• 本文撰稿人介绍

刘建 副教授（中南大学）

瑞典隆德大学博士及博士后，中南大学航空航天技术研究院副教授。长期从事涡轮叶片冷却、超燃冲压发动机再生冷却、超声速流动燃烧计算等研究工作。目前已发表SCI期刊论文80余篇，英文著作3部，中文专著1部，国际会议特邀报告2次，获得Aerospace 期刊“2023 Young Investigator Award”(每年评选1人)。3篇论文入选ESI高被引用论文，Scopus总被引用2300余次，h-index 26。主持装备预研、国防科工局支撑项目、湖南省揭榜挂帅项目、湖南省自然科学基金等项目10余项。担任Aerospace、Energies、Foundations 等国际期刊编委；担任IJHMT、ATE、IJTS 等十余个国际期刊审稿人。

• 编委鉴赏

本文聚焦氢燃料于涡扇发动机燃烧室中的应用来展开相关研究，进而建立起了一种综合评估方式。此综合评估方式乃是把0-D热力学循环分析同3-D CFD详细燃烧流场模拟加以融合。文章一方面关注氢燃料在零碳排放、降低耗油率方面所具备的潜力，另一方面还会考虑整机推力的维持状况、燃烧室内部温度场的变化情形、NOx污染物的生成特性，其研究视角由宏观循环延伸至微观机理，层次呈现出多样化的特点。作者借助对比起飞、爬升、巡航等不同飞行阶段的边界条件，揭示出当氢燃料实现高效燃烧时，由于高火焰温度而导致热NOx明显增多的性能权衡、工程挑战。

• 文章导读

伴随航空业朝着“净零排放”目标迈进，传统化石燃料的替换变得非常迫切。氢气有着零碳排放的优势，然而它的体积能量密度极低，绝热火焰温度极高，并且低温储存要求和传统Jet-A航空煤油有很大不同，在现有的涡扇发动机燃烧室中的适用性、潜在的高温排放问题仍旧需要进行系统研究。

Cameretti等人于 Aerospace 期刊发表了相关研究，该研究建立起一个综合框架，此框架融合了发动机0-D热力学性能模型、3-D CFD燃烧室精细流场模拟，用以评估氢燃料替代Jet-A对GE90涡扇发动机推力维持、燃烧效率、NOx排放特性所产生的影响，从而能够为氢动力航空推进系统的工程设计、污染物控制策略给予一定参考。

• 研究材料与方法

该项研究选取GE90涡扇发动机 (应用于波音777) 作为研究对象，首先建立起了0-D热力学模型，之后利用爬升和巡航点数据对该模型实施验证，以此来保证推力、燃油消耗等参数同设计值之间的偏差能够被控制在5%以内。依靠所建立的这个模型，提取出了纽约至伦敦 (BA172) 典型航线在起飞、爬升、巡航这三个阶段的边界条件。

之后，搭建起了燃烧室的3-D CFD模型。鉴于环形燃烧室存在对称性，选用12°扇区当作计算域，目的是降低计算成本，图1展示出了完整的环形几何结构、所挑选的计算扇区：

图1. 完整环形几何结构及计算域

通过进行网格无关性分析工作，得以确定出具备约13万网格单元数量的精度水准，图2为所选定的最终网格分布状况：

图2. 模型中使用的网格

模拟选用的是Standard k-ω湍流模型，针对煤油运用的是包括3步反应的简化机理，对于氢气采用的是含有105个反应、21种组分的详细Naik机理，这样做是为了可以准确地捕捉到热NOx的生成过程。

• 研究结果与讨论

1、热力学性能与能耗分析

0-D模拟所得到的结果表明，氢气的低热值也就是LHV差不多是煤油的近3倍，不过要是想要维持相同的推力，那么其燃料质量流量会明显降低，在起飞阶段时的降低幅度大概是64%，由此使比燃油消耗 (SFC) 出现大幅度的下降。然而，折算之后的比热消耗和煤油基本上是相等的，这表示在能量层级方面，两者的热效率差异较低。氢气的涡轮前温度 (TIT) 略低于煤油，这说明在热力学循环方面，氢燃料能够维持发动机效率，甚至还能够在一定程度上稍有改善。

2、燃烧室温度场的显著重塑

CFD模拟揭示，尽管氢气燃料量少，但其绝热火焰温度极高，导致燃烧室核心区温度水平整体高于煤油。图3直观展示了起飞、爬升和巡航三种工况下两种燃料的温度云图对比，氢气工况呈现出更集中且温度更高的核心燃烧区：

图3. 展示了两种燃料在燃烧器内的温度分布曲线

这种高温分布主要是因为氢气具有高反应速率，热量在相对较短的距离内就会快速释放，这便对燃烧室壁面的冷却提出了更高要求。

3、热NOx排放的严峻挑战

热NOx排放面临着严峻挑战，研究过程中最为关键的一项发现是NOx排放出现了急剧增加的情况。图4为NO质量分数的分布状况，在氢气工况之下，NO的生成区域有了明显的扩大，尤其是在二次燃烧区、稀释区，其浓度相较于煤油工况要高出许多：

图4. 在针对这两种情况的模拟中，燃烧器内无轮廓线

数据显示，在起飞阶段的时候，氢燃料致使燃烧室出口NO浓度达到了235 ppm，远远超过了煤油的64 ppm。这属于典型的“热NO”效应，也就是高温促使大气里氮气与氧气发生反应所产生的结果。

4、贫燃工况下的反应速率与稳定性

在巡航阶段，氢气的当量比更低，混合气处于极度贫燃状态。然而，得益于氢气极高的扩散系数，其反应依然非常迅速且完全。图5对比了两种燃料的反应热云图，可见氢气在贫燃状态下依然保持着剧烈的反应活动，且在稀释孔前就基本完成了氧化过程：

图5. 两种燃料在燃烧器中的反应热等值线

• 研究总结

本研究结合0-D热力学模型与3-D CFD仿真，全面评估了氢燃料在GE90涡扇发动机燃烧室中的性能表现。研究证实了氢燃料在维持发动机推力和热效率方面的可行性，揭示了其降低燃料质量流的优势。然而，最核心的发现是氢燃料导致的高温NOx排放激增，这对实现真正的“绿色航空”构成了重大挑战。该工作强调了在设计氢动力系统时，必须平衡零碳目标与局部污染物控制，为未来低NOx氢燃烧室的研发提供了关键的理论依据。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/3222078

• Aerospace 期刊介绍

主编：Prof. Dr. Konstantinos Kontis, University of Glasgow, UK

期刊致力于发表航空航天科学、工程和技术相关的创新研究，涵盖飞行器设计、推进系统、飞行控制、先进材料、空间科学、航空电子、无人机系统 (UAS)、城市空中交通 (UAM)、可持续航空、航空安全以及前沿技术等。鼓励跨学科研究，推动航空航天科技发展，欢迎实验、仿真与理论研究的原创成果及综述。

2025 Impact Factor：2.5

2025 CiteScore：4.8

Time to First Decision：18.5 Days

Acceptance to Publication：2.7 Days

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/aerospace

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