管状火焰燃烧器中甲烷富氧燃烧分析.doc
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中国工程热物理学会燃烧学
学术会议论文编号:
184002
管状火焰燃烧器中甲烷富氧燃烧分析
马康,初庆钊,石保禄*,唐国荣,王宁飞
(北京理工大学宇航学院,北京100081)
(Tel:
13811210647,Email:
shibaolu@)
摘要:
采用OpenFOAM对急速混合管状火焰燃烧器中以CO2为稀释剂的甲烷富氧燃烧进行大涡模拟,分析了流速、CH、OH、温度及CO分布特征,并与冷流流场对比,探讨了急速混合管状火焰燃烧器中层流火焰的流场特征,构建了火焰结构。
结果表明,冷流条件下的湍流流动在强旋流燃烧器中转化为稳定的层流火焰,温度沿径向均匀分布,且切向入口附近壁面温度较低,有助于保护燃烧器;通过调节流量增加入口切向速度,燃料与氧化剂掺混加强,可大幅降低CO排放量。
关键词:
OpenFOAM;管状火焰;富氧燃烧;大涡模拟
0前言
随着经济社会的发展,人类对能源的需求日益增长[1]。
传统化石燃料燃烧方式带来全球变暖和空气质量污染等问题。
富氧火焰可以提高燃烧效率并减少NOx排放,被广泛应用于工业生产和生活中[2]。
近年来,SatoruIshizuka[3]等人的将燃料和氧化剂分别切向通入燃烧室,燃料与氧化剂在燃烧室内快速混合和燃烧,形成稳定的管状层流火焰。
这种急速混合管状旋流燃烧器具有火焰稳定性强,无回火,有利于燃料和氧化剂的掺混等特点,被用于开展甲烷富氧燃烧。
现今,常见的甲烷富氧燃烧的氧化剂是空气和氧气,由于空气中含有约71%的氮气,大量的氮气并不参加反应,带走了大量的热,同时可能会在反应过程中生成有害的氮氧化合物,燃烧效率不高且对环境有害[4]。
近年来,国内外研究者们提出了以CO2为稀释剂的富氧燃烧(Oxy-fuelCombustion)技术,一方面有利于减少热力型NOx的排放,另一方面,燃烧产物主要为CO2和H2O,有利于提高CO2的回收和循环利用效率,减少污染,节约成本[5]。
由于实验仪器的限制,对于急速混合管状火焰中组分、污染物、速度场的研究分析还很欠缺。
为了更好地利用CCS[6](CO2CaptureandSequestration)技术,进一步地研究富氧燃烧的燃烧特性,有必须要开展管状旋流燃烧器中甲烷富氧燃烧数值计算。
目前,湍流流动的数值模拟方法有三类,即直接模拟方法,大涡模拟方法和Reynolds时均方程的模拟方法。
直接模拟方法对每个网格求解瞬态Navier-Stokes方程,其计算量与雷诺数的三次方成正比,对计算资源需求巨大,目前难以实现对高雷诺数复杂湍流的数值模拟。
其中Reynolds时均方程模拟方法在工程流动计算中应用范围较广,虽然能在较低的计算资源要求下实现高雷诺数复杂流动的数值模拟,但是精度较差。
上世纪70年代提出的大涡模拟[7]通过滤波方程过滤出较大空间尺度和时间尺度的涡,对大尺度的涡直接求解,小尺度的涡采用模拟的方法。
因此大涡模拟的精度和计算量介于直接模拟和雷诺平均模拟之间,流场解析度较高,能更真实地模拟流场特征,在当前的计算资源下有更大的优势。
LES方法在十多年前就已经是CFD领域研究和应用的热点[8-9]。
LES是通过建立数学滤波函数,从湍流瞬时运动方程中将尺度比滤波函数尺度小的涡过滤掉,从而分解出描述大涡流场的运动方程,而被过滤掉的小涡对大涡运动的影响,则是通过建立亚格子尺度模型(SGS)[10-14]来实现。
本文采用了入口宽度为1mm的管状旋流燃烧器,结合开源软件OpenFOAM,借助大涡模拟,对甲烷富氧燃烧进行了数值计算。
在相同氧气浓度为0.5,当量比为1条件下,首先对Q=3m3/h情况下冷态流场和燃烧流场,组分和温度变化情况等进行了具体分析。
随后对不同入口总流量(1,3,6m3/h)的工况分析,研究CO2稀释燃烧的火焰的燃料掺混,出口附近污染物排放。
1计算方法
1.1计算仿真模型
实验所用的管状火焰旋流燃烧器的结构如图1所示,右侧为燃烧器整体结构,左侧为入口喉部截面。
燃烧器主要由灰色部分的不锈钢结构,四个均匀分布的切向入口,石英观察窗和内径16mm,长L=75mm的石英玻璃管构成,石英观察窗和玻璃管用于观察和记录火焰结构,为了与实验参数形成对比验证算法,三维计算模型几何参数与该实验燃烧器完全一致,三维网格划分如图2所示,网格总数约250万。
图1管状火焰旋流燃烧器
Figure1Tubularflameswirlburner
图2管状火焰旋流燃烧器网格示意图
Figure2Schematicdiagramofatubularflameswirlburner
1.2计算参数
为了验证算法的可行性,本次模拟三组数据按照石保禄实验中的条件[12],入口燃料和氧化剂总流量为1,3,6m3/h(室温,1atm),其中甲烷和二氧化碳以及氧气和二氧化碳分别完全通入燃料和氧化剂入口,具体参数见表1。
表1初始参数
Table1initialparameters
QF-total=QO-total(m3/h)
Q-F-CH4(m3/h)
Q-F-CO2(m3/h)
Q-O-O2(m3/h)
Q-O-CO2(m3/h)
旋流数
Sw
1
0.4
0.6
0.8
0.2
12.6
3
1.2
1.8
2.4
0.6
12.6
6
2.4
3.6
4.8
1.2
12.6
1.3流动模型
在大涡模拟计算中,通过对瞬态Navier-Stokes方程在Fourier空间或构型空间进行滤波得到其控制方程。
它的主要假设有:
(1)动量、质量、能量以及其他无源标量主要由大涡输运;
(2)大涡具有特异性,受流动几何边界条件制约;
(3)滤波后的小涡趋向各向同性,受边界等因素影响小;
(4)小涡易于使用通用湍流模型模拟。
被过滤后的小涡对大涡运动的影响不能忽略,它们对流体运动的影响是通过建立亚格子尺度模型(Subgrid-scalemodel,SGS)来体现。
滤波后的变量为:
(1-1)
其中,为计算域,为滤波函数,决定了所过滤涡的分辨率。
甲烷湍流燃烧过程为可压缩流动,需要对密度滤波。
以下方程中变量的横线顶线表示对标量变量进行滤波,波浪形顶线表示对向量变量进行滤波。
由于黏性应力张量的封闭方法决定了所属的亚格子模型类型,本文计算选取了亚格子湍动能模式为基准的涡粘模型作为黏性应力张量的封闭方法,即
(1-2)
其中上标sgs表示需要用亚格子模型封闭的项,为拉伸率张量,为Kronecher函数,亚格子涡黏系数,,为过滤体积,该模型还需补充亚格子湍动能方程进行封闭。
滤波后的质量守恒方程为:
(1-3)
方程(2-3)中为密度滤波量;为速度滤波矢量;为质量源项,表示由非指定连续相的其他分散相进入连续相的气体或者其他质量源。
本文中大小主要取决于燃料和氧化剂的注入速率。
滤波后的动量守恒方程为:
(1-4)
滤波后的能量守恒方程为:
(1-5)
滤波后第i种组分的质量分数满足的组分输运方程为:
(1-6)
1.4燃烧模型
采用大涡模拟湍流流动中,大涡由于空间和时间尺度相对较大,在甲烷富氧燃烧模拟时视为充分混合,即预混燃烧。
被过滤的小涡采用部分混和反应模型(PaSR)模拟。
该模型假设计算域单元内分为理想混合区和非理想混合区两部分,燃烧反应只在理想混合区内进行,非理想混合区通过混合过程变为理想混合区后,也会进行燃烧反应。
因此燃烧主要发生在低化学活性区周围的精细结构中。
PaSR模型表达式为:
(1-7)
(1-8)
其中:
--反应区内平均混合物浓度;--反应容器出口的平均混合物浓度;--反应容器入口的平均混合物浓度;--整体时间尺度;--混合时间尺度;--化学反应时间尺度;,--Arrhenius化学反应源项的产生速率,消耗速率;--第r个化学反应的反应速率;
下标s代表参考组分,0代表整体反应的初始值,1代表整体反应的终值。
PaSR模型使用混合时间尺度来控制分子层面上的混合程度,从而决定燃烧反应的发生。
亚格子区的反应速率由精细结构区域和周围环境反应速率的反应体积分数决定。
1.5化学反应机理与求解过程
甲烷燃烧的机理研究已经非常深入,其基元反应个数达到了300多步,由于计算资源有限,使用SG25[16]的简化甲烷燃烧机理,其包含的计算组分包括:
CH、OH、CO、CO2、H2、C2H2等。
求解过程中对控制方程中的时间导数项采用一阶隐式的欧拉差分格式,对流项采用二阶迎风的高斯差分格式,扩散项采用二阶线性修正的高斯差分格式,计算工作通过广州天河2号计算服务中心完成。
2结果和分析
2.1总流量为3m3/h计算与实验结果对比
为了更好的分析计算结果的可靠性,首先考虑在QF-total=3m3/h工况下冷流和燃烧速度场,与实验结果对比分析,分别取XZ平面上的冷流和燃烧情况下的速度云图以及对应平面矢量图,从图3冷流速度图中,可以看到在轴心线附近产生了比较明显的回流现象,属于典型的湍流流动,在玻璃管两侧的速度波动比较明显,从图4燃烧速度图中,可以看到与冷流效果差异明显,回流情况消失,此时为层流燃烧火焰。
图3QF-total=3m3/h冷流XZ面速度分布图4QF-total=3m3/h燃烧XZ面速度分布
Fig.3QF-total=3m3/hcoldflowXZplanevelocitydistributionFig.4QF-total=3m3/hcombustionXZplanevelocitydistribution
为了进一步深入分析这种差异,取Z=30mm截面上的冷流和燃烧的速度曲线,如图5所示,结合CH,OH云图,如图6,7所示,比较分析可以从图6看出反应区域在R=-7mm和R=7mm之间的位置,这是由于在中心地带的燃气在高温的作用下,甲烷参与了燃烧反应,这个区间为火焰区域(flamefront)。
从图7的OH分布来看,高温火焰区域也集中在R=-7mm和R=7mm范围内,这也表明了火焰面的位置区域。
从图5冷流和燃烧不同时刻速度曲线,可以看出在R=0至7mm内,也就是火焰面内,冷流和燃烧情况下差别很大,这是由于冷流条件下,燃料和气体在玻璃管内发生湍流流动,出现回流,在燃烧条件下,不同时刻,燃烧轴向,切向和径向速度基本不变化,由于流动趋于稳定,涡流破碎,逐渐形成一种均匀稳定的层流管状火焰,不再随时间发生变化。
在R=7mm外,也就是火焰面外,冷流和燃烧情况基本相似,燃烧过程中,火焰均匀稳定,这与[17]文献中所得的PIV结论吻合。
图5QF-total=3m3/h,Z=30mm冷流和燃烧情况下轴向,径向,切向曲线
Fig.5QF-total=3m3/h,Z=30mmaxial,radial,tangentialcurveforcoldflowandcombustion
接着,为了从组分和温度分布云图分析火焰结构,取Z=5mm,10mm,30mm,75mm位置截面以及XZ平面和YZ平面的燃烧CH云图,如图6所示。
可以看出CH在沿着玻璃管两侧分布,这是由于中心地带是高温低密度的燃气,外侧是低温高密度的未燃气体两者之间为火焰面的位置,该区间内甲烷发生了剧烈反应。
这与OH云图,如图7所示,表征的火焰高温区大体一致。
结合径向平行线方向,如图6中Z4位置,得到的火焰温度曲线,如图8所示,从火焰温度可以看出,沿着切向入口位置往外,在Z=5mm和Z=10mm位置处,在玻璃管壁处温度比较低,在500K左右,很好的保护了旋流燃烧器,延长了燃烧器的使用寿命。
这是由于燃气刚进入石英玻璃管,气体没有被加热,所以更接近入口气体的初始温度,随着燃气发生反应,温度迅速增加,最高温度为2710K。
甲烷在此条件下富氧燃烧理论2577K,误差产生的原因是本计算未考虑热辐射。
从图9氧气浓度和当量比的云图中,可以看出,这与上述的CH,OH,以及温度T变化规律一致,氧气浓度高的两侧和当量比高的地方是CH所在位置处,说明火焰面的结构和上述描述的一致,很好的证明了本文数值模拟的可靠性。
O
F
图6QF-total=3m3/hCH云图图7QF-total=3m3/hOH云图
Figure6QF-total=3m3/hCHcloudmapFigure7QF-total=3m3/hOHcloudmap
图8QF-total=3m3/h不同位置温度分布
Figure8QF-total=3m3/htemperaturedistributionatdifferentlocations
图9QF-total=3m3/h当量比和氧气浓度云图
Figure9QF-total=3m3/hequivalentratioandoxygenconcentrationcloudmap
2.2不同流量下燃烧状态的速度及污染物(CO)分析
为了分析不同流量下切向速度和径向速度关系,选取z=30mm位置以观察入口处的速度场,切向速度随流量变化关系如图10。
从图中可以观察到,随着流量的增加,径向速度先是逐渐增大,达到最大值之后又沿着半径方向逐渐减小,并且流量越大,逐渐增大的趋势越接近线性增长,在三种流量情况下,都大概在r=2mm至3mm位置段达到最大值,之后逐渐减小。
切向速度随流量变化关系如图11,从图中可以观察到,随着流量的增加,切向速度在增大的同时,也随着半径方向呈现线性增加趋势,在半径r=3mm处,速度分别达到了所对应流量下的最大值,之后逐渐降低。
为了进一步分析内在机制,结合不同流量下当量比变化关系,取XZ截面如图12所示,可以看到,随着流量的增加,切向速度逐渐增大,火焰结构在位于当量比1附近的范围逐渐增多,说明掺混效果更好,更有利于完全燃烧。
图10径向燃烧速度图11切向燃烧速度
Figure10RadialburningspeedFigure11Tangentialburningspeed
图12当量比云图
Figure12Equivalentratiocloud
在此基础上,对不同流量下出口附近Z=75mm截面位置CO浓度进行分析,以研究燃烧产物对环境的影响。
从图13中CO分布可以看出,一氧化碳浓度在两侧较高中心低,这是由于在接近出口的位置,中心的一氧化碳压力比较低,出口外侧压力较高,形成负压,导致一氧化碳往玻璃管两侧扩散。
在反应区内(R=-7mm至R=7mm)随着流量的增大,CO的浓度逐渐减低,表明燃料与氧化剂混合充分,燃烧更加完全,降低了污染物的排放。
这是由于随着流量的增加,流速随之增加,气体掺混效果更好,火焰更加均匀。
图13不同流量下下,玻璃管下游Z=75mm处CO分布
Figure13COdistributionatthedownstreamZ=75mmoftheglasstubeatdifferentflowrates
3结论
本文对管状火焰旋流燃烧器中甲烷富氧燃烧进行了数值计算,通过以上计算和分析,可以得到如下相关燃烧结论:
(1)通过计算和实验速度场对比分析,验证了算法的可靠性,从而为更进一步分析富氧燃烧提供了一种可靠手段。
(2)在同一种流量下,冷态和燃烧流场在火焰面内差异很明显,在火焰面外,燃烧流场和冷态流场基本一致,不同流量下,随着流量的增大,流速增大燃料和氧化剂掺混效果更加充分,火焰更加均匀稳定,燃烧产生的污染物也随之减少。
(3)在用湍动能封闭亚格子模型能准确的模拟甲烷在二氧化碳稀释下的富氧燃烧现象,给出准确的反应速度关系对于实验有一定的指导作用。
由于在计算过程中忽略了热辐射效应,对于计算结果存在一定的缺陷,但是仍能反应甲烷富氧燃烧的本质性质。
后续将对不同流量在不同位置的燃烧和冷流速度分布以及不同流量下的火焰结构,污染物排放做更深入细致的计算研究。
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