defined by self-programming software，and the simulation results and test results of the parameterized CRN models were compared under different conditions.The results under idle condition are similar，meanwhile，the comparison of results under climbing conditions are within the allowed error range，which verify the feasibility of the models.Therefore，the parameterized CRN models can be used to forecast the low-emission combustor pollutant emission and outlet temperature.

chemical reactor networks models；low-emission combustor；CFD numerical simulation；parameterized；pollutant；TAPS emission；aeroengine

V 231.2

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.02.003

2015-07-20

刘闯（1989），男，在读硕士研究生，研究方向为航空发动机程序设计和编写；E-mail：liuchuangsnail@163.com

引用格式：刘闯，李鹏飞，刘勇，等.某低排放燃烧室化学反应器网络模型的参数化［J］.航空发动机，2016，42（2）：11-16.LIUChuang，LIPengfei，LIUYong，et al.Parameterizedchemicalreactornetworksmoldsof low-emissioncombustor［J］.Aeroengine，2016，42（2）：11-16.