飛機(jī)防火試驗(yàn)中的燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型研究

王 偉，劉 帥,2*，白 杰

(1.中國(guó)民航大學(xué)天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津, 300300；2.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津,300130)

飛機(jī)防火試驗(yàn)中的燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型研究

王 偉1，劉 帥1,2*，白 杰1

(1.中國(guó)民航大學(xué)天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津, 300300；2.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津,300130)

使用反應(yīng)路徑分析法對(duì)Jet-A型航空煤油燃燒的氣相燃燒機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)化。選用POSF-4658機(jī)理作為Jet-A燃燒的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理，該機(jī)理包含1607種燃燒組分、6633個(gè)基元反應(yīng)機(jī)理。將飛機(jī)防火試驗(yàn)條件作為簡(jiǎn)化過(guò)程的初始條件，得到78種組分，196個(gè)反應(yīng)機(jī)理的Jet-A燃燒機(jī)理。通過(guò)對(duì)Jet-A的簡(jiǎn)化反應(yīng)機(jī)理、詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理和Jet- A實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較可以發(fā)現(xiàn)，簡(jiǎn)化反應(yīng)機(jī)理可以較準(zhǔn)確地反映Jet-A型航空煤油在防火試驗(yàn)條件下的燃燒特性。利用常用的Jet-A型航空煤油簡(jiǎn)化機(jī)理計(jì)算的絕熱火焰溫度、點(diǎn)火延遲時(shí)間及層流火焰速度與本文提出的簡(jiǎn)化的計(jì)算值進(jìn)行比較。結(jié)果表明，提出的簡(jiǎn)化機(jī)理在防火試驗(yàn)條件下具有較高的精確度。得到的Jet-A簡(jiǎn)化反應(yīng)機(jī)理可為飛機(jī)防火試驗(yàn)的仿真研究提供燃燒場(chǎng)的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。

防火試驗(yàn)； Jet-A； 機(jī)理簡(jiǎn)化；反應(yīng)路徑分析

0 引言

飛機(jī)防火試驗(yàn)是飛機(jī)適航審定中的重要環(huán)節(jié)之一，防火試驗(yàn)是保障航空安全的重要屏障[1-3]。飛機(jī)防火試驗(yàn)包含(民用飛機(jī))機(jī)艙內(nèi)部非金屬材料阻火試驗(yàn)、座椅墊的可燃性試驗(yàn)、貨艙襯墊抗火焰燒穿試驗(yàn)、隔熱/隔音材料可燃性和火焰蔓延特性試驗(yàn)、隔熱/隔音材料的抗火焰燒穿性試驗(yàn)、飛機(jī)指定火區(qū)防火試驗(yàn)(含推進(jìn)系統(tǒng))六大類試驗(yàn)[4]。

在防火試驗(yàn)進(jìn)行的過(guò)程中結(jié)合防火試驗(yàn)數(shù)值模擬可以提高試驗(yàn)效率、節(jié)約試驗(yàn)成本、縮短試驗(yàn)時(shí)間。隨著數(shù)值計(jì)算技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展，試驗(yàn)與仿真相結(jié)合是解決工程問(wèn)題的發(fā)展趨勢(shì)。因此，開(kāi)展飛機(jī)防火試驗(yàn)的仿真研究是完成飛機(jī)防火試驗(yàn)的重要支撐。

對(duì)試驗(yàn)器燃燒過(guò)程的模擬是防火試驗(yàn)仿真的主要內(nèi)容。目前，各類飛機(jī)防火試驗(yàn)均使用NexGen Burner作為試驗(yàn)燃燒器，試驗(yàn)器以Jet-A型航空煤油作為燃料[5]。Jet-A燃燒過(guò)程模擬是主要研究對(duì)象。利用計(jì)算流體力學(xué)基本方程并在方程源項(xiàng)中加入Jet-A詳細(xì)燃燒機(jī)理的方法能準(zhǔn)確反映燃燒過(guò)程的溫度、組分隨空間、時(shí)間的分布[6]。受計(jì)算水平的制約，Jet-A詳細(xì)燃燒機(jī)理尚無(wú)法完成防火試驗(yàn)仿真[7]。目前國(guó)際上常用的Jet-A簡(jiǎn)化機(jī)理(Jet-A一步反應(yīng)機(jī)理、C12H23機(jī)理)并非以防火試驗(yàn)條件作為初始條件進(jìn)行簡(jiǎn)化，將其用于防火試驗(yàn)仿真勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致較大的誤差[8]。

因此，本文針對(duì)飛機(jī)防火試驗(yàn)條件對(duì)Jet-A燃燒反應(yīng)的詳細(xì)機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到能夠用于飛機(jī)防火試驗(yàn)仿真的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。在簡(jiǎn)化過(guò)程中，選用Sun 等[9]針對(duì)直接關(guān)系圖法優(yōu)化的路徑通量方法(Path Flux Analysis，PFA)。通過(guò)分析路徑通量對(duì)燃燒反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)化。通過(guò)不斷的迭代可以計(jì)算多代的反應(yīng)路徑通量。多代的PFA 能夠反映各個(gè)組分間的間接相關(guān)性，這種方法簡(jiǎn)化的效果優(yōu)于一代 PFA[6]。本文利用三代通量路徑分析法對(duì)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)化。選用 Dooley等人[10]給出的POSF-4658機(jī)理(包含1607組分、6633個(gè)反應(yīng)機(jī)理)作為Jet-A的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理，這是國(guó)際公認(rèn)的Jet-A燃燒反應(yīng)的詳細(xì)機(jī)理。

本文對(duì)比了詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理和簡(jiǎn)化反應(yīng)機(jī)理的點(diǎn)火延遲時(shí)間、反應(yīng)平衡時(shí)的組分濃度等參數(shù)，通過(guò)對(duì)比驗(yàn)證簡(jiǎn)化機(jī)理的準(zhǔn)確性。并將簡(jiǎn)化機(jī)理的計(jì)算結(jié)果與國(guó)際上常用的Jet-A燃燒反應(yīng)機(jī)理做比較，分析本文得到的簡(jiǎn)化機(jī)理與其他已有Jet-機(jī)理的異同。

1 路徑通量分析方法概述

2 簡(jiǎn)化機(jī)理的構(gòu)筑

本文基于反應(yīng)路徑通量分析方法對(duì)煤油燃燒的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化過(guò)程使用Princeton大學(xué)的Chem-RC[8,11]計(jì)算程序進(jìn)行三代路徑通量計(jì)算，利用CHEMKIN代碼對(duì)燃燒反應(yīng)過(guò)程中的常微分方程進(jìn)行積分完成簡(jiǎn)化機(jī)理的驗(yàn)證。研究表明，不同初始條件會(huì)使機(jī)理簡(jiǎn)化結(jié)果存在一定的不同[8]，這會(huì)直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此在簡(jiǎn)化前確定初始條件，選定壓力100PSI～110PSI，溫度1000K～1500K，油氣混合比0.8～1.5。

選定C6H5CH3、C8H18、C10H22、O2、N2這五種組分作為反應(yīng)路徑通量分析的預(yù)選燃燒反應(yīng)組分。簡(jiǎn)化機(jī)理的組分?jǐn)?shù)目、對(duì)應(yīng)的基元反應(yīng)數(shù)與給定閾值ε之間的關(guān)系如圖1所示。簡(jiǎn)化反應(yīng)機(jī)理隨閾值ε的減小趨近詳細(xì)機(jī)理，但當(dāng)閾值ε處于零的某一鄰域時(shí)，簡(jiǎn)化機(jī)理僅能維持預(yù)先選定的組分，其它的耦合關(guān)系都將忽略。由于耦合組分群體間的非線性關(guān)系導(dǎo)致燃燒反應(yīng)的組分?jǐn)?shù)目、基元反應(yīng)數(shù)目不是閾值ε的連續(xù)函數(shù)，這些燃燒組分基團(tuán)在機(jī)理中被整體保留或從機(jī)理中整體刪除。

選取ε=0.72，該閾值對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)化機(jī)理包含78種燃燒組分，196個(gè)基元反應(yīng)機(jī)理。

圖1 簡(jiǎn)化反應(yīng)機(jī)理的組分?jǐn)?shù)目、基元反應(yīng)數(shù)目與閾值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.1 The species and chemical reaction number of the reduced reaction mechanism as a function of the threshold value ε

3 簡(jiǎn)化機(jī)理的驗(yàn)證

三代路徑通量分析方法化簡(jiǎn)得到Jet-A簡(jiǎn)化機(jī)理，利用0-D均質(zhì)混合器模型和層流預(yù)混火焰模型完成準(zhǔn)確性驗(yàn)證。對(duì)比詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理和簡(jiǎn)化機(jī)理在平衡溫度、點(diǎn)火延遲時(shí)間以及層流火焰速度的差異。0-D模型以及層流火焰模型是為了對(duì)本文簡(jiǎn)化的Jet-A反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，分析其在防火試驗(yàn)條件下的燃燒特性。

圖2 0-D均質(zhì)混合器中，不同機(jī)理的溫度分布圖Fig.2 Comparison of temperature distributions in different chemical reaction mechanisms (0-D homogeneous)

在0-D均質(zhì)混合器模型中，取初始條件壓力110 PSI，初始溫度1200 K，燃料當(dāng)量混合，得到計(jì)算結(jié)果如圖2所示。0-D均質(zhì)預(yù)混燃燒模型忽略了擴(kuò)散作用對(duì)于化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的影響，假設(shè)反應(yīng)中的組分在任意時(shí)刻均勻充分的混合，這有利于從燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的角度分析不同機(jī)理的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。對(duì)于點(diǎn)火延遲時(shí)間和絕熱火焰溫度的計(jì)算，簡(jiǎn)化機(jī)理與詳細(xì)機(jī)理的計(jì)算值、實(shí)驗(yàn)值吻合良好，誤差不足3.2%。但C12H23機(jī)理和一步反應(yīng)機(jī)理的點(diǎn)火延遲時(shí)間計(jì)算值存在較大差距，這是由于C12H23機(jī)理和一步反應(yīng)機(jī)理簡(jiǎn)化過(guò)程的初始條件不是防火試驗(yàn)條件所導(dǎo)致的。所以在防火試驗(yàn)條件下，本文得到的簡(jiǎn)化機(jī)理在絕熱火焰溫度和點(diǎn)火延遲時(shí)間的預(yù)測(cè)上精度較高。

在零維均質(zhì)混合器中，初始?jí)毫?10 PSI，燃料當(dāng)量混合，初始溫度1000 K～1500 K，點(diǎn)火延遲時(shí)間隨初始溫度的變化如圖3所示。簡(jiǎn)化機(jī)理與詳細(xì)機(jī)理、實(shí)驗(yàn)值的點(diǎn)火延遲時(shí)間有很好的吻合度。簡(jiǎn)化機(jī)理在防火試驗(yàn)條件下計(jì)算得到的點(diǎn)火延遲時(shí)間明顯比C12H23機(jī)理和一步反應(yīng)機(jī)理準(zhǔn)確?？傊?jiǎn)化機(jī)理在防火試驗(yàn)仿真中明顯優(yōu)于其他的Jet-A機(jī)理。

圖3 不同溫度條件下各個(gè)機(jī)理的點(diǎn)火延遲時(shí)間的對(duì)比Fig.3 Comparison of computed ignition delay time using various mechanisms at different initial temperatures

圖4 Jet-A燃料/空氣混合物在不同化學(xué)計(jì)量比下的層流火焰速度Fig.4 Laminar flame speed of mixture (Jet-A/air) premixed flames as a function of the equivalence ratio

圖4中對(duì)比了Jet-A簡(jiǎn)化機(jī)理計(jì)算的層流火焰速度與實(shí)驗(yàn)值[12]，燃料溫度500 K，壓力100 PSI。層流預(yù)混火焰模型不但分析了燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響，而且分析了對(duì)流和擴(kuò)散的影響，這個(gè)模型與實(shí)際Jet-A氣相燃燒過(guò)程接近。由圖4可知，在當(dāng)量比介于0.8～1.4的區(qū)間內(nèi)，本文得到的簡(jiǎn)化機(jī)理的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)值比較接近；而且在較大的貧油或富油范圍內(nèi)計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值也比較接近。在較寬的當(dāng)量比范圍內(nèi)本文得到的Jet-A燃料簡(jiǎn)化機(jī)理能夠很好地反應(yīng)實(shí)際Jet-A燃料的傳播特性，這在燃燒場(chǎng)模擬過(guò)程中是十分重要的。

本文根據(jù)飛機(jī)防火試驗(yàn)條件下得到的Jet-A簡(jiǎn)化機(jī)理的點(diǎn)火延遲時(shí)間、平衡溫度及火焰速度與詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理的計(jì)算結(jié)果接近，簡(jiǎn)化機(jī)理計(jì)算的層流火焰速度能夠復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中的數(shù)值。Jet-A燃料的簡(jiǎn)化機(jī)理能在一定程度上定量地預(yù)測(cè)Jet-A燃料真實(shí)的燃燒過(guò)程。

4 結(jié)論

本文使用三代反應(yīng)路徑通量分析方法，以飛機(jī)防火試驗(yàn)工況作為簡(jiǎn)化初始條件對(duì)詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化機(jī)理包含78種燃燒組分、196個(gè)基元反應(yīng)。利用簡(jiǎn)化機(jī)理計(jì)算了Jet-A燃料的點(diǎn)火延遲時(shí)間、平衡溫度(絕熱火焰溫度)和層流火焰速度，并與詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果表明本文的簡(jiǎn)化模型在飛機(jī)防火試驗(yàn)條件下可以準(zhǔn)確反映出Jet-A的氣相燃燒反應(yīng)過(guò)程，能夠用于飛機(jī)防火試驗(yàn)的數(shù)值模擬。與詳細(xì)的反應(yīng)機(jī)理相比，簡(jiǎn)化機(jī)理去除了約80%的燃燒組分，將組分?jǐn)?shù)減少到195種。該簡(jiǎn)化機(jī)理能夠用于防火試驗(yàn)仿真之中，本文得到的燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型可以比較準(zhǔn)確地模擬試驗(yàn)器的燃燒場(chǎng)。該模型在求解中可以減少方程的維數(shù)，明顯的削減計(jì)算量。將簡(jiǎn)化機(jī)理應(yīng)用于燃燒場(chǎng)模擬能夠節(jié)約計(jì)算時(shí)間和計(jì)算資源成本。因此，應(yīng)用該Jet-A反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行的防火試驗(yàn)?zāi)M可以為防火試驗(yàn)提供有效的支持。

防火試驗(yàn)利用燃燒器產(chǎn)生燃燒場(chǎng)模擬火災(zāi)情景，兩者對(duì)應(yīng)的工況相似，因此本文得到的燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型還可用于飛機(jī)火災(zāi)模擬仿真的研究之中。

致謝

本文受到中國(guó)民航大學(xué)天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金的資助。感謝美國(guó)Connecticut大學(xué)的Tianfeng Lu 教授在本文工作過(guò)程中的指導(dǎo)，以及為本文提供Chem-RC代碼。

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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

中國(guó)民航大學(xué)天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金(ZXH2012J003)。

王偉，博士，副教授，研究方向?yàn)楹娇掌鬟m航審定技術(shù)。

劉帥，E-mail:caucliushuai@163.com

1004-5309(2016)-00179-04

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.04.01

X932

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