第31卷第1期計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)Vol31. No. 12014年1月28日Computers and Applied ChemistryJanuary 28, 2014合成氣燃燒數(shù)值模擬與驗(yàn)證郭培卿",臧述升2,葛冰(1.上海超級(jí)計(jì)算中心,上海,2012032.上海交通大學(xué)動(dòng)力機(jī)械與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海,200240)摘要:以整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(GC系統(tǒng)中的合成氣燃燒室為研究對(duì)象,針對(duì)天然氣改燒合成氣后非預(yù)混火焰的燃燒特性開展數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,經(jīng)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,結(jié)果顯示大渦模擬能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)燃燒室內(nèi)的平均流場(chǎng)與溫度場(chǎng)、速度脈動(dòng)分布,對(duì)燃燒過程產(chǎn)物OH自由基的預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有所偏差,為后續(xù)分析工作奠定基礎(chǔ)。通過將數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合,對(duì)同一噴嘴結(jié)構(gòu)燃燒室內(nèi)使用天然氣、氫氣、一氧化碳以及合成氣等不同燃料時(shí)的燃燒特性進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果表明該噴嘴結(jié)構(gòu)適用于合成氣燃燒,與天然氣火焰相比,合成氣火焰在噴嘴出口位置形成的高溫區(qū)對(duì)改善合成氣燃燒室的不穩(wěn)定性具有積極的意義,同時(shí)燃燒室壁面的熱負(fù)荷更高。關(guān)鍵詞:大渦模擬;合成氣燃燒;實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中圖分類號(hào):TP3919TK16文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):10014160(2014)0101-04DOI: 10. 11719/com. app. chem201401011引言并處理,保持交界面上網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的一致性,如圖2所示,隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的不斷提高和計(jì)算軟件的不斷網(wǎng)格總數(shù)約為600萬發(fā)展,計(jì)算流體力學(xué)在燃燒領(lǐng)域的研究中得到越來越多的應(yīng)用,非預(yù)混燃燒物理過程受湍流摻混、分子擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)等過程的綜合影響,通過數(shù)值計(jì)算精確求解湍流燃燒過程產(chǎn)物的時(shí)空分布依然十分困難,但在預(yù)測(cè)湍流燃燒現(xiàn)象中的主要物理量分布方面,CFD計(jì)算發(fā)揮著極其重要的作用。由于具備成本較低、全流場(chǎng)與特殊工況模擬能力等優(yōu)勢(shì),CFD是開展燃燒現(xiàn)象研究時(shí)的重要手段之Fig 1 Structure of sprayer.整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(GCC被公認(rèn)為本世紀(jì)最圖1噴嘴結(jié)構(gòu)具發(fā)展前景的煤炭清潔發(fā)電技術(shù)叫,系統(tǒng)中使用煤炭氣化后形成的合成氣代替?zhèn)鹘y(tǒng)天然氣作為燃料,合成氣中主要包含H2、CO及其它少量高階碳?xì)浠衔?熱值普遍較低,但絕熱溫度更高,合成氣燃燒技術(shù)正逐步成為相關(guān)燃燒領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)26。本文以合成氣非預(yù)混火焰為研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)值模擬,研究不同成分燃料的燃燒特性,并利用相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開展研究分析。2數(shù)值模擬方法圖2融合前()后(b)的交界面網(wǎng)格節(jié)府eFig 2 Mesh at interface before(a) and after(b)node met合成氣進(jìn)入燃燒室前必須經(jīng)過噴嘴對(duì)流場(chǎng)的組織,大渦模擬(LES)通過濾波函數(shù)將湍流運(yùn)動(dòng)分解為大、小尺度渦,其中大尺度渦主要影響湍流中質(zhì)量、能量和噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1所示,燃料與空氣在噴嘴中通過旋流氣動(dòng)量的輸運(yùn)、湍流擴(kuò)散作用以及雷諾應(yīng)力,計(jì)算中直接形成旋流流動(dòng),離開噴嘴后在燃燒室頭部開始混合燃燒求解NS方程,小尺度渦主要起耗散作用,通過亞網(wǎng)格釆用 ICEM CFD對(duì)噴嘴和燃燒室區(qū)域分別進(jìn)行網(wǎng)格模型模擬。最初使用 Smagorinsky亞網(wǎng)格模型,后來劃分,噴嘴部分采用非結(jié)構(gòu)化方式生成貼體網(wǎng)格,燃燒 germano提出一種動(dòng)態(tài)模型來確定 Smagorinsky模型中室部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格以便控制和調(diào)整火焰所在空間及的系數(shù)Cs,L相關(guān)區(qū)域的網(wǎng)格密度,再對(duì)兩部分網(wǎng)格交界部分進(jìn)行合與所求解應(yīng)嗎YH中國煤化工格應(yīng)力封閉假設(shè)CNMHG型的適用性。這收稿日期:20130907;修回日期:2013-12-14作者簡介:郭培卿(1982-),男,江蘇人,博士,工程師聯(lián)系人:郭培卿,E-mail:pago@sc.netcn2針?biāo)銠C(jī)與發(fā)用化骨2014,3l(1)幾種代數(shù)亞網(wǎng)格模型是目前使用最為廣泛的亞網(wǎng)格模型3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證101 Smagorinsky模型的基礎(chǔ)是渦粘性假設(shè),即亞網(wǎng)格應(yīng)力中非各項(xiàng)同性部分正比于湍流渦粘系數(shù)和大尺度變本文對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果,實(shí)驗(yàn)在上海交通大學(xué)動(dòng)力機(jī)械與工程教育部重點(diǎn)實(shí)形率張量的乘積。實(shí)際計(jì)算結(jié)果表明其渦粘系數(shù)對(duì)湍流動(dòng)能耗散估計(jì)過大, Smagorinsky模型的另一缺陷在于需驗(yàn)室激光燃燒診斷平臺(tái)進(jìn)行,噴嘴出口連接帶有光學(xué)視要事先給定 Smagorinsky常數(shù),而DNS的計(jì)算表明,C窗的不銹鋼模型燃燒室,通過石英玻璃視窗能夠利用激在時(shí)空范圍內(nèi)變化很大,因此無法適用于各種復(fù)雜流動(dòng)光診斷技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒室內(nèi)火焰的光學(xué)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中以情況。 Germano動(dòng)態(tài)亞網(wǎng)格模型采用了網(wǎng)格濾波和測(cè)試不同流量H2、CO和CO2的配比來模擬不同組分的合成濾波的雙重濾波,模型保留了 Smagorinsky渦粘模型的氣,3種氣體由各自的質(zhì)量流量計(jì)與控制閥分別控制,經(jīng)過混合腔內(nèi)充分混合后進(jìn)入燃燒室。通過粒子圖像速優(yōu)點(diǎn),同時(shí)在某些區(qū)域中動(dòng)態(tài)系數(shù)為負(fù)值,表示能量由小尺度向大尺度轉(zhuǎn)移,在一定程度上反映了在物理上十度儀(PV獲得速度場(chǎng)分布,由高溫?zé)犭娕己图す庹T導(dǎo)熒分重要的能量逆向傳輸過程,克服了 Smagorinsky模型光(PL系統(tǒng)測(cè)量燃燒室內(nèi)的溫度場(chǎng)與OH自由基濃度耗散過大的缺陷,實(shí)用性更好。動(dòng)態(tài)亞網(wǎng)格模型的缺陷分布。在于計(jì)算量的增加以及過大的負(fù)渦粘系數(shù)可能導(dǎo)致的計(jì)4結(jié)果分析算的局部不穩(wěn)定性。本文采用2種亞網(wǎng)格模型進(jìn)行模擬和對(duì)比計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在軸向平面上的速度分布如圖3所在擴(kuò)散燃燒中,根據(jù)簡單反應(yīng)系統(tǒng)( Simple ChemicalReaction System,ScRS)的假設(shè),燃料與氧化劑在空間中, -Germano任何一點(diǎn)均不共存,定義組合變量混合分?jǐn)?shù)z:--,-.LES-Smagorinskyz=1orm, fuel其中,m為元素i的質(zhì)量分?jǐn)?shù),下角標(biāo)ox與fuel分別表示氧化劑入口與燃料入口。混合分?jǐn)?shù)Z可以用來表征各個(gè)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度和密度,是守恒量,同時(shí)也是一個(gè)隨機(jī)變量,可采用個(gè)適當(dāng)?shù)母怕拭芏群瘮?shù)( Probability Density Function(a)PDF)來描述Z的脈動(dòng)性質(zhì)。本文使用最常用的βPDF分布12,對(duì)不同燃料按實(shí)際組分生成不同的PDF進(jìn)行計(jì)算,如表1所示。ES-Germano表1燃料組分Table 1 Fuel composition.燃料熱值體積分?jǐn)?shù)volume fraction/(%)天然氣38.36氫氣10.79hydrogen一氧化碳1263carbon monoxide合成氣Fig 3 Experimental validation of: (a)mean axial velocity;37347.715.010.05(b)axial velocity fluctuation.圖3速度場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:(a)軸向平均速度,(b)軸向速度脈動(dòng)數(shù)值模擬在上海超級(jí)計(jì)算中心魔方超級(jí)計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行,采用控制容積離散方法,空間項(xiàng)以中心差分格式離橫坐標(biāo)以燃料噴嘴內(nèi)徑16mm歸一化后表示,2種散,時(shí)間項(xiàng)采用二階迎風(fēng)精度,壓力速度通過 SIMPLE亞網(wǎng)格模型模擬獲得的平均流場(chǎng)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,方法耦合。燃料與空氣采用流量進(jìn)口,入口雷諾數(shù)分別能夠較為精確地預(yù)測(cè)回流區(qū)的位置與尺寸,對(duì)速度脈動(dòng)為5300和21600,燃燒室出口設(shè)為壓力出口,背壓為量的預(yù)測(cè),以及在捕捉空氣旋流與回流區(qū)邊界處的切應(yīng)1個(gè)大氣壓。燃燒室壁面與旋流器表面假設(shè)為無滑移絕力層方面, Germano模型比 Smagorinsky亞網(wǎng)格模型更熱壁面,采用壁面函數(shù)處理近壁面流動(dòng)。計(jì)算中采用的為準(zhǔn)確,更適用王充在么向性的旋洊動(dòng)。中國煤化工時(shí)間步長為103s,共迭代20000時(shí)間步,相當(dāng)于10倍不同軸向如圖4所示通過對(duì)比可以燃燒室特征時(shí)間CNMHG高溫區(qū)的分布,基本真實(shí)地反映燃燒室內(nèi)溫度分布,但對(duì)噴嘴出口位置2014,31(郭培卿,等:合成氣燃燒數(shù)值模擬與驗(yàn)最高溫度的預(yù)測(cè)值略微偏高。同的特點(diǎn):燃燒室內(nèi)存在中心與外圍2個(gè)回流區(qū),中心回流區(qū)呈梭形分布,噴嘴附近與燃燒室下游位置較尖,△燃燒室中部回流區(qū)的徑向?qū)挾茸畲?高溫區(qū)域主要集中在中心回流區(qū)內(nèi),燃料與空氣的混合氣體在此處發(fā)生化學(xué)反應(yīng),并延伸到燃燒室中心軸線上,外圍回流區(qū)內(nèi)主要由未參與反應(yīng)的低溫空氣構(gòu)成。111(a)Fig. OH radical distribution of syn-gas flame: upper half byexperiment; lower half by simulation圖5合成氣火焰OH自由基分布的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:上半為實(shí)驗(yàn)值,下半為計(jì)算值402000200010A"""z40岡(c)Fig 6 Flow and temperature field of: (a)natural gas; ( b) hydrogen;(c)carbon monoxide; (d) syn-gas flames.圖6不同燃料的溫與流場(chǎng)分布:(a)天然氣;(b)氫氣(c)一氧化碳;(d)合成氣Fig 4 Experimental validation of temperature field at (a)20 mm;4個(gè)工況下的火焰在中心回流區(qū)底部均存在高溫區(qū)(b)50 mm;(c)100 mm away from spray exit.圖4溫度場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:距離噴嘴出口(a)20mm;高溫區(qū)的大小隨燃料不同而變化,天然氣火焰流場(chǎng)中中b)50mm;(c)100mm心回流區(qū)的徑向?qū)挾让黠@小于合成氣,并且在燃燒室周圖5中顯示了實(shí)驗(yàn)與計(jì)算獲得的燃燒過程產(chǎn)物OH向壁面存在有低溫旋流空氣,壁面熱負(fù)荷較小,另一方自由基濃度分布,其中實(shí)驗(yàn)中為相對(duì)濃度,大渦模擬結(jié)面,天然氣火焰的空氣旋渦并未附著在燃燒室頭部,而果為絕對(duì)濃度?？傮w上模擬所得的火焰形狀及尺寸與實(shí)是貼在軸向壁面上,穩(wěn)定性較差。而其它3種燃料燃燒際測(cè)量值基本相符,但在噴嘴出口附近以及中心軸線的時(shí),大量高溫?zé)煔饣亓鞯饺剂闲郎u的底部,對(duì)離開噴嘴預(yù)測(cè)有所偏差,主要原因在于采用了簡單化學(xué)反應(yīng)機(jī)理,的旋流混合可燃?xì)怏w具有加熱作用,從而在燃燒室頭部對(duì)燃燒過程產(chǎn)物的計(jì)算精度無法得到保證。形成穩(wěn)定的點(diǎn)火源。合成氣火焰的最高溫度與CO火焰綜上所述,大渦模擬能夠真實(shí)反映旋流燃燒流場(chǎng)與按近,但最高溫區(qū)域明顯縮小,介于H與CO火焰之間。溫度場(chǎng)的分布,對(duì)OH自由基分布的預(yù)測(cè)則不夠準(zhǔn)確各工況OH自由基分布如圖7所示。天然氣火焰在建議使用LES對(duì)速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)的預(yù)測(cè)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的噴嘴出口區(qū)域OH濃度很低,說明該區(qū)域內(nèi)存在尚未參必要補(bǔ)充。與化學(xué)反應(yīng)的新鮮燃料,火焰根部鋒面呈現(xiàn)W型分布。圖6顯示了4種燃料燃燒時(shí)的模擬結(jié)果,從圖中可氧化碳火焰中國煤化工速度最慢引起以看到,4種火焰燃料在流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布具有以下共的結(jié)果,合成CNMHG度從噴嘴出口直延伸到燃燒至下游,直部火陽暉叫呈現(xiàn)M型分布。針?biāo)銠C(jī)與;用化學(xué)2014,3l(1)References1 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Journal of Engineering Thermophysics,(1)大渦模擬對(duì)旋流燃燒室內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)能夠12- Olbricht C,HmE, Kuhne J,eta, Flow and mixing in a model較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè), Germano亞網(wǎng)格模型對(duì)湍流脈動(dòng)的預(yù)測(cè)GT combustor investigated by LES and Monte-Carlo filtered pdfmethods. Proceedings of ASME Turbo Expo, 2007, GT更為精確;(2)采用PDF燃燒模型對(duì)燃燒中間產(chǎn)物如OH分布中文參考文獻(xiàn)的預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果存在偏差;(3)天然氣燃燒時(shí)中心回流區(qū)較小,火焰穩(wěn)定性較1焦樹建關(guān)于目前世界上GC發(fā)展情況與趨勢(shì)的評(píng)論燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù),2004,17(3:1差,合成氣化學(xué)反應(yīng)區(qū)域增大,對(duì)燃燒穩(wěn)定性具有積極4張文興,穆克進(jìn),王岳,等.合成氣甲醇摻燒火焰研究熱的意義。能動(dòng)力工程,2009,24(2):236-2415趙曉燕,李樣晟,豐鎮(zhèn)平.燃?xì)廨啓C(jī)低熱值合成氣燃燒室內(nèi)三維湍流流動(dòng)的數(shù)值模擬研究門動(dòng)力工程,2009,29(4)符號(hào)說明330-334.混合分?jǐn)?shù)6湯根土,呂俊復(fù),岳光溪,等.CO2稀釋對(duì)合成氣擴(kuò)散火焰中元素i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)氮氧化物生成排放特性的影響[燃燒科學(xué)與技術(shù),2009,空氣入口元素i的質(zhì)量分15(3):226-23燃料入口元素i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)10趙堅(jiān)行.燃燒的數(shù)值模擬[M]北京科學(xué)出版社,200011周力行,胡礫元,王方.湍流燃燒大渦模擬的最近研究進(jìn)展[門工程熱物理學(xué)報(bào),2006,27(2):331-334Numerical simulation and validation of syn-gas combustionGuo Peiqing, Zang Shusheng and Ge Bing'(1. Shanghai Supercomputer Center, Shanghai 201203, China)(2. Key Laboratory for Power Machinery and Engineering of Ministry of Education, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240,and validation by experimental measurement is adopted to investigate combustion characteristics of syn-gas flames instead of naturalAccuracy in numerical ways for syn-gas turbulent non-premixed flames is validated by experimental data. Results show that both flow andtemperature distribution, as well as velocity fluctuation can be precisely predicted by large eddy simulation, while the prediction on OH radicaldistribution, which is generated during combustion process, is less accurate. Based on results from both numerical simulation and experimenmeasurement, flames from burning natural gas, hydrogen, carbon monoxide, and syn-gas under same conditions are investigated. Sprayerdesign is showed more suitable for syn-gas fuels. Compared to traditional natural gas, the high temperature zone located at burner exit can behelpful to stabilize syn-gas flames, but heat load at chamber walls is increased.中國煤化工Keywords: large eddy simulation; syn-gas combustion; experimental validationCNMHG013-12-14)