Sintesi Tecnica: Studio di Simulazione Numerica sul Processo di Accensione di una Camera di Combustione a Micro-Miscelazione di Diffusione di Idrogeno

Definizione del Problema

Sotto l'obiettivo strategico del "doppio carbonio", l'idrogeno è sempre più visto come un componente critico per la trasformazione delle strutture energetiche dei motori aeronautici. Tuttavia, l'alta reattività, la bassa energia di accensione e l'ampio intervallo di accensione dell'idrogeno presentano sfide significative per la sicurezza, in particolare all'interno degli spazi confinati delle camere di combustione. L'accensione in tali ambienti comporta un elevato rischio di sovrapressione (definita in questo studio come un aumento della pressione locale superiore al 5% della pressione iniziale) e potenziali esplosioni. Sebbene la tecnologia di combustione a micro-miscelazione di diffusione offra una soluzione dividendo le fiamme in micro-regioni per migliorare la miscelazione e ridurre le emissioni, la ricerca riguardante i rischi specifici di accensione e le caratteristiche esplosive dell'idrogeno puro in tali spazi confinati rimane in una "fase di vuoto". La letteratura esistente si concentra ampiamente su combustibili drogati con idrogeno o scenari di perdite non confinate, lasciando un vuoto nella comprensione della dinamica di accensione di camere a micro-miscelazione di idrogeno puro sotto diverse strategie di iniezione e accensione.

Metodologia

Lo studio impiega un approccio di simulazione numerica utilizzando il software ANSYS-FLUENT per investigare il processo di accensione di una camera di combustione a micro-miscelazione di diffusione di idrogeno.

• Modello Fisico: Il dominio di simulazione si basa su una matrice estesa della struttura dell'iniettore singolo tridimensionale della Cranfield University, caratterizzata da una camera di combustione lunga 260 mm, una sezione di convergenza della coda di 70 mm e sei set di iniettori (ciascuno con ingressi di aria e idrogeno).
• Configurazione Numerica:
  • Algoritmo: Algoritmo Coupled basato sulla pressione e velocità accoppiata.
  • Modello di Turbolenza: Selezionato sulla base delle ricerche precedenti di Yilmaz Harun et al., per garantire l'accuratezza per la combustione di idrogeno.
  • Modello di Combustione: Eddy Dissipation Concept (EDC) per catturare le reazioni chimiche nel flusso turbolento.
  • Chimica: Meccanismo di reazione dell'idrogeno complesso di ÓConaire (10 componenti, 21 passaggi di reazione).
• Condizioni al Contorno: Il rapporto di equivalenza è fissato a 0,4. Le condizioni all'ingresso includono una temperatura totale dell'aria di 422 K e una pressione di 243,47 kPa. La sorgente di accensione è modellata come una sorgente di calore ad alta temperatura (2000 K, raggio di 3 mm).
• Criterio di Sicurezza: Riferendosi alla norma GB/T 42368-2023, si considera che un'esplosione avvenga se il rapporto di pressione istantaneo ($P_r = P_m / P_{t3}$) raggiunge o supera 1,05.
• Verifica: L'indipendenza dalla griglia è stata verificata utilizzando griglie strutturate di 0,2 mm, 0,3 mm e 0,5 mm. È stata selezionata la griglia da 0,3 mm poiché forniva risultati coerenti con la griglia da 0,2 mm pur soddisfacendo i requisiti di accuratezza.

Contributi Chiave e Risultati

Lo studio analizza sistematicamente le caratteristiche di combustione ed esplosione sotto diversi tempi di iniezione-accensione (riempimento stabile, fine del riempimento, metà riempimento) e diversi carichi di partenza (condizioni di lavoro complete, 1/2, 2/3).

1. Tempo di Accensione e Omogeneità della Miscela

• Riempimento Stabile (Tempo A): In condizioni di riempimento stabile, la fiamma si propaga relativamente in modo fluido ma subisce un backfire (ritorno di fiamma) nella fase iniziale. Si verificano eventi di sovrapressione, con la pressione di picco più elevata ($P_r = 1,185$) che appare a $t = 75,5$ ms vicino alle uscite dell'idrogeno degli iniettori ④ e ⑤.
• Fine del Riempimento (Tempo B): L'accensione alla fine del riempimento risulta in una miscela altamente non uniforme con gradienti di concentrazione. Ciò porta alla separazione della fiamma e a rischi di sovrapressione significativamente più elevati rispetto al riempimento stabile. Il picco di pressione più alto ha raggiunto $P_r = 1,48$ a $t = 194,98$ ms nella condotta dell'iniettore ①.
• Metà Riempimento (Tempo C): Questa condizione presenta il campo di flusso più instabile, con aria pura nella seconda metà della camera. L'accensione non riesce a ottenere la connessione della fiamma e la fiamma tende allo spegnimento (blow out). Il rischio di sovrapressione è massimo qui, con una pressione di picco di $P_r = 1,54$ a $t = 207,47$ ms. Lo studio conclude che l'accensione al tempo di metà riempimento è insicura e inaffidabile.

2. Carichi di Partenza e Strategie di Iniezione

• Condizione di Lavoro Completa: Esibisce rischi di sovrapressione moderati con frequenti backfire.
• Condizione di Lavoro 1/2: Ridurre il numero di iniettori attivi (solo la metà inferiore) diminuisce la temperatura media e il calore di reazione ma, paradossalmente, aumenta il numero e l'ampiezza delle sovrapressioni a causa dell'instabilità del campo di flusso.
• Condizione di Lavoro 2/3: L'utilizzo dei quattro iniettori centrali con una posizione di accensione simmetrica (Posizione di Accensione 2) riduce significativamente i rischi. L'ampiezza media della pulsazione di pressione scende a 0,61 kPa e si verifica solo un evento minore di sovrapressione ($P_r = 1,072$), attribuito a una specifica concentrazione di stress geometrico vicino all'iniettore ④.

3. Schema di Accensione Ottimale

Lo studio identifica una specifica strategia di accensione sequenziale come la soluzione ottimale:

1. Aprire solo i due iniettori di idrogeno centrali (③ e ④) per stabilire una fiamma stabile e simmetrica.
2. Dopo 50 ms, aprire gli iniettori adiacenti (② e ⑤) per espandere la combustione.
   Risultati: Questo approccio simmetrico e a stadi elimina completamente i fenomeni di backfire durante il periodo di rilevamento. Non sono stati osservati eventi di sovrapressione ($P_r \geq 1,05$). Il calore di reazione e le fluttuazioni di pressione rimangono stabili e la fiamma si propaga senza le violente oscillazioni viste nelle strategie asimmetriche o non sequenziali.

Significato e Rivendicazioni

L'articolo afferma di fornire il primo supporto teorico per l'accensione sicura e affidabile delle camere di combustione a micro-miscelazione di combustibile per idrogeno dell'aviazione cinese, affrontando un vuoto di ricerca precedentemente inesplorato.

• Meccanismo di Sovrapressione: Lo studio chiarisce che la sovrapressione è direttamente correlata al backfire. Essa si verifica quando le alte temperature locali del backfire incontrano bordi, angoli, gradini degli iniettori e pareti, causando l'accumulo di pressione.
• Ruolo dell'Omogeneità: La ricerca dimostra che l'inomogeneità della miscela, l'inappropriato tempo di accensione e le condizioni di iniezione asimmetriche sono i principali driver per l'aumento della frequenza e dell'ampiezza della sovrapressione.
• Raccomandazione Pratica: Gli autori concludono che ridurre il numero di porte di iniezione dell'idrogeno in condizioni simmetriche è un metodo efficace per mitigare la sovrapressione. Nello specifico, viene proposta la strategia di accensione "prima i due centrali, poi espandi" come la soluzione ottimale per minimizzare l'instabilità della combustione e i rischi di esplosione.

Lo studio sottolinea che, sebbene la condizione di carico 2/3 con iniezione simmetrica riduca il rischio, l'accensione sequenziale dei due gruppi centrali seguita dall'espansione offre il processo più stabile con il minor rischio di sovrapressione, prevenendo efficacemente le condizioni che portano alle esplosioni di idrogeno nelle camere a micro-miscelazione confinate.