飞机防火试验中的燃烧反应动力学模型研究

王 伟，刘 帅,2*，白 杰

(1.中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津, 300300；2.河北工业大学机械工程学院，天津,300130)

飞机防火试验中的燃烧反应动力学模型研究

王 伟1，刘 帅1,2*，白 杰1

(1.中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室，天津, 300300；2.河北工业大学机械工程学院，天津,300130)

使用反应路径分析法对Jet-A型航空煤油燃烧的气相燃烧机理进行简化。选用POSF-4658机理作为Jet-A燃烧的详细反应机理，该机理包含1607种燃烧组分、6633个基元反应机理。将飞机防火试验条件作为简化过程的初始条件，得到78种组分，196个反应机理的Jet-A燃烧机理。通过对Jet-A的简化反应机理、详细反应机理和Jet- A实验数据的比较可以发现，简化反应机理可以较准确地反映Jet-A型航空煤油在防火试验条件下的燃烧特性。利用常用的Jet-A型航空煤油简化机理计算的绝热火焰温度、点火延迟时间及层流火焰速度与本文提出的简化的计算值进行比较。结果表明，提出的简化机理在防火试验条件下具有较高的精确度。得到的Jet-A简化反应机理可为飞机防火试验的仿真研究提供燃烧场的化学反应动力学模型。

防火试验； Jet-A； 机理简化；反应路径分析

0 引言

飞机防火试验是飞机适航审定中的重要环节之一，防火试验是保障航空安全的重要屏障[1-3]。飞机防火试验包含(民用飞机)机舱内部非金属材料阻火试验、座椅垫的可燃性试验、货舱衬垫抗火焰烧穿试验、隔热/隔音材料可燃性和火焰蔓延特性试验、隔热/隔音材料的抗火焰烧穿性试验、飞机指定火区防火试验(含推进系统)六大类试验[4]。

在防火试验进行的过程中结合防火试验数值模拟可以提高试验效率、节约试验成本、缩短试验时间。随着数值计算技术、计算机技术等领域的发展，试验与仿真相结合是解决工程问题的发展趋势。因此，开展飞机防火试验的仿真研究是完成飞机防火试验的重要支撑。

对试验器燃烧过程的模拟是防火试验仿真的主要内容。目前，各类飞机防火试验均使用NexGen Burner作为试验燃烧器，试验器以Jet-A型航空煤油作为燃料[5]。Jet-A燃烧过程模拟是主要研究对象。利用计算流体力学基本方程并在方程源项中加入Jet-A详细燃烧机理的方法能准确反映燃烧过程的温度、组分随空间、时间的分布[6]。受计算水平的制约，Jet-A详细燃烧机理尚无法完成防火试验仿真[7]。目前国际上常用的Jet-A简化机理(Jet-A一步反应机理、C12H23机理)并非以防火试验条件作为初始条件进行简化，将其用于防火试验仿真势必会导致较大的误差[8]。

因此，本文针对飞机防火试验条件对Jet-A燃烧反应的详细机理进行简化，得到能够用于飞机防火试验仿真的反应动力学模型。在简化过程中，选用Sun 等[9]针对直接关系图法优化的路径通量方法(Path Flux Analysis，PFA)。通过分析路径通量对燃烧反应机理进行简化。通过不断的迭代可以计算多代的反应路径通量。多代的PFA 能够反映各个组分间的间接相关性，这种方法简化的效果优于一代 PFA[6]。本文利用三代通量路径分析法对反应机理进行简化。选用 Dooley等人[10]给出的POSF-4658机理(包含1607组分、6633个反应机理)作为Jet-A的详细反应机理，这是国际公认的Jet-A燃烧反应的详细机理。

本文对比了详细反应机理和简化反应机理的点火延迟时间、反应平衡时的组分浓度等参数，通过对比验证简化机理的准确性。并将简化机理的计算结果与国际上常用的Jet-A燃烧反应机理做比较，分析本文得到的简化机理与其他已有Jet-机理的异同。

1 路径通量分析方法概述

2 简化机理的构筑

本文基于反应路径通量分析方法对煤油燃烧的反应机理进行简化，简化过程使用Princeton大学的Chem-RC[8,11]计算程序进行三代路径通量计算，利用CHEMKIN代码对燃烧反应过程中的常微分方程进行积分完成简化机理的验证。研究表明，不同初始条件会使机理简化结果存在一定的不同[8]，这会直接影响计算结果的准确性。因此在简化前确定初始条件，选定压力100PSI～110PSI，温度1000K～1500K，油气混合比0.8～1.5。

选定C6H5CH3、C8H18、C10H22、O2、N2这五种组分作为反应路径通量分析的预选燃烧反应组分。简化机理的组分数目、对应的基元反应数与给定阈值ε之间的关系如图1所示。简化反应机理随阈值ε的减小趋近详细机理，但当阈值ε处于零的某一邻域时，简化机理仅能维持预先选定的组分，其它的耦合关系都将忽略。由于耦合组分群体间的非线性关系导致燃烧反应的组分数目、基元反应数目不是阈值ε的连续函数，这些燃烧组分基团在机理中被整体保留或从机理中整体删除。

选取ε=0.72，该阈值对应的简化机理包含78种燃烧组分，196个基元反应机理。

图1 简化反应机理的组分数目、基元反应数目与阈值之间的对应关系Fig.1 The species and chemical reaction number of the reduced reaction mechanism as a function of the threshold value ε

3 简化机理的验证

三代路径通量分析方法化简得到Jet-A简化机理，利用0-D均质混合器模型和层流预混火焰模型完成准确性验证。对比详细反应机理和简化机理在平衡温度、点火延迟时间以及层流火焰速度的差异。0-D模型以及层流火焰模型是为了对本文简化的Jet-A反应动力学模型进行检验，分析其在防火试验条件下的燃烧特性。

图2 0-D均质混合器中，不同机理的温度分布图Fig.2 Comparison of temperature distributions in different chemical reaction mechanisms (0-D homogeneous)

在0-D均质混合器模型中，取初始条件压力110 PSI，初始温度1200 K，燃料当量混合，得到计算结果如图2所示。0-D均质预混燃烧模型忽略了扩散作用对于化学反应过程的影响，假设反应中的组分在任意时刻均匀充分的混合，这有利于从燃烧反应动力学的角度分析不同机理的化学反应过程。对于点火延迟时间和绝热火焰温度的计算，简化机理与详细机理的计算值、实验值吻合良好，误差不足3.2%。但C12H23机理和一步反应机理的点火延迟时间计算值存在较大差距，这是由于C12H23机理和一步反应机理简化过程的初始条件不是防火试验条件所导致的。所以在防火试验条件下，本文得到的简化机理在绝热火焰温度和点火延迟时间的预测上精度较高。

在零维均质混合器中，初始压力110 PSI，燃料当量混合，初始温度1000 K～1500 K，点火延迟时间随初始温度的变化如图3所示。简化机理与详细机理、实验值的点火延迟时间有很好的吻合度。简化机理在防火试验条件下计算得到的点火延迟时间明显比C12H23机理和一步反应机理准确。总之，简化机理在防火试验仿真中明显优于其他的Jet-A机理。

图3 不同温度条件下各个机理的点火延迟时间的对比Fig.3 Comparison of computed ignition delay time using various mechanisms at different initial temperatures

图4 Jet-A燃料/空气混合物在不同化学计量比下的层流火焰速度Fig.4 Laminar flame speed of mixture (Jet-A/air) premixed flames as a function of the equivalence ratio

图4中对比了Jet-A简化机理计算的层流火焰速度与实验值[12]，燃料温度500 K，压力100 PSI。层流预混火焰模型不但分析了燃烧反应动力学的影响，而且分析了对流和扩散的影响，这个模型与实际Jet-A气相燃烧过程接近。由图4可知，在当量比介于0.8～1.4的区间内，本文得到的简化机理的计算结果与实验数值比较接近；而且在较大的贫油或富油范围内计算结果与实验值也比较接近。在较宽的当量比范围内本文得到的Jet-A燃料简化机理能够很好地反应实际Jet-A燃料的传播特性，这在燃烧场模拟过程中是十分重要的。

本文根据飞机防火试验条件下得到的Jet-A简化机理的点火延迟时间、平衡温度及火焰速度与详细反应机理的计算结果接近，简化机理计算的层流火焰速度能够复现实验中的数值。Jet-A燃料的简化机理能在一定程度上定量地预测Jet-A燃料真实的燃烧过程。

4 结论

本文使用三代反应路径通量分析方法，以飞机防火试验工况作为简化初始条件对详细反应机理进行简化，简化机理包含78种燃烧组分、196个基元反应。利用简化机理计算了Jet-A燃料的点火延迟时间、平衡温度(绝热火焰温度)和层流火焰速度，并与详细反应机理的计算结果进行对比。对比结果表明本文的简化模型在飞机防火试验条件下可以准确反映出Jet-A的气相燃烧反应过程，能够用于飞机防火试验的数值模拟。与详细的反应机理相比，简化机理去除了约80%的燃烧组分，将组分数减少到195种。该简化机理能够用于防火试验仿真之中，本文得到的燃烧反应动力学模型可以比较准确地模拟试验器的燃烧场。该模型在求解中可以减少方程的维数，明显的削减计算量。将简化机理应用于燃烧场模拟能够节约计算时间和计算资源成本。因此，应用该Jet-A反应动力学模型进行的防火试验模拟可以为防火试验提供有效的支持。

防火试验利用燃烧器产生燃烧场模拟火灾情景，两者对应的工况相似，因此本文得到的燃烧反应动力学模型还可用于飞机火灾模拟仿真的研究之中。

致谢

本文受到中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室开放基金的资助。感谢美国Connecticut大学的Tianfeng Lu 教授在本文工作过程中的指导，以及为本文提供Chem-RC代码。

[1] Northwest mountain region - transport airplane directorate. advisory circular 20-135: powerplant installation and propulsion system component fire protection test methods[R]. Washington DC: AC 20-135, 1990.

[2] Federal aviation administration: powerplant engineering report No. 3A, Standard fire test apparatus and procedure[R]. Washington DC, 1978.

[3] Administration US Department of transportation, faderal aviation administration.CFR14 Part 33: Airworthiness standards: Aircraft engines[S].Washington DC: FAA, 2013.

[4] Administration US Department of transportation, faderal aviation administration.CFR14 Part 25: Airworthiness standards: Transport category airplanes[S].Washington DC: FAA, 2015.

[5] Kao YH. Experimental investigation of NexGen and gas burner for faa fire test[D]. University of Cincinnati, 2012.

[6]王伟, 等. 基于分析法对Jet-A燃料进行燃烧反应机理简化的研究[J]. 热能动力工程, 2016, 31(5): 61-67,151-152.

[7] Kim D, et al. A surrogate for emulating the physical and chemical properties of conventional jet fuel[J]. Combustion and Flame, 2014, 161 (6): 1489-1498.

[8] Lu TF, et al. Complex CSP for chemistry reduction and analysis[A]. In 39th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit[C], American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2001.

[9] Sun W, et al. A path flux analysis method for the reduction of detailed chemical kinetic mechanisms[J]. Combustion and Flame, 2010, 157 (7): 1298-1307.

[10] Dooley S, et al. A jet fuel surrogate formulated by real fuel properties[J]. Combustion and Flame, 2010, 157 (12): 2333-2339.

[11] 苟小龙, 等. 基于三代路径通量分析方法的甲烷燃烧机理简化[J]. 工程热物理学报, 2014, 09:1870-1873．

[12] Vasu SS, et al. Corrigendum to "Jet fuel ignition delay times: Shock tube experiments over wide conditions and surrogate model predictions"[J]. Combustion and Flame 2009, 156 (4), 946.

Reduction kinetic model of Jet-A combustion in aircraft fire testing

WANG Wei1， LIU Shuai1,2， BAI Jie1

(1. Civil Aviation University of China, Civil Aircraft Airworthiness and Maintenance Key Laboratory of Tianjin, Tianjin 300300, China； 2. School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China)

Based on the path flux analysis method, a detailed mechanism of POSF-4658 with 1607 species and 6633 reactions is used to describe the combustion of the Jet-A. A reduced mechanism (78 species and 196 elementary reactions) for Jet-A/air mixture combustion is generated by an initial condition consistent with the condition of aero-engine fire testing. Comparison between the reduced mechanism, detailed mechanism and experimental values shows that the reduced mechanism could maintain the reaction characteristics of Jet-A under the fire testing condition. The development of these models represents a significant step toward coupling of chemical reaction kinetics with computational fluid dynamics, and is a good chemical kinetic model of aero-engine fire testing for simulation study.

Fire testing; Jet A; Mechanism reduction; Path flux analysis

2016-07-11；修改日期：2016-10-21

中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室开放基金和中央高校基本科研业务费专项基金(ZXH2012J003)。

王伟，博士，副教授，研究方向为航空器适航审定技术。

刘帅，E-mail:caucliushuai@163.com

1004-5309(2016)-00179-04

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.04.01

X932

A