实现氢燃烧的可持续承诺

氢将使我们经济的许多部门脱碳。它可以直接用于无碳能源的燃料电池中，或者用于燃气轮机其高能量密度，较高的自动点火温度和稀燃能力是有利的。最后是《巴黎气候协定》航空欧盟承诺到2050年大幅降低排放，这也推动了氢燃烧的研究和开发。

尽管氢具有作为“黄金”燃料或能量载体的潜力，但在发动机中燃烧氢会带来一些挑战，包括倒叙、声学不稳定、自燃和燃烧器内的火焰保持。工程师可以通过模拟来解决这些挑战。

模拟节省时间和成本

钻机测试确实提供了有价值的信息，有助于应对这些挑战，但它既昂贵又耗时，而且100%使用氢气，可能意味着牺牲钻机的关键部件和仪器。数值模拟可以更深入地描述燃气轮机燃烧室内的许多复杂现象。例如:图1中的视频展示了一个复杂的航空发动机燃烧室内的空气热场，由计算流体动力学(CFD)分析预测，使用Ansys流利．

准确预测燃气涡轮发动机内部的复杂现象和排放需要高保真度和验证尺度的湍流模型、燃烧模型和快速瞬态数值方案。在上面的例子中，应力混合涡流模拟(SBES)湍流模型结合使用镶嵌网格技术从Ansys求解高度非定常流动结构。在欧拉-拉格朗日框架中的离散相建模用于模拟燃料喷雾，同时考虑二次破碎。燃烧过程采用小火焰生成流形(FGM)模型进行模拟，该模型通过混合馏分和反应过程来表征热化学。该建模策略(SBES-FGM)已被验证为准确预测喷气发动机和陆基燃气轮机燃烧室的火焰行为和排放。

氢气燃烧的模拟应用

上述可选扩展的建模技术也已被证明适用于氢混合燃料或纯氢燃料。这种扩展包括对反应过程变量的修改定义，在某些情况下还考虑了差异扩散(不同物种的质量和热扩散系数不同)。图2在Cabra案例中成功地应用了这种氢燃烧建模框架¹，这是一般燃气轮机预混系统中具有代表性的持焰结构。

图2:Cabra的案例(左)。Ansys聚六核网格在感兴趣的区域(右)。

上面卡布拉案例中的氢燃料喷射被2200个稀薄预混氢/空气火焰燃烧产物的同轴共流包围。在Fluent中使用基于压力的求解器进行大涡模拟(LES)，并使用动态Smagorinky Lilly公式对亚网格尺度进行建模。燃烧模型使用FGM，过程变量源项具有有限速率闭包，过程变量(PV)和混合分数(Z)方差具有代数公式。图3中的视频显示了在选定的时间段内，根据温度和混合物分数分布预测的氢火焰结构。

图3:氢火焰(左边为热场，右边为混合分数)通过大涡模拟捕捉到的细节。

图3中的视频显示，Mosaic-enabled聚六核网格提供了良好的空间分辨率，以捕捉剪切层中不稳定的形成。图4和图5所示的各变量的径向图和热场的等高线图，将数值预测与实验测量进行了比较。

可以看出，LES-FGM模拟所得的混合分数、温度和种类分布与实验数据吻合得非常好。模拟也能准确再现火焰前缘厚度。前沿火焰的预测是影响下游混合的全火焰预测的关键。使用扩散小火焰方法可以更准确地再现火焰锚定，结果与实验数据接近。

模拟支持氢脱碳工作

氢动力燃气涡轮发动机有望引领能源部门和可持续航空领域的脱碳工作。在燃气轮机中使用氢气的最复杂的技术挑战可以通过高保真模拟来描述和解决。模拟传统发动机燃烧的成熟方法已经得到了扩展，并显示出还能准确预测氢燃烧固有的复杂性。将这些模拟方法应用于氢燃烧，可以帮助能源和航空部门更快地将更可持续的低碳产品推向市场，同时节省成本。

1.R.卡布拉，T.梅尔沃尔德，陈俊勇，R. w .迪布尔，A.N.卡佩蒂斯，R. s .巴洛，燃烧过程。研究所29 (2002)1881-1888