Technisches Resümee: Numerische Simulationsstudie zum Zündprozess einer wasserstoffbasierten Mikro-Mixed-Diffusionsverbrennungskammer

Problemstellung

Im Zuge des strategischen Ziels der „Dual Carbon“-Politik wird Wasserstoff zunehmend als kritische Komponente für die Transformation der Antriebsstrukturen von Flugzeugtriebwerken angesehen. Die hohe Reaktivität, die niedrige Zündenergie und der weite Zündbereich von Wasserstoff stellen jedoch erhebliche Sicherheitsherausforderungen dar, insbesondere innerhalb der begrenzten Räume von Verbrenskammern. Eine Zündung in solchen Umgebungen birgt ein hohes Risiko für Überdruck (in dieser Studie definiert als eine lokale Drucksteigerung von mehr als 5 % des Anfangsdrucks) und potenzielle Explosionen. Während die Mikro-Mixed-Diffusionsverbrennungstechnologie eine Lösung bietet, indem sie Flammen in Mikroregionen aufteilt, um die Vermischung zu verbessern und Emissionen zu reduzieren, bleibt die Forschung bezüglich der spezifischen Zündrisiken und Explosionscharakteristika von reinem Wasserstoff in solchen geschlossenen Räumen in einem „Leerzustand“. Die bestehende Literatur konzentriert sich weitgehend auf wasserstoffdotierte Brennstoffe oder unbegrenzte Leckageszenarien, wodurch eine Wissenslücke hinsichtlich der Zünddynamik von reinen Wasserstoff-Mikro-Mixed-Kammern unter variierenden Einspritz- und Zündstrategien besteht.

Methodik

Die Studie verwendet einen numerischen Simulationsansatz unter Verwendung der Software ANSYS-FLUENT, um den Zündungsprozess einer wasserstoffbasierten Mikro-Mixed-Diffusionsverbrennungskammer zu untersuchen.

• Physikalisches Modell: Das Simulationsgebiet basiert auf einer erweiterten Anordnung der einstufigen dreidimensionalen Injektorstruktur der Cranfield University, bestehend aus einer 260 mm langen Verbrennungskammer, einem 70 mm langen Tail-Konvergenktionsabschnitt und sechs Sätzen von Injektoren (jeweils mit Luft- und Wasserstoffeinlässen).
• Numerischer Aufbau:
  • Algorithmus: Druckbasierter, geschwindigkeitsgekoppelter „Coupled“-Algorithmus.
  • Turbulenzmodell: Auswahl basierend auf vorangegangener Forschung von Yilmaz Harun et al., um die Genauigkeit für die Wasserstoffverbrennung zu gewährleisten.
  • Verbrennungsmodell: Eddy Dissipation Concept (EDC), um chemische Reaktionen in der turbulenten Strömung zu erfassen.
  • Chemie: Der ÓConaire-Komplex des Wasserstoff-Reaktionsmechanismus (10 Komponenten, 21 Reaktionsschritte).
• Randbedingungen: Das Äquivalenzverhältnis ist auf 0,4 fixiert. Die Einlassbedingungen umfassen eine Gesamtlufttemperatur von 422 K und einen Druck von 243,47 kPa. Die Zündquelle wird als Hochtemperatur-Wärmequelle (2000 K, 3 mm Radius) modelliert.
• Sicherheitskriterium: Unter Bezugnahme auf GB/T 42368-2023 gilt eine Explosion als erfolgt, wenn das instantane Druckverhältnis ($P_r = P_m / P_{t3}$) den Wert 1,05 erreicht oder überschreitet.
• Verifizierung: Die Gitterunabhängigkeit wurde mittels strukturierter Gitter mit 0,2 mm, 0,3 mm und 0,5 mm verifiziert. Das 0,3 mm-Gitter wurde ausgewählt, da es Ergebnisse lieferte, die mit dem 0,2 mm-Gitter konsistent waren und gleichzeitig die Genauigkeitsanforderungen erfüllten.

Zentrale Beiträge und Ergebnisse

Die Studie analysiert systematisch die Verbrennungs- und Explosionscharakteristika unter verschiedenen Einspritz-Zünd-Zeitpunkten (stabile Füllung, Ende der Füllung, halbe Füllung) und unterschiedlichen Startlasten (volle, 1/2 und 2/3 Arbeitsbedingungen).

1. Zündzeitpunkt und Mischungshomogenität

• Stabile Füllung (Zeit A): Unter stabiler Füllung breitet sich die Flamme relativ glatt aus, erfährt jedoch in der frühen Phase ein Rückschlagen (Backfire). Überdruckereignisse treten auf, wobei der höchste Spitzendruck ($P_r = 1,185$) bei $t = 75,5$ ms nahe den Wasserstoffauslässen der Injektoren ④ und ⑤ auftritt.
• Ende der Füllung (Zeit B): Eine Zündung am Ende der Ffüllung führt zu einer hochgradig inhomogenen Mischung mit Konzentrationsgradienten. Dies führt zu Flammenablösung und signifikant höheren Überdruckrisiken im Vergleich zur stabilen Füllung. Der höchste Druckpeak erreichte $P_r = 1,48$ bei $t = 194,98$ ms in der Pipeline des Injektors ①.
• Halbe Füllung (Zeit C): Dieser Zustand weist das instabilste Strömungsfeld auf, wobei die zweite Hälfte der Kammer reine Luft enthält. Die Zündung erreicht keine Flammenverbindung, und die Flamme neigt zum Ausblasen. Das Risiko von Überdruck ist hier am höchsten, mit einem Spitzendruck von $P_r = 1,54$ bei $t = 207,47$ ms. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass eine Zündung zum Zeitpunkt der halben Füllung unsicher und unzuverlässig ist.

2. Startlasten und Einspritzstrategien

• Volle Arbeitsbedingung: Zeigt moderate Überdruckrisiken mit häufigem Rückschlagen.
• 1/2 Arbeitsbedingung: Die Reduzierung der Anzahl der aktiven Injektoren (nur die untere Hälfte) verringert die durchschnittliche Temperatur und die Reaktionswärme, erhöht aber paradoxerweise die Anzahl und Amplitude der Überdrücke aufgrund der Instabilität des Strömungsfeldes.
• 2/3 Arbeitsbedingung: Die Verwendung der mittleren vier Injektoren mit einer symmetrischen Zündposition (Zündposition 2) reduziert die Risiken erheblich. Die durchschnittliche Druckpulsationsamplitude sinkt auf 0,61 kPa, und es tritt nur ein geringfügiges Überdruckereignis ($P_r = 1,072$) auf, was auf eine spezifische geometrische Spannungskonzentration nahe Injektor ④ zurückzuführen ist.

3. Optimales Zündschema

Die Studie identifiziert eine spezifische sequentielle Zündstrategie als optimale Lösung:

1. Nur die beiden mittleren Wasserstoffinjektoren (③ und ④) öffnen, um eine stabile, symmetrische Flamme zu etablieren.
2. Nach 50 ms die benachbarten Injektoren (② und ⑤) öffnen, um die Verbrennung auszudehnen.
   Ergebnisse: Dieser symmetrische, gestaffelte Ansatz eliminiert das Rückschlagphänomen während des gesamten Detektionszeitraums vollständig. Es wurden keine Überdruckereignisse ($P_r \geq 1,05$) beobachtet. Die Reaktionswärme und die Druckschwankungen verlaufen glatt, und die Flamme breitet sich stabil aus, ohne die heftigen Oszillationen, die bei asymmetrischen oder nicht-sequentiellen Strategien auftreten.

Bedeutung und Ansprüche

Die Arbeit beansprucht, die erste theoretische Unterstützung für die sichere und zuverlässige Zündung der chinesischen Luftfahrt-Wasserstoff-Mikro-Mixed-Verbrennungskammern zu liefern und damit eine bisher unerschlossene Forschungslücke zu schließen.

• Mechanismus des Überdrucks: Die Studie stellt klar, dass Überdruck direkt mit dem Rückschlagen korreliert. Er tritt auf, wenn lokale Hochtemperaturen durch das Rückschlagen auf Kanten, Ecken, Injektorstufen und Wände treffen, was zu einer Druckakkumulation führt.
• Rolle der Homogenität: Die Forschung zeigt, dass Mischungsinhomogenität, ungeeignete Zündzeitpunkte und asymmetrische Einspritzbedingungen die primären Treiber für die erhöhte Häufigkeit und Amplitude von Überdrücken sind.
• Praktische Empfehlung: Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass die Reduzierung der Anzahl der Wasserstoff-Einspritzöffnungen unter symmetrischen Bedingungen eine effektive Methode zur Minderung von Überdruck ist. Speziell wird das Zündschema „zuerst die zwei mittleren, dann die Expansion“ als die optimale Strategie vorgeschlagen, um Verbrennungsinstabilitäten und Explosionsrisiken zu minimieren.

Die Studie betont, dass während die 2/3-Lastbedingung mit symmetrischer Einspritzung das Risiko senkt, die sequentielle Zündung der zwei mittleren Gruppen gefolgt von der Expansion den stabilsten Prozess mit dem geringsten Überdruckrisiko bietet und somit die Bedingungen, die zu Wasserstoffexplosionen in geschlossenen Mikro-Mixed-Kammern führen, effektiv verhindert.