燃烧模型与模拟

发动机的燃烧模型和数值模拟近年来,在国外,尤其是美国,相继开展了微动力机电系统(Power MEMS) 和微型发动机(Micro2engine) 的研究工作[1～3 ] . 微型发动机,如微型涡轮机,微转子发动机,微火箭发动机等是微动力机电系统的核心装置,其共同特征是利用碳氢燃料,在一个微型的燃烧器中

燃烧放热. 使用碳氢燃料的微型发动机即使在热效率很低的情况下

也具有比现有的电池高出比较高的能量密度. 从动力机械发展的历

史进程看,每当能源装置的能量密度产生一个飞跃,都会给社会的发

展和经济带来深远的变革. 18 世纪的蒸汽发动机,以01005W/ g 的能量密度为标志,引发了当时的工业革命. 从19 世纪到20 世纪中叶,

内燃机的发展使能量密度达到了0105 ～110 W/ g , 从而使整个交通运输

发生了巨变. 20 世纪发明的航空航天发动机使能量密度进一步上升到10 W/ g. 喷气式飞机大大地缩短了整个世界的距离. 微动力装置的能量密度将冲破100 W/ g的大关.

可以说,它是动力机械发展的第四个里程碑,给现代社会带来的影响

将是重大而深远的.

微型发动机的研究尚处于起步阶段,微型发动机热力循环的选择、燃烧系统的研究尚处于探索之中. 当前微型发动机的几个主要发展

方向有微型涡轮机、三角转子发动机和采用新材料直接将热能转化为电能的发动机. 本文对微型发动机中的燃烧进行了模拟计算,

图1 为MIT 研究开发的微型涡轮机的结构示意.

图1

1 —火焰稳定器;

2 —扩散叶片;

3 —转子叶片;

4 —进气口;

5 —启动器;

6 —燃料喷孔;

7 —燃料汇流腔;

8 —燃烧室;9 —排气口;10 —转子中心线;

11 —涡轮转子叶片; 12 —涡轮导向叶片

该发动机主要由压缩器、燃烧室、涡轮和启动电动机/ 发电机组成. 由于以光刻技术为基础的微加工方法更适合于二维或准二维结构的几何形状,同时从减少传热损失的考虑出发,本文选择了环形燃烧(图2) 作为模拟计算的对象.

环形燃烧室如图

图2

一、燃烧模型

燃烧模型考虑氢气和空气的化学反应,化学反应中的生成物和产生的能量分别在元素和能量守恒方程式中的源项中给出,从而使支配方程式封闭. 在数值燃烧模拟中,比较成熟和被广泛采用的燃烧模型包括涡破碎模型(eddy2break2up) [4 ] 和阿累尼乌斯有限反应速率模型(Arrhenius finite reaction rate) [5 ] . 涡破碎模型适合于反应物的紊流扩散和混合起支配作用的化学反应过程,而阿累尼乌斯有限反应速率模型则适合于化学反应动力学为支配因素的化学反应过程. 因此,在微型发动机的燃烧过程中,采用阿累尼乌斯有限反应速率模型即

A 、α和β为模型常数; mfu 和mox 为燃料、空气质量分数;

E为化学反应的活化能;ρ、T 和R为密度、温度和气体常数.

二、燃烧模拟

由于以光刻技术为基础的微加工方法更适合于二维或准二维结构的几何形状,同时从减少传热损失的考虑出发,本文选择了“炸面包圈”式的环形燃烧室作为模拟计算的对象. 选择氢气作为燃料,理想配比下氢气与空气燃烧的化学反应方程式为

H2 +12(O2 + 3. 76 N2) = H2O + 1. 88N2 (1)

在数值模拟中,流动和燃烧反应由质量、动量、能量和化学组分的守恒方程描述, 并与燃烧反应模型联立求解. 选择粘性层流流动模型,以张量表示的支配方程一般形式为

ρ为燃气混合物的密度; ui 为i 方向的速度分量;t 为时间间隔; < 可表示为下列各个变量:1) 3 个方向的速度分量;2) 化学元素mi 的质量分率;3) 焓h. 各

个变量的扩散系数Γ< 和源项S < 的表达式在表1 中列出,其中Sc 为Schmit 数; Hc 为燃烧热; Pr 普朗特数。

同时还可以得到一些燃烧室的基本参数如下：

三、边界条件及其计算方法

在数值计算中,氢气和空气的进口速度由质量流率给出,各个变量的出口条件由背压(大气压) 及质量守恒决定,壁面采用无滑移速度,考虑对流和辐射传热损失. 采用CFD 软件包FLUENT 进行模拟,采用非结构式网格,在计算过程中收敛条件规定各个支配方程迭代计算的余量至少小于10- 4 .

影响燃烧的因素主要有: 燃烧室的形状和尺寸;燃料种类;质量流率;燃料空气比;壁面材料. 在模拟中分别选择了不同的燃烧室尺寸、质量流率、燃空比和壁面材料以分析这些因素对燃烧的影响情况. 最后通过模拟计算的结果可以做出燃烧室出口平均温度在不同燃空比下模拟结果，传热和辐射损失对燃烧室最高温度和平均温度影响的模拟的模拟结果.

通过模拟还可以模拟得到的A型燃烧室通过中心横截面上的温度场分布模拟结果如下图所示：

通过这些计算的结果分析就可以得到燃烧室在这种状态下的一些模拟参数为燃烧室的开发提供新的技术支持，可以减少计算量以及可以合理的设置实验参数。