复合循环发动机再循环与喷水条件下的NOx排放建模：一种基于物理的降阶方法

《The Aeronautical Journal》：$\mathrm{NO}_x$ emission modelling for composite cycle engines with recirculation and water injection: A reduced-order physics-based approach

　　

摘要专业翻译 复合循环发动机（CCE）为未来航空器大幅降低燃油消耗提供了一条有前景的技术路径。通过将活塞系统集成至燃气轮机核心机，CCE能够利用更高的循环峰值温度和压力，从而实现热效率的阶跃式提升。然而，这些条件也促进了NOx生成水平的升高。本文提出了一种用于在活塞发动机及下游焦耳（Joule）燃烧室中进行NOx排放初步估算的方法论。研究建立了能够捕捉关键NOx敏感性（尤其是通过喷水和废气再循环（EGR）实现燃烧贫化对排放的影响）的快速响应参数化模型。活塞NOx采用两区（two-zone）方法进行建模，该方法与文献中的参考发动机数据展现出良好的相关性。对于焦耳燃烧室，研究采用随机流描述来预测NOx生成，并通过对一台在役燃烧室的验证确认了该模型的预测能力。初步研究表明，活塞发动机基线NOx排放较高，但通过喷水或EGR可实现显著减排。该工作为未来研究CCE及其他先进燃烧技术的排放特性及必要的减排策略建立了分析框架。

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一、研究背景与问题

航空业正面临双重压力：一方面需显著降低对气候的影响，另一方面须保持低燃油消耗以维持航空公司竞争力。在众多新型推进概念中，复合循环发动机（CCE）已历经多年研究。该概念将活塞发动机系统引入燃气轮机核心机，其中自由双活塞（FDP）构型因其仅作为气体发生器运行、不提供机械功率输出，且采用集成式活塞压缩机和对置气缸共用一个活塞元件，具有潜在的质量优势而备受关注。

CCE通过封闭容积燃烧以及更高的循环峰值温度和压力，实现了热效率的显著提升。在飞机层面评估时，其热效率优势可转化为相对于同等先进齿轮涡扇发动机两位数的任务燃油消耗削减。然而，这些收益伴随着系统重量增加和NO_x排放升高的问题。由于活塞发动机承担了CCE大部分NO_x排放（源于升高的温度和压力），解决这一排放源对概念可行性尤为关键。已有研究表明，CCE预计将超出CAEP/6-75%排放目标，其中巡航阶段排放因其对气候的不成比例影响而尤为令人担忧。

在减排策略方面，研究考虑的方案包括阀门和喷射正时优化、活塞系统前压缩级间冷却、将燃油喷射转移至焦耳燃烧室、活塞级富燃与焦耳燃烧室贫燃组合，以及燃烧贫化（如通过气体再循环或喷水）等。其中，废气再循环（EGR）和喷水因其同时降低火焰温度和减少排放形成的氧可用性，展现出特别高的NO_x减排潜力。

氮氧化物（NO_x）主要包含一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO₂）。尽管存在多种生成路径（包括瞬态、N₂O和NNH机制），CCE的高温环境确立了热力型NO（扩展Zeldovich机制）作为主导贡献者。对于标准航空燃料，燃料结合氮及其NO生成路径可忽略不计。此外，虽然CCE焦耳燃烧室高入口NO浓度暗示了NO再燃（一种在贫化流中观察到的还原现象）的可能性，但该研究采用简化方法，仅关注通过热力路径的粗生成量。

在建模方法层面，三维计算流体动力学（CFD）模型虽能提供高保真空间分辨率，但计算时间过长，不适用于需要广泛参数扫描的早期预设计阶段。全局关联模型虽简单易用，但往往缺乏对新型架构所需的物理预测能力，尤其对参数众多的活塞发动机适用性有限。因此，需要一种平衡的建模方法，既能捕捉峰值温度的关键物理特性，又保持系统级研究所要求的计算效率。

二、研究内容与结论

该研究建立了同时涵盖活塞发动机和焦耳燃烧室的准维建模框架，旨在弥合经验关联与高保真模拟之间的差距。方法论通过FDP-CCE中NO_{x排放研究进行验证，特别关注喷水和EGR的影响。尽管所提出的方法论本质上与燃料无关，但该研究主要聚焦于基于煤油的应甩场景，并通过氢燃料活塞发动机验证案例展示了其通用性。}

三、关键技术方法

该研究采用的主要技术方法包括：第一，扩展Zeldovich热力NO生成动力学模型，结合OHC系统确定N、O和OH物种的可用浓度及正逆向反应速率；第二，活塞发动机采用两区（two-zone）准维模型，将燃烧室划分为已燃区和未燃区两个热力学域，基于Heider等人的方法并参考Kaiser的实现方式，通过Wiebe函数描述燃烧过程，采用Hohenberg传热关联（校准系数0.64）计算壁面热传递；第三，焦耳燃烧室采用随机流描述方法预测NO_x生成，通过与在役燃烧室数据验证模型预测能力；第四，NO_{x排放量以排放指数（EI）形式呈现，即NOx质量与燃油消耗质量之比。}

四、研究结果

活塞NO_x模型验证：两区方法对活塞NO_x的预测与文献中的参考发动机数据展现出良好相关性，验证了模型对活塞发动机NO_x排放的捕捉能力。

焦耳燃烧室模型验证：随机流描述方法对焦耳燃烧室NO_x生成的预测通过对在役燃烧室的验证确认了模型的预测能力。

基线排放评估：初始研究表明，CCE活塞发动机的基线NO_x排放较高，这源于其高循环峰值温度和压力条件。

减排策略效果：通过喷水或EGR可实现显著的NO_x减排效果。这两种方法同时降低火焰温度和氧可用性，从而有效抑制热力型NO生成。

五、讨论与结论

该研究建立了用于CCE初步NO_x排放估算的降阶物理建模框架，涵盖活塞发动机和焦耳燃烧室两个主要排放源。两区模型和随机流描述方法分别在活塞和燃烧室NO_x预测中展现出良好的验证结果。研究确认了高基线活塞NO_x排放的存在，同时证明了喷水和EGR作为有效减排手段的潜力。该工作为未来研究CCE及其他先进燃烧技术的排放特性和必要减排策略建立了分析框架，对推动CCE概念的可行性和环境可接受性具有重要意义。