实现氢燃烧的可持续发展

氢有望使我们经济的许多部门脱碳。它可以直接用于无碳动力的燃料电池，或在燃气轮机它的高能量密度、较高的自燃温度和稀薄燃烧能力受到青睐。最后是巴黎气候协定和航空社区承诺到2050年大幅降低排放，这也推动了氢燃烧的研究和开发。

尽管氢气有成为“黄金”燃料或能量载体的潜力，但在发动机中燃烧氢气会带来一些挑战，包括闪回、声音不稳定、自燃和燃烧器内火焰不稳。工程师可以通过模拟来解决这些挑战。

仿真节省时间和成本

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，而且使用100%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表征燃气轮机燃烧室内部的许多复杂现象。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，该空气热场是由计算流体动力学(CFD)分析方法预测的Ansys流利．

要准确预测燃气涡轮发动机内部的这种复杂现象和排放，需要高保真度和经过验证的尺度解析湍流模型、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)湍流模型与镶嵌网格技术求解高度非定常流动结构。采用欧拉-拉格朗日框架下的离散相模型来模拟燃油喷雾，同时考虑了二次破碎。燃烧过程采用火焰生成歧管(FGM)模型，该模型通过混合分数和反应过程来表示热化学反应。该建模策略(SBES-FGM)已被证实可以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。

氢燃烧模拟的应用

上述带有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。这些扩展包括对反应过程变量的修改定义，以及在某些情况下解释微分扩散(不同物质的质量和热扩散率不同)。图2在Cabra案例上成功地应用了这种氢燃烧建模框架¹，是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 polyhexcore网格在感兴趣的区域(右)。

上述Cabra案例中的氢燃料射流被2,200个稀薄预混氢/空气火焰燃烧产物的同轴共流所包围。采用Fluent中基于压力的求解器进行大涡模拟(LES)，采用Smagorinky Lilly动态公式对子网格尺度进行建模。燃烧使用FGM建模，进度变量源项具有有限速率闭合，进度变量(PV)和混合分数(Z)方差的代数公式。图3中的视频显示了在选定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:大涡模拟捕获的氢火焰(左为热场，右为混合分数)细节。

图3中的视频显示，支持马赛克的多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所示的各变量径向图和热场等高线图将数值预测结果与实验结果进行了对比。

很明显，LES-FGM模拟预测的混合分数、温度和物种分布与实验数据非常接近。模拟也准确地再现了火焰前缘的厚度。前缘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，从而与实验数据密切一致。

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努力。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仿真来表征和解决。传统发动机的燃烧模拟方法已经得到了扩展，并被证明可以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多可持续的低碳产品推向市场，同时节省成本。

1.R. Cabra, T. Myhrvold, J.Y. Chen, R. w . Dibble, A.N. Karpetis, R. s . Barlow, Proc。研究所29 (2002)1881-1888