Technische Samenvatting: Numerieke Simulatiestudie naar het Ontstakingsproces van een Waterstof Micro-Mixed Diffusie Verbrandingskamer

Probleemstelling

Onder het strategische doel van "dubbele koolstof" wordt waterstof steeds meer beschouwd als een cruciaal onderdeel voor de transformatie van de energie-energie-structuur van vliegtuigmotoren. Echter, de hoge reactiviteit, lage ontstekingsenergie en brede ontstekingsbereik van waterstof brengen aanzienlijke veiligheidsuitdagingen met zich mee, met name binnen de besloten ruimtes van verbrandingskamers. Ontsteking in dergelijke omgevingen brengt een hoog risico op overdruk (in deze studie gedefinieerd als een lokale drukverhoging van meer dan 5% van de initiële druk) en potentiële explosies met zich mee. Hoewel micro-mixed diffusie-verbrandingstechnologie een oplossing biedt door vlammen in micro-regio's te verdelen om menging en emissies te verbeteren, blijft onderzoek naar de specifieke ontstakingsrisico's en explosiekenmerken van zuivere waterstof in dergelijke besloten ruimtes een "leeg stadium". Bestaande literatuur richt zich grotendeels op waterstof-gedoteerde brandstoffen of ongecontroleerde lekkagescenario's, waardoor er een gat is in het begrip van de waterstof-ontstakingsdynamiek in micro-mixed kamers onder variërende injectie- en ontstakingsstrategieën.

Methodologie

De studie maakt gebruik van een numerieke simulatiebenadering met behulp van de ANSYS-FLUENT software om het ontstakingsproces van een waterstof micro-mixed diffusie verbrandingskamer te onderzoeken.

• Fysiek Model: Het simulatiedomein is gebaseerd op een uitgebreid array van de enkele driedimensionale injectorstructuur van Cranfield University, bestaande uit een 260 mm lange verbrandingskamer, een 70 mm staartconvergentiegedeelte en zes sets injectoren (elke set met lucht- en waterstofinlaat).
• Numerieke Instelling:
  • Algoritme: Pressure-based velocity-coupled Coupled algoritme.
  • Turbulentiemodel: Geselecteerd op basis van voorafgaand onderzoek door Yilmaz Harun et al., om nauwkeurigheid voor waterstofverbranding te garanderen.
  • Verbrandingsmodel: Eddy Dissipation Concept (EDC) om chemische reacties in turbulente stroming te vangen.
  • Chemie: Het ÓConaire complexe waterstofreactiemechanisme (10 componenten, 21 reactiestappen).
• Randvoorwaarden: De equivalentieratio is vastgesteld op 0,4. De inlaatcondities omvatten een totale luchttemperatuur van 422 K en een druk van 243,47 kPa. De ontstekingbron wordt gemodelleerd als een hoogwaardige warmtebron (2000 K, 3 mm straal).
• Veiligheidscriterium: Refererend aan GB/T 42368-2023, wordt een explosie geacht plaats te vinden als de instantane drukratio ($P_r = P_m / P_{t3}$) de 1,05 bereikt of overschrijdt.
• Verificatie: Grid-onafhankelijkheid werd geverifieerd met gestructureerde grids van 0,2 mm, 0,3 mm en 0,5 mm. Het 0,3 mm grid werd gekozen omdat het resultaten bood die consistent waren met het 0,2 mm grid, terwijl het aan de nauwkeurigheidseisen voldeed.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

De studie analyseert systematisch de verbrandings- en explosiekenmerken onder verschillende injectie-ontstaktijden (stabiele vulling, einde van vulling, halve vulling) en verschillende startbelastingen (volledige, 1/2, 2/3 werkcondities).

1. Ontstaktijd en Mengselhomogeniteit

• Stabiele Vulling (Tijd A): Onder stabiele vulling plant de vlam relatief soepel voort, maar ervaart een terugslag (backfire) in de vroege fase. Overdrukgebeurtenissen treden op, waarbij de hoogste piekdruk ($P_r = 1,185$) verschijnt bij $t = 75,5$ ms nabij de waterstofuitlaten van injectoren ④ en ⑤.
• Einde van Vulling (Tijd B): Ontsteking aan het einde van de vulling resulteert in een zeer niet-uniform mengsel met concentratiegradiënten. Dit leidt tot vlamscheiding en aanzienlijk hogere overdrukrisico's vergeleken met stabiele vulling. De hoogste drukpiek bereikte $P_r = 1,48$ bij $t = 194,98$ ms in de injectorleiding van injector ①.
• Halve Vulling (Tijd C): Deze conditie presenteert het meest onstabiele stromingsveld, met zuivere lucht in de tweede helft van de kamer. Ontsteking slaagt er niet in een vlamverbinding te bereiken, en de vlam heeft de neiging uit te blazen. Het risico op overdruk is hier het grootst, met een piekdruk van $P_r = 1,54$ bij $t = 207,47$ ms. De studie concludeert dat ontsteking op de halve vultijd onveilig en onbetrouwbaar is.

2. Startbelastingen en Injectiestrategieën

• Volledige Werkconditie: Vertoont matige overdrukrisico's met frequente terugslag.
• 1/2 Werkconditie: Het verminderen van het aantal actieve injectoren (alleen de onderste helft) verlaagt de gemiddelde temperatuur en reactiewarmte, maar verhoogt paradoxaal genoeg het aantal en de amplitude van overdrukken door de instabiliteit van het stromingsveld.
• 2/3 Werkconditie: Het gebruik van de middelste vier injectoren met een symmetrische ontstakingspositie (Ontstakingspositie 2) vermindert de risico's aanzienlijk. De gemiddelde drukpulsatie-amplitude daalt naar 0,61 kPa, en slechts één minder belangrijke overdrukgebeurtenis ($P_r = 1,072$) treedt op, wat wordt toegeschreven aan een specifieke geometrische spanningsconcentratie nabij injector ④.

3. Optimale Ontstakingsschema

De studie identificeert een specifieke sequentiële ontstakingsstrategie als de optimale oplossing:

1. Open alleen de twee middelste waterstofinjectoren (③ en ④) om een stabiele, symmetrische vlam te vestigen.
2. Open na 50 ms de aangrenzende injectoren (② en ⑤) om de verbranding uit te breiden.
   Resultaten: Deze symmetrische, gefaseerde aanpak elimineert terugslagfenomenen volledig tijdens de detectieperiode. Geen overdrukgebeurtenissen ($P_r \geq 1,05$) werden waargenomen. De reactiewarmte en drukfluctuaties blijven stabiel, en de vlam plant zich stabiel voort zonder de heftige oscillaties die worden gezien bij asymmetrische of niet-sequentiële strategieën.

Betekenis en Claims

Het artikel claimt de eerste theoretische ondersteuning te bieden voor de veilige en betrouwbare ontstaking van de Chinese luchtvaart waterstof brandstof micro-mixed verbrandingskamers, waarmee een eerder onverkend onderzoeksgat wordt gedicht.

• Mechanisme van Overdruk: De studie verduidelijkt dat overdruk direct gecorreleerd is met terugslag. Het treedt op wanneer lokale hoge temperaturen van terugslag in contact komen met randen, hoeken, injectorstappen en wanden, wat drukaccumulatie veroorzaakt.
• Rol van Homogeniteit: Het onderzoek toont aan dat mengselinhomogeniteit, ongepaste ontstaktijd en asymmetrische injectiecondities de primaire drijfveren zijn voor de toename van de frequentie en amplitude van overdruk.
• Praktische Aanbeveling: De auteurs concluderen dat het verminderen van het aantal waterstofinjectiepoorten onder symmetrische condities een effectieve methode is om overdruk te beperken. Specifiek wordt het "eerst de twee middelste, dan uitbreiden" ontstakingsschema voorgesteld als de optimale strategie om verbrandingsinstabiliteit en explosierisico's te minimaliseren.

De studie benadrukt dat hoewel de 2/3 belastingconditie met symmetrische injectie het risico vermindert, de sequentiële ontsteking van twee middelste groepen gevolgd door expansie het meest stabiele proces biedt met het laagste overdrukrisico, waardoor de condities die leiden tot waterstofexplosies in besloten micro-mixed kamers effectief worden voorkomen.