高湿氢氧喷注器数值分析与正交设计

胡友瑞，刘 彦，汪 洋，刘建忠，周俊虎，胡 巍，李洪伟

（1.浙江大学 能源清洁利用国家重点实验室，浙江 杭州310027；2.浙江大学 工业技术研究院，浙江 杭州310027；3.中国船舶重工集团公司第七〇五研究所，陕西 西安710075）

蒸汽动力是应用广泛的成熟动力源，锅炉是主要的蒸汽生产设备，存在设备复杂、启动时间较长、蒸汽参数不易调节等缺点，限制了其在中小型动力系统中的应用.氢氧反应是产物为水的快速强放热反应，将化学当量比的氢气、氧气在燃烧室内燃烧生产高温过热蒸汽，再通过喷水或低温蒸汽调节出口工质参数的氢氧蒸汽发生器技术［1-3］，是实现以氢气为燃料的蒸汽循环［4-5］和燃气-蒸汽联合循环［6-9］的关键，具有功率密度大、启动迅速、结构紧凑、调节方便等优点，在国防和民用中小型动力推进领域有着良好的应用前景.

与常规气体燃料不同，氢氧燃烧具有火焰温度高、火焰传播速度快、点火延迟时间短的特性［10］，为了改善氢氧燃烧性能，可采用稀释燃烧的方式，将氢气与从蒸汽发生器后部或后续透平内抽取的水蒸气混合，行成热值较低的氢气-蒸汽混合物，以此作为燃料代替纯氢气，这种含水蒸气质量分数90%以上的低热值氢气蒸汽混合物称为高湿氢气，以高湿氢气和纯氧为燃料和氧化剂的燃烧方式称为高湿氢氧燃烧.

高湿氢氧燃烧的技术难点是燃烧组织.燃烧长度过大会增大燃烧室长度，而应用设备往往对燃烧室尺寸有严格要求；燃烧长度过短会增大燃烧室头部热负荷，不利于燃烧设备安全运行.燃烧室内工质调节也需要了解高湿氢氧燃烧特性以选择调节位置.对于燃料和氧化剂均为气态的非预混燃烧，基于剪切式掺混的研究和应用最为广泛.同轴剪切喷嘴既是应用广泛的气气燃烧式喷嘴，也是多种气气燃烧喷嘴的改进基础.对同轴剪切式喷注器进行研究能够加深对氢氧蒸汽发生器燃烧室内燃烧过程的认识，有着重要的理论研究和工程应用价值.

以实验为主的设计方法成本高、周期长.近几十年来，计算流体力学飞速发展，数值模拟越来越多用于喷嘴和燃烧器设计［11-13］，特别是在航空发动机领域，以常温氢气／氧气、富氢／富氧为推进剂的气气燃烧得到了大量数值模拟研究［14］.

高湿氢氧燃烧是一种新型燃烧技术.与航空发动机单喷嘴模型燃烧室相比，高湿氢氧燃烧以高湿氢气为燃料、纯氧为氧化剂，燃料稀释度高，射流受限程度较低.纯氢氧燃烧、富氢／富氧燃烧的规律不能直接应用于高湿氢氧燃烧，有必要开展高湿氢氧喷注器的设计研究工作.影响高湿氢氧燃烧影响参数多、取值范围广，且对全参数全范围的全面研究成本高、周期长，而正交实验能够在较少的实验次数下获得良好的结果［15］，本文采用正交实验的方法对高湿氢氧燃烧组织方法进行模拟研究.

1 数值模拟和分析方法

1.1 物理模型

氢氧蒸汽发生器工作原理示意图如图1所示.氢气与蒸汽发生器末端抽取的较低温度的水蒸气混合成高湿氢气，与纯氧气在燃烧室内掺混燃烧产生高温蒸汽，高温蒸汽在混合室与喷水混合，在混合室末端输出目标参数的水蒸气推动后续透平机械做功.本文研究燃烧室内掺混燃烧流动情况.

图1 氢氧蒸汽发生器原理示意图Fig.1 Generalized schematic of oxy-hydrogen steam generator

氢氧蒸汽发生器头部采用同轴剪切喷注形式，中心氧喷注速度v、氢氧速度比r 和氧喷嘴端面厚度d 对燃烧室内流动和燃烧稳定性影响很大，是需要研究的重要设计参数.当研究单个参数变化对燃烧的影响规律时，通过改变喷注器结构尺寸调整参数以保证其他设计参数不变.

1.2 数值模拟方法

本文使用数值模拟软件Fluent 6.3，采用雷诺时 均 求 解N-S 方 程（Reynolds average Navier-Stokes，RANS）的方法对二维轴对称氢氧蒸汽发生器燃烧室流场进行数值模拟.湍流模型采用标准k-ε模型，燃烧模型采用涡耗散概念（Eddy-dissipation concept，EDC）模型，该模型能够在模拟湍流-化学反应相互作用的同时考虑详细的化学反应机理，模拟精度可以达到工程要求［16-18］.用于模拟氢氧燃烧反应的机理较多，本文选用一种应用较多的氢氧反应 机理［19，20］，该 机 理 包 括6 种 组 分 和9 步 基 元 反应，如表1所示.

表1 氢氧反应机理Tab.1 H2／O2reaction mechanism

由于没有成型的氢氧蒸汽发生器可参考，本研究参考了火箭发动机、燃气发生器等设备.燃烧室长200mm，直径为34mm，燃烧室压力为7MPa，燃烧器以高湿氢气为燃料，以氧气为氧化剂，进入燃烧室的氢氧量为化学当量比，以保证完全燃烧产物为纯蒸汽.

燃烧室结构和边界条件如图2所示.高湿氢气和氧气入口采用质量入口边界条件，温度为1 000K，流量为48.00g／s，其中氢气质量分数为5.263%，其余为水蒸气（即氢气和水蒸气的摩尔比为1∶2）.氧气入口采用质量入口边界条件，氧气温度520K，流量20.21g／s.燃烧室出口设置为压力出口边界条件，出口压力为7MPa，壁面采用无滑移绝热壁面边界条件.由于模拟对象是对称结构，采用二维模拟以减少计算量，网格数目通过网格独立性验证确定在40 000左右.

图2 燃烧室模拟区域和边界条件Fig.2 Simulation domain and boundary conditions of combustion chamber

1.3 评价指标

从燃烧性能和壁面热负荷两方面评价高湿氢氧的燃烧性能.

对于氢氧燃烧蒸汽发生器，采用燃烧室截面氢气和氧气组分流量与进入燃烧室的氢气、氧气总流量的比值表示该截面氢氧剩余比例.该比例反映了到该截面处氢氧燃烧完成程度，沿轴向分布揭示了燃烧室燃烧性能.本文选择氧气作为燃烧性能评价组分，在轴向距离x 处的截面的氧气剩余比例η（x）可表示为

式中：w（O2）为氧气质量分数，ρ（x）为x 处氧气密度，v（x）为x 处速度矢量，dA 为单元面积矢量，Qm为氧气入口质量流量.本文使用燃烧长度LC评价燃烧性能，燃烧长度定义为氧气剩余质量分数为5%时截面距氧喷嘴出口端面的距离.较高的热负荷不利于燃烧室热防护，会缩短燃烧室寿命.本文使用燃烧室壁面平均温度Tb评价燃烧室壁面热负荷.

燃烧室设计要求尽量提高燃烧性能，降低燃烧室壁面热负荷.

2 正交实验设计

研究氧气喷注速度v、高湿氢氧速度比r、氧喷嘴端面厚度d 及其之间的交互作用对高湿氢氧燃烧的影响规律，设计参数取值水平如表2所示.

表2 喷注器设计参数Tab.2 Injector design parameters

考虑到设计参数的交互作用可能对评价指标产生影响，本文采用L27（313）正交表对喷嘴设计参数及其交互作用进行正交实验设计.通过数值模拟结果，分析单因素和各因素的交互作用对燃烧室评价指标的影响.正交实验表头设计如表3所示，因素水平安排和数值模拟结果如表4所示.

表3 正交实验表头设计Tab.3 Form design of orthogonal optimization

表4 正交实验数值模拟结果Tab.4 Numerical simulation results of orthogonal optimization

根据正交实验设计方案进行数值模拟，从模拟结果中提取相应的指标参数，获得各个设计参数对评价指标参数的极差和方差.通过方差的F 值检验喷注器设计参数对各评价指标的影响显著程度.

3 结果分析

3.1 流场分析

如图3所示所燃烧室内温度分布图和氢气、氧气、水蒸气的质量分数分布云图，对应表4中的工况1数值模拟结果，图中L 为轴向长度.从图3（a）可以看出，燃烧室流场存在一个明显的大回流区.回流区前侧和外侧分别与喷注面板和燃烧室壁面接触.回流区内侧前部与高湿氢气射流接触，卷吸温度较低的高湿氢气进入回流区，使回流区为富氢区域.回流区内侧中后部与高温燃烧区接触，卷吸高温燃气.卷吸的高温燃气依次流过燃烧室壁面和喷注面板，并逐渐与回流区前部卷吸的高湿氢气混合，在流动和混合过程中回流的燃气温度逐渐降低，但仍远高于高湿氢气的入口温度，从而在回流区内侧前部与高湿氢气流接触时，起到加热高湿氢气的作用，对高湿氢气预热快速点火有重要作用.回流区分析结果表明：喷注面板的热负荷来自燃烧室壁面附近的回流燃气，因此喷注面板的热负荷规律与燃烧室壁面热负荷规律相同.因此，本文没有将其单独列为燃烧室热负荷评价参数.

图3 工况1模拟结果的温度和组分分布图Fig.3 Temperature and component profiles of simulation of working condition 1

高湿氢气流进入燃烧室后向燃烧室壁面扩展.受到回流区的限制，高湿氢气流与内侧低速氧气流剪切掺混.随着剪切过程动量交换，高湿氢气射流和氧气射流速度逐渐趋于一致并最终汇聚在一起，扩展到整个燃烧室，如图3（a）所示.高湿氢气流和氧气流剪切层之间形成一层高温火焰，结合图3各组分分布图可以看出，剪切层火焰面将氢气和氧气分隔开来；氧气被限制在轴线附近区域，沿轴线逐渐降低；氢气则分布在剪切层火焰外侧，沿高湿氢气射流、回流区向下游逐渐降低.随着掺混燃烧和流动的发展，氢氧射流区域内水蒸气含量不断增大，成分和速度趋于一致，氢氧射流汇聚联合在一起并充满燃烧室后部，形成以高温水蒸气为主的燃尽区.如图3（d）所示，由于模拟采用绝热边界条件，温度升高仅取决于燃烧的热量释放和流动掺混.随着燃烧接近完全，火焰下游燃烧产物温度趋于平稳.

3.2 燃烧长度影响因素分析

本文分析氧喷注速度v、速度比r、喷嘴出口端面厚度d 及其之间交互作用的影响，将更高阶的交互作用视为误差处理.通过方差分析，对各个考察因素进行F 值检验，将表3 的空白列作为误差源，则误差e的自由度为8.对自由度为2的因素，若F 值大于F0.01（2，8），则视该因素为显著影响因素，否则为不显著因素；对自由度为4 的因素，若F 值大于F0.01（4，8）则视为显著影响因素，否则为不显著因素.F 值越大表明影响越显著.

如表5 所示为设计参数对燃烧长度的方差分析，其中S表示方差，f表示自由度.从表中可以看出，对燃烧长度影响的大小依次是：速度比＞氧喷注速度＞速度比和氧喷注速度的交互作用.

表5 燃烧长度的方差分析Tab.5 Variance analysis of combustion length

如图4所示是设计参数对燃烧长度影响的趋势图.可以看出，增大氧喷注速度和速度比都有利于缩短燃烧长度，而氧喷嘴端面厚度对燃烧长度的影响很小.同轴剪切喷嘴通过高湿氢气流和氧气流的剪切进行掺混，速度比越大剪切作用越强.大速度比有利于高湿氢气和氧气的掺混燃烧，从而缩短燃烧长度.在保持流量不变的情况下，通过改变喷注器结构尺寸达到改变氧喷注速度、速度比和氧喷嘴厚度的目的.氧喷注速度增大意味着氧喷嘴直径变小，轴心处氧气扩散到燃烧面的距离减小.同时，高速下湍流强度增大，增大氧喷注速度有利于掺混燃烧.

如图5所示为氧喷注速度和速度比的交互作用对燃烧长度的影响.可以看出，氧喷注速度和速度比存在着明显的交互作用，在高速度比的情况下，增大氧喷注速度对燃烧长度的影响程度小于低速度比时的影响.从缩短燃烧长度角度考虑，应选择较高的氧气喷注速度和高速度比，而氧喷嘴端面厚度对燃烧长度影响很小，可根据需要选择.在本研究的参数范围内，使燃烧长度最小的参数组合是r＝7、v＝40m／s.

图4 设计参数对燃烧长度的影响Fig.4 Influence of design parameters on combustion length

图5 氧喷注速度与速度比交互作用对燃烧长度的影响Fig.5 Influence of interaction of oxygen velocity and velocity ratio on combustion length

3.3 燃烧室壁面热负荷影响因素分析

以燃烧室壁面平均温度作为燃烧室壁面热负荷的评价参数.如表6所示为设计参数对燃烧室壁面平均温度的方差分析.从表中可以看出，对燃烧室壁面平均温度的影响大小依次是：速度比＞氧喷注速度＞速度比与氧喷注速度的交互作用，其他因素的影响则不显著.

表6 燃烧室壁面平均温度的方差分析Tab.6 Variance analysis of average temperature on combustion chamber wall

如图6所示为设计参数对燃烧室壁面平均温度影响的趋势图.从图中可以看出，氧喷注速度和速度比增大都导致燃烧室壁面温度升高，而氧喷嘴端面厚度对燃烧室壁面温度的影响很小.如前文所述，增大氧喷注速度和速度比会强化掺混燃烧，使火焰位置提前，热负荷更加集中.这使回流区内侧提前接触高温火焰区域，从而卷吸更多高温气体，使得回流区附近的燃烧室壁面温度增大，从而燃烧室壁面平均温度增大.

图6 设计参数对燃烧室壁面平均温度的影响Fig.6 Influence of design parameters on average temperature of combustion chamber

图7 氧喷注速度与高湿氢氧速度比交互作用对燃烧室壁面平均温度的影响Fig.7 Influence of interaction of oxygen velocity and velocity radio on average temperature of combustion chamber

如图7所示为氧喷注速度和速度比的交互作用对燃烧室壁面温度的影响.从图中可以看出，氧喷注速度和速度比存在着明显的交互作用，在高速度比下，燃烧室壁面平均温度随氧喷注速度的变化而变化的幅度更大.燃烧室壁面平均温度高意味着燃烧室壁面热负荷大.从热防护角度看，较低的燃烧室壁面温度有利于延长燃烧设备寿命，提高其安全性能；减小速度比和氧喷注速度有利于热防护.在本研究参数范围内，使壁面热负荷最小的参数组合是r＝3、v＝20m／s.

4 结 语

燃烧室头部附近存在较高温度的回流区，起到预热高湿氢气流促进点火燃烧的作用，并影响燃烧室壁面热负荷.高湿氢气流与氧气流间存在剪切燃烧层将氢氧分隔开来，增大速度比和湍流强度有助于强化燃烧并缩短燃烧长度.

高湿氢氧速度比和氧喷注速度对同轴剪切式高湿氢氧燃烧器的燃烧性能、燃烧室壁面热负荷的影响显著，而氧喷嘴端面厚度产生的影响不明显.增大速度比和氧喷注速度会减小燃烧长度，提高燃烧性能，但同时会提高燃烧室壁面平均温度，增大燃烧室壁面热负荷.高湿氢氧速度比和氧喷注速度对燃烧室燃烧性能和热负荷的影响表现出明显的交互作用.随着氧喷注速度的增大，增大速度比带来的燃烧长度减小幅度和壁面热负荷增大幅度均降低.其他交互作用的影响都不明显.

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