基于湍流与热释放相互作用的反应机理对采用V形稳定器稳定的燃烧器的影响

《Aerospace Science and Technology》：Influence of Reaction Mechanisms based the Turbulence and Heat Release Interaction in a Combustor Stabilized with a V-Shaped Stabilizer

航空发动机燃烧中反应机理对近吹熄状态的影响研究，基于LES-TPDF方法对比五种航空煤油反应机理，揭示回流区、剪切层及放热率受机理类型显著影响，高拉伸率削弱ARC型机理的燃料热解过程，导致自由基浓度不足无法维持燃烧，而JL4型整体机理因忽略小分子烃生成使火焰拉伸率不敏感从而稳定燃烧。

　　

方 Wang|高宇涵|沈硕|王玉东|窦丽|金杰

北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机数值模拟研究中心，中国北京100191

摘要

化学反应机制在燃烧模拟中起着关键作用，特别是在接近熄火条件下，反应与湍流的相互作用非常强烈。因此，在（Ma=0.1和Ma=0.2）钝体反应和非反应流动模拟中应用了五种煤油反应机制，以研究这些机制的影响。与以往的研究相比，本文的主要创新之处在于从热释放、湍流和化学反应相互作用的角度，研究反应机制在模拟接近熄火状态中的作用。结果表明：首先，回流区、剪切边界层和热释放速率受到机制类型的显著影响，进而影响火焰拉伸速率；其次，高拉伸速率会减弱ARC类型机制下的燃料热解过程，降低自由基和小分子烃的浓度，从而破坏燃烧反应；第三，反应层中热解产物不足，无法支持后续的氧化热释放，这是该类型机制熄火的原因；第四，尽管JL4表示的通用收缩机制在反应动力学参数方面表现不佳，但其省略了燃料热解为小分子烃的过程，使其对火焰伸长不敏感，从而能够稳定燃烧。这些发现不仅为燃烧室火焰稳定器的数值模拟中反应机制的选择提供了参考，也为机制的适用性研究奠定了基础。

引言

根据高性能航空发动机的要求，提高燃烧室温度和燃烧效率同时减少污染已成为专家和工程师的重要目标[[1], [2]]。然而，由于计算复杂性和解的数值刚性较高，直接基于详细化学模型模拟湍流火焰是不可行的[[3], [4]]。因此，分析简化的化学过程是在精度和效率之间的一种有吸引力的折中方案[5]。

目前的燃烧反应数值模拟包括两种反应方案：一种是整体反应机制，由一些经验反应组成[[6], [7], [8]]；另一种是解析简化化学（ARC）方案，通过分析大规模的详细机制来去除冗余反应和组分[[9], [10]]。

整体反应机制通过热释放来反映燃烧特性，将燃料氧化的整体反应分解为多个中间步骤和几个关键中间体。许多专家提出了有用的反应机制：Westbrook提出了一种一步反应机制和两步反应机制[11]；Dong提出了一种四步反应机制[12]；随着进一步的研究，提出了更多机制，Jones提出了以C₁₂H₂₃为平均分子式的四步七组分反应机制[13]；Franzelli根据不同的当量比改进了反应速率参数，并基于Westbrook的工作获得了应用范围更广的总包机制[14]。上述机制已广泛应用于燃烧室模拟中。然而，整体机制的过度简化限制了其应用范围，并且缺乏CO和NO_x等污染物的信息[15]。此外，基于整体机制的复杂燃烧现象模拟由于对实际反应机制的过度简化而不够准确[17]。

鉴于上述缺陷，ARC因其合理的简化和更详细的反应机制而成为新的研究热点[19]。Chang指出，大型烃燃料在燃烧特性上表现出显著相似性，这使得不同燃料分子式之间的比较成为可能[21]；Zettervall提出了以C₁₂H₂₃为分子式的Jet A-1燃料的65步不可逆反应22组分反应机制，并基于这些机制进一步提出了包含77步22组分的新的化学反应机制[22]；Wang等人提出了C₁₀H₁₂和C₁₂H₂₃的简化燃烧机制[25]；You提出了适用于正构烷烃（直到n-十二烷）的详细动力学模型，并通过实验验证了该模型的有效性，包括塞流和喷射搅拌反应器中的燃料热解、层流火焰速度以及反射冲击波后的点火延迟时间[26]；Sarathy提出了适用于C7至C20单甲基化异烷烃的详细简化化学动力学机制，用于展示甲基支链的存在如何影响重要的燃烧特性[27]。

ARC包含的准确性使其被广泛接受并用于模拟通常与复杂流场耦合的复杂反应场，例如航空发动机中的燃烧室，越来越多的专家开始通过计算流体动力学（CFD）来研究它[28]。计算方法包括直接数值模拟（DNS）、大涡模拟（LES）和雷诺平均模拟（RANS）[29]。DNS直接基于数值方法求解流体动力学的基本方程，导致大量计算。相比之下，RANS通过基于大涡和小涡之间的过滤尺度过滤Navier-Stokes方程来求解稳态流，忽略了燃烧室流场中的波动，这在一定程度上保持了精度和成本之间的平衡[30]。根据LES的优点，它已被用于结合化学反应机制的燃烧室模拟[32]。

LES与化学反应之间的耦合方法取决于不同的燃烧模式。在实际燃烧室中，燃烧状态介于预混和非预混之间，流场中某些区域会出现熄火和重新点火现象。与混合过程相比，化学反应不再是无限快的，必须考虑有限的反应速率效应[34]。为了解决这个问题，传输概率密度函数（TPDF）方法求解传输变量的概率密度函数。因此，与无限速率假设相比，基于LES的湍流燃烧数值模拟中更准确的熄火和点火过程模拟已成为当前研究的重要方向[35]。

由于LES-TPDF的有效性，许多专家基于它进行了研究并取得了成果：Hodzic等人[36]使用LES-TPDF方法研究了接近熄火条件下钝体后面的火焰，模拟结果与实验值一致。Hasti等人[37]使用LES-TPDF方法研究了反应和扩散时间尺度对喷射-热共流（JHC）CH₄/H₂火焰稳定过程的影响，在模拟的中等或强烈低氧稀释（MILD）燃烧条件下证明了LES-TPDF模拟能够更好地预测物种和温度场。所有这些都表明LES是一种高分辨率方法，可用于求解湍流。TPDF可以在不进行任何建模的情况下耦合详细的化学反应机制[38]，这在模拟化学反应起重要作用的现象中具有显著优势。多项研究证实，LES-TPDF结合详细的化学反应机制是一种高分辨率的数值模拟方法，可以同时解决湍流和化学反应，可用于研究熄火问题。

基于上述原因，本文使用了LES-TPDF与合适的化学反应机制相结合的方法，计算了熄火过程中湍流和反应强烈耦合的复杂湍流燃烧的瞬态和时间平均场。由于化学反应动力学模型对CFD流场模拟有显著影响，因此需要研究不同化学机制对详细案例的影响，为进一步研究适用于熄火模拟的机制类型提供基础。

为了实现上述研究目标，首先通过两相钝体火焰验证了该方法的有效性，包括流动方向速度和湍流动能的分布。在验证该方法有效性的基础上，获得了不同反应机制下的流动特性，包括回流区、剪切层、HRR和火焰结构，并通过物种分布、火焰拉伸速率和HRR分析了模拟中的熄火现象，为航空发动机中火焰稳定器的数值模拟提供了参考。

数学建模

本文基于AECSC（航空发动机燃烧室模拟代码）程序，该程序由北京航空航天大学能源与动力工程学院数值模拟中心开发，基于LES-TPDF方法。它适用于模拟航空发动机燃烧室中的湍流环境，并已在各种燃烧室配置的数值模拟中得到验证[39]。

LES-TPDF方法是一种

两相情况的模拟设置

本文选择了一种气相钝体模型来研究熄火规律，因为化学反应机制显著影响详细模型的熄火模拟。选择了一种实际燃烧室中的两相V型沟槽火焰稳定器模型来研究不同化学反应机制对钝体火焰稳定性的影响。

本文模拟的两相钝体条件来源于CWTF（燃烧风）中的V型沟槽火焰稳定器

Ma=0.1工作条件的分析

在本章中，模拟了Ma=0.1条件下实际V型沟槽火焰稳定器的稳态燃烧条件，并将模拟结果与实验结果进行了比较。模拟的时间平均结果是通过计算流场完全发展后两倍流动特征时间得到的。

稳定燃烧结果的分析

M0.2工作条件的模拟采用了与前一章相同的反应机制。随着雷诺数的增加，钝体燃烧环境变得更加恶劣，火焰不易稳定。模拟显示，只有JL4_kero机制能够在这种条件下获得与实验一致的火焰，而其他机制在M0.1工作条件下表现出类似Z77机制的熄火问题。

M0.2工作条件下的流速

结论

本文使用多种化学反应机制研究了这些机制对接近熄火极限的影响。全文总结得出以下结论：

(1)

在两相V型沟槽火焰稳定器模拟中，分析了煤油机制对火焰稳定性的影响：WD2和ARC类型的Kundu、Ske61以及Z77机制在M0.2条件下熄火，而Z77在M0.1条件下无法燃烧。每种机制的热释放速率都非常低

资助

本研究得到了国家自然科学基金（编号：2023ACB204026、12172345、92041001）的支持。

披露声明

作者未报告任何潜在的利益冲突。

数据可用性声明

支持本研究发现的数据可从通讯作者方 Wang 处获得，如有合理请求。

未引用的参考文献

[16,18,20,23,24,31,33,40]

CRediT作者贡献声明

方 Wang：写作 – 审稿与编辑、项目管理、方法论。高宇涵：写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、软件开发、方法论、数据管理、概念化。沈硕：可视化、验证、资源管理、形式分析、数据管理、概念化。王玉东：监督、软件开发、方法论。窦丽：。金杰：调查、资金获取。