《Fuel》：Hydrogen-assisted combustion dynamics and thermal uniformity in a mini turbojet: Insights from EDM and NPC model
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氢气-煤油共燃烧在微型涡轮喷气发动机中的热力学与排放特性研究。通过CFD模拟比较了EDM和NPC燃烧模型，发现氢气浓度达40-60%时推力最大（210N增至400N以上），温度均匀性最佳（1250K-2100K），NPC模型预测更稳定的火焰结构（峰值温度2160-2500K）和更优的涡轮叶片热负荷分布。
阿尔图格·穆斯卢（Altu? Muslu）|贝尔卡伊·奥古特（Berkay ??üt）|戈克图格·卡拉贾（G?ktu? Karaca）|多乌什·奥兹坎（Do?u? ?zkan）
国防大学，海军学院，机械工程系，34940 图兹拉（Tuzla），伊斯坦布尔，土耳其
摘要
微型涡轮喷气发动机在无人机（UAV）和目标无人机（target-drone）推进系统中的应用越来越受到关注；然而，氢气富集和燃烧模型选择对它们热性能、空气动力学性能以及排放特性的综合影响仍不为人所充分理解。本研究使用计算流体动力学（CFD）数值模拟了使用氢-煤油混合燃料（氢气占比0–100%，以10%为增量）运行的微型涡轮喷气发动机燃烧室。比较了两种燃烧模型：涡流耗散燃烧模型（EDM）和非预混/火焰片燃烧模型（NPC），并在可实现的k-ε湍流闭合条件下、离散坐标辐射模型以及基于Chemkin的氢-煤油反应机制下进行了分析。为了在保持近壁分辨率的同时提高计算效率，采用了具有多面体网格的1/6周期性区域（约3.2 × 10^5个元素）。结果表明，氢气富集使平均出口温度从约1250 K（0%氢气）升高到1950–2100 K（100%氢气），总推力从约210 N增加到超过400 N。NPC模型预测的火焰结构更加平滑、对称，峰值温度更低（约2160–2500 K），与EDM模型相比，出口温度均匀性更好，涡轮叶片上的热梯度也更小。相反，由于EDM模型采用混合控制机制，在高氢气比例下容易高估局部热释放量。两种模型均显示，40–60%的氢气比例在推力、温度均匀性和排放性能之间提供了最佳平衡。总体而言，这些发现强调了详细的化学建模对于准确预测微型涡轮喷气发动机中氢-煤油混合燃烧的重要性，为低排放、氢辅助推进系统的设计提供了宝贵见解。
引言
近几十年来，化石燃料资源的枯竭已成为一个全球性的严峻挑战，而全球人口的持续增长进一步加剧了能源需求[1]。化石燃料的广泛使用，尤其是在交通运输领域，导致了严重的环境问题，包括有毒排放和碳足迹的增加[2]。值得注意的是，全球大约三分之一的贸易量是通过航空货运完成的[3]，这凸显了航空业在全球物流中的重要作用及其作为脱碳目标的潜力。传统上，航空业依赖碳氢化合物基喷气燃料，这些燃料对环境有显著影响[4]。主要挑战之一是在燃烧过程中产生大量二氧化碳（CO2）和氮氧化物（NOx）[5]。因此，人们投入了大量研究来寻找既环保又能保持燃烧稳定的替代燃料。然而，迄今为止，还没有任何候选燃料完全取代了主流航空应用中的碳氢化合物[6]。氢气作为一种有吸引力的替代品，因其具有较高的单位质量能量密度，并且可以通过可再生能源或核能生产[7]。对于紧凑型和中型军事涡轮喷气发动机而言，氢气具有明显优势：比能量更高、反应动力学更快，燃烧产物几乎不含碳（即水蒸气）[8][9]。尽管具有这些优点，但氢气的实际应用仍面临诸多挑战。液态氢储存需要低温储罐，其工作温度接近氢气的正常沸点（约20–22 K），具体取决于压力条件；而气态氢储存则需要高压容器（高达约800巴）[10]。此外，氢气的易燃性和快速火焰传播速度增加了回火或不稳定燃烧的风险，因此需要先进的安全和控制策略。与氢燃料开发同步，微型涡轮喷气发动机因其紧凑性、高推重比以及适用于小型航空平台（如无人机和模型飞机）而受到越来越多的关注。为了提升这些发动机的性能和可持续性，研究人员开始研究氢-碳氢化合物混合物在这些发动机中的应用。例如，阿拉巴什（Alaba?）和切佩尔（?eper）使用CFD研究了微型燃气轮机中氢-煤油混合燃料的无色分布式燃烧情况，发现排放量有所减少[11]；戴夫（Dave）等人探讨了不同氢气富集程度对煤油-氢火焰结构和污染物形成的影响，发现了火焰温度和NOx行为的明显趋势[12]；布罗兹克（Brodzik）等人研究了GTM 400MOD涡轮喷气发动机喷嘴在煤油和氢气共燃条件下的热机械响应，发现氢气富集并未显著改变喷嘴的应力-温度分布[13]。在控制和系统设计方面，肖（Xiao）等人解决了氢燃料涡轮喷气发动机控制框架开发中的独特挑战[14]。然而，尽管这些研究提供了宝贵见解，但大多数研究要么仅关注燃烧室几何形状，要么局限于大型推进系统，要么仅涉及特定技术方面（如结构效应、火焰行为、控制）。目前缺乏综合性的研究，这些研究结合了微型涡轮喷气发动机在氢-煤油共燃条件下的性能、排放和燃烧模型验证。特别是，不同燃烧建模方法（如NPC与EDM）之间的比较评估在该领域仍不充分。为填补这一空白，本研究系统地研究了使用煤油-氢燃料混合物运行的微型涡轮喷气发动机的性能和排放行为。通过计算流体动力学（CFD），应用NPC和EDM模型评估了不同氢气混合比例下的预测能力，并分析了关键性能指标（如推力、燃烧室出口温度分布、出口马赫数）和排放特性（CO2、NOx）。本研究的一个新颖之处是系统性地应用了出口温度分布因子（OTDF）和径向温度分布因子（RTDF）来分析氢-煤油混合燃料混合物运行的微型涡轮喷气发动机燃烧室——这是文献中尚未报道的配置。这种方法能够定量评估涡轮入口温度均匀性和热负荷分布随氢气富集的变化，为氢辅助推进系统的热管理和耐久性提供了新的见解。
方法论
本研究通过数值模拟研究了微型涡轮喷气发动机的燃烧行为，采用了不同的燃烧模型。本节涵盖了数值设置、数据采集、燃烧模型描述以及火焰温度、回流区行为、出口温度分布和排放特性的评估。
在本次模拟中，燃料喷射采用表面喷射方式
燃烧室设计与材料
设计的燃烧室采用了径向旋流器配置，以促进有效预膜形成和稳定的火焰固定。燃烧室均匀分布了六个径向旋流器，每个旋流器占据整个环形几何结构的1/6。因此，1/6的扇形区域代表一个旋流器，而整个环形区域则代表所有六个旋流器。这种基于扇形的建模方法降低了计算成本
结果与讨论
由于氢气的低分子量和高扩散性，它可以轻易进入燃烧室并与周围氧化剂混合。然而，在氢气和煤油混合燃烧的条件下，增强两种燃料之间的混合过程对于确保稳定和均匀的燃烧至关重要
基于OTDF的涡轮叶片热机械评估
燃烧室出口处的非均匀温度分布是影响下游涡轮叶片热负荷和耐久性的关键因素。在燃气轮机应用中，这种不均匀性会导致涡轮叶片表面出现局部高温条纹，特别是在前缘和根部区域。这些热梯度会导致显著的热弹性应力，从而加速热疲劳和蠕变损伤
结论
本研究使用两种湍流-化学相互作用模型（EDM和NPC模型）数值模拟了微型涡轮喷气发动机中的氢-煤油混合燃烧。模拟在相同的边界和操作条件下进行，采用了可实现的k-ε湍流闭合模型、离散坐标辐射模型以及基于Chemkin的氢-煤油反应机制。研究目的是量化氢气富集（体积占比0–100%）对火焰温度和流动的影响
CRediT作者贡献声明
阿尔图格·穆斯卢（Altu? Muslu）：撰写初稿、验证、方法论研究、数据整理。贝尔卡伊·奥古特（Berkay ??üt）：方法论研究、数据整理、概念化。戈克图格·卡拉贾（G?ktu? Karaca）：可视化处理、数据整理。多乌什·奥兹坎（Do?u? ?zkan）：撰写、审稿与编辑、监督、研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
