增程器微燃烧室氢－空气燃烧特性研究

翟国凡，董志强，连晋毅，郭锐

增程器微燃烧室氢－空气燃烧特性研究

翟国凡，董志强*，连晋毅，郭锐

（太原科技大学 机械工程学院，山西 太原 030024）

某新型燃氢微型燃气轮机作为电动汽车增程器，综合了其高效率低排放的特点，燃烧室作为核心部件之一，其性能直接影响整个系统的效能。针对系统要求的燃烧室结构，通过SolidWords对燃烧室结构建模，并以Fluent进行仿真。为使燃烧室达到最佳性能，比较了不同氢/空气当量比下的燃烧火焰和NO分布情况，着重研究了燃烧温度对于NO形成的影响以及燃烧效率和出口处NO排放特性之间的关系，结果表明：在当量比为0.4～0.6时，燃烧效率可达到98.71%～99.04%，出口处NO质量浓度保持在5.36 ppm～20.22 ppm。所得结果对于该燃烧室的进一步设计以及其他微型燃气轮机燃烧室的设计都具有指导意义。

微型燃气轮机；燃烧室；当量比；燃烧温度；燃烧效率；NO排放

前言

目前使氢气转换为汽车动能主要有两种方式：一是氢气用作燃料燃烧做功，二是氢气用于燃料电池。但燃料电池系统通常要求99.99%～99.999%的高纯度氢；而用氢气作为内燃机燃料，既对氢气纯度要求不高，且氢气发动机热效率较高，综合效率与燃料电池效率相当，生产及使用成本低，在使用性能、成本等方面更具优势，在与空气为氧化剂做燃烧反应时，其尾气中的NO是燃烧系统的主要污染物来源[1]。

微型燃气轮机综合热效率在80%以上，作为电动汽车增程器，其功率设定在100 kW，基本技术特征是采用空气轴承连接的向心透平和离心压气机以及三个具有一定弯曲角度的燃烧室结构。燃烧室作为其中重要一环，近年来学者们对于燃烧室构型设计与氢－空气的燃烧特性做了许多研究[2-8]。

Dmitry Pashchenko[9]研究了所建立的数值模型在二维轴、二维平面和三维不同几何类型下的氢气/空气燃烧特性；Ekenechukwu C.Okafor等[10]通过对燃烧器设计及燃烧技术的研究，以实现氨燃烧室的低NOx排放；王庆五等[11]提出了微型燃烧室设计方法，主要确定3个方面的数据：长度、内外筒直径和内外筒上孔的分布；Chen Hai等[12]研究了改进的带前腔的平面微燃烧室和原燃烧室在不同进气速度和等效比下预混氢气/空气火焰的燃烧性能，讨论了前空腔高度和长度对外壁温度和效率的影响；袁有志等[13]对微型环形燃烧室内部流场进行模拟，并与一成熟应用的微型燃烧室比较进而优化设计方案。

为使燃烧室在最佳工况下稳定运行，本文在确定燃烧室基本简化模型的基础上，主要研究了燃烧温度对NO形成的影响以及不同氢/空气当量比对于燃烧效率和主要污染物NO排放的影响。

1 燃烧室模型及参数设置

1.1 燃烧室物理模型

为了适应增程器的整体结构要求，参考了环管式燃烧室的单个火焰筒结构，并对其进行了修改，如图1所示。

图1 燃烧室物理模型

从距离火焰筒进口40 mm和出口50 mm处的中间部位进行弯曲，弯曲角度设置为60°。其中氢气与沿氢气入口一周布置的四个流经旋流器空气入口中的空气进行混合燃烧；另一部分空气通过一次空气射流孔与未燃烧的氢气进行混合燃烧，剩余空气从二次空气掺混射流孔流入与燃气混合使得燃气温度分布更均匀。

1.2 Fluent仿真模型

流动模型选择标准k-ε双方程模型；燃烧模型选择非预混燃烧中绝热稳态火焰扩散模型（Steady Diffusion Flamelet），并在该模型中导入GRI-Mech3.0反应机理文件，该机理包含的氢氧反应子模型可以很好地预测氢气和空气的燃烧过程[14-16]；NOx模型选择热力型。因此，其控制连续性方程如下：

该方程是质量守恒方程的一般形式，使用于可压缩流动和不可压缩流动。

动量守恒方程如下：

式中：为静压；τ为应力张量；g和F分别为方向上的重力体积力和外部体积力；F包含了其他模型的相关源项。

能量守恒方程如下：

物种运输方程如下：

式中：Sc表示湍流施密特数，μ表示湍流黏度，D表示湍流扩撒系数。

标准k-ε模型如下：

式中：G表示由于平均速度梯度而产生的湍流动能，G表示由于浮力产生的湍流动能，Y表示可压缩湍流中脉动膨胀对总耗散率的贡献，1ε，2ε，3ε表示常量，∂和∂是k和的湍流普朗特数。

燃烧模型控制方程如下：

在绝热系统中密度加权平均物种质量分数和温度可以计算为：

其中：

这里：

热力型NOx的形成是由一系列高度依赖温度的化学反应形成的，支配分子氮形成热力型NOx的主要反应是：

1.3 数值模拟参数设置

表1 边界条件参数表

当量比氢气入口量/(kg·s-1)空气入口总流量/ (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 当量比一次射流孔总流量/(kg·s-1)二次掺混孔总流量/(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

模型所需的基本参数设置包含在表1中，表中主要内容不同当量比下的入口边界条件，其中氢气入口温度为300 K、入口压力位101 kPa，空气入口温度为456 K、入口压力为303 kPa，一次射流孔与二次掺混孔流量保持不变且温度和压力设置为456 K和303 kPa。

1.4 网格构建

确定好燃烧室物理模型后，导入ansys-mesh模块中划分网格，并对划分好的网格进行边界条件定义，结果如图2所示，其中网格数为488 882个，节点数为98 284个。接下来就可以将划分完成的网格导入fluent进行仿真。

图2 模型网格划分与边界定义

1.5 网格可靠性分析

在进行Fluent仿真时，网格数量和质量对计算效率和仿真结果准确性和精度有着至关重要的影响，因此进行模型网格数量和质量的检验对后续燃烧仿真与结果处理显得尤为重要[17-18]。具体方法为：在相同的参数设置及边界条件的前提下，选取燃烧腔内最高燃烧温度作为参考值，通过增加网格数量，通过仿真直到最高温度无明显变化。效果如图3所示。

图3 网格可靠性验证

从图3可以看出，在网格数量为468 214个以后，最高温度变化趋于平稳，网格数量对于仿真结果几乎无影响。因此为了提高计算效率，本文选取网格数为488 882个。

2 结果与分析

2.1 不同当量比下的火焰分布和NO分布情况

图4为不同当量比下燃烧腔中心平面的温度云图和NO质量分数云图，从图4可以看出，随着当量比的增加，火焰筒内中心火焰的位置依次后移，当量比>1.0后，随着火焰筒内空气的急剧减少，氢气在火焰筒内愈加不能彻底燃烧，火焰中心超出燃烧腔出口位置；NO的分布在高温燃气区浓度最高，随着燃气温度降低NO浓度也相应降低。

2.2 温度对NO形成的影响

为定量研究温度对于NO形成的影响，选取当量比φ=0.4的仿真结果进行分析，图5为当量比φ=0.4时火焰筒中心平面上均匀分布的100个点对应的温度与NO质量分数散点图，从图5可以看出NO质量分数随着火焰筒内燃气温度的升高而升高，并由式（12）热力型NO和温度关系可知，热力型NO主要在1 800 K以上温度产生，且NO的生成反应慢于燃烧反应，当温度超过2 200 K，每升高90 K，热力型NO热产量就会成倍增长。

2.3 不同当量比出口NO浓度与燃烧效率的综合分析

燃烧效率是衡量燃烧室性能的重要指标。氢气作为唯一燃料，故可由式（13）定义燃烧效率[19-20]：

式中：C和C分别表示氢气入口和出口处的氢气质量分数。

图6为不同当量下出口NO浓度和燃烧效率曲线，从图中可以看出，出口处NO浓度随当量比的增加而呈现上升趋势，并且在φ=1.0以后，出口处NO浓度快速增长，这是因为随当量比增加，燃烧腔内的空气含量明显降低，导致氢气和空气的混合距离变长，使得出口温度急剧升高。

图6 不同当量下出口NO浓度和燃烧效率曲线

此外，燃烧效率随当量比的增加而降低，这是因为在当量比较低时，空气含量更高，氢气和空气的混合性能更好，因此反应更加充分。

3 结论

（1）此新构型火焰筒在当量比为0.4～0.6之间时的燃烧效率可达99%左右，并且主燃区的中心火焰位置位于一次射流孔和二次空气射流孔之间，火焰更短，燃烧室的燃烧特性好。

（2）热力型NO高度依赖温度，在当量比为0.4～0.6之间时，该构型燃烧室出口温度低于NO主要产生温度，出口截面NO含量最低，对于主要污染物的抑制效果更好。

（3）对于该燃烧室在结构及燃烧技术的后续研究以及该燃氢微型燃气轮机（增程器）的整体设计与研究提供了重要的理论依据。

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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

翟国凡（1994—），男，硕士研究生，就读于太原科技大学机械工程学院，主要研究方向：新能源车辆设计理论与方法。

董志强（1976—），男，副研究员，硕士研究生导师，就职于太原科技大学，主要研究方向：热流体计算与流体装备制造、储能材料的纳米复合化与装备。

山西省科技平台计划项目（201805D121005）；山西省“1331工程”重点学科建设计划项目。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.011