第5期
张海军 , 等 : 燃烧模型对甲烷 / 空气非预混数值模拟的影响
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速氧气环面的喷口沿轴向的流速 u a = 89 m / s, 全局 燃料当量比 !o = 0. 336, 全局燃烧属于贫油燃烧, 可 以减少固体颗粒的形成. 由于燃烧壁面材料是由石 英玻璃和陶瓷组成的 , 可以认为是绝热边界条件, 出 口条件为标准大气压 , 温度为 300 K
标量的条件脉动, 使得条件平均的脉动很小, 因此, 可以采用组分的条件平均浓度值来计算反应速率的 条件平均值 , 即可以在一阶水平上求解, 将流动的非 均匀性和反应的非线性解耦 [ 2] . 在湍流反应流中, 主要预测的是耗散标量的平 均值, 在湍流中这些平均值与瞬时值密切相关. PDF ( probabilit y densit y f unctio n) 模 型将 组 分分 为燃 料、 氧化剂和产物这 3 种. 燃料与氧化剂混合比例符 合某种概率密度函数 ( PDF ) , 采用 - PDF, 而且忽 略了标量耗散变化的影响[ 7] . 1. 2 污染物形成机理 燃烧 过程 中 排放 的氮 氧 化 物主 要 是 NO2 和 NO, 通常将 NO 2 和 NO 通称为 NO x , 燃烧装置排放 NO 比 NO2 含量多, 而且 NO 2 是由 NO 生成的, 因 而 , 在氧化氮数学模型中着重考虑 NO 的生成 . 在层流火焰及微观的湍流火焰中, NO x 有 3 种 不同的化学动力学形成过程 , 温度型 NO x 是燃烧器 中的空气中氮气燃烧氧化形成的; 快速型 NOx 是由 于在火焰前面高速反应形成的; 燃料型 NO x 是燃料 中含有氮化物氧化生成的 . 在非预混模型中的层流 小火焰模型是温度型 NOx , 采用预测[ O] 和 [ OH ] 的 方法描述 NOx 的形成. 在化学平衡模型中采用快速 型 NO x 的 [ O ] 和 [ OH ] 和 温度型 N Ox 方法分 别计 算[ 5 , 6, 8, 9] . 在 CM C 模型中采用温度型 NO x , NO x 概 率密度分布与 CH 浓度分布有很大的联系 , 在火焰 基部 NOx 主要是通过 CH 反应形成的 1. 3 数值方法

2 燃烧器物理模型
本文模拟的燃烧器原型结构如图 1 所示. H 为 石英玻璃管长度, 中心喷 口的直径为 10 mm, 燃烧 器表面材料为陶瓷. 燃烧器表面环形喷口的内径为 50 m m, 外径为 50. 8 m m, 套管是长度为 80 m m 和 直径为 61 m m 的石英玻璃材料制成. 与文献[ 4] 的 燃烧器相同, 模拟的火焰条件 与文献 [ 4] 的火焰 B 相同, 中心喷口的燃料局部当量比 !j = 4, 在中心喷 口处属于富油燃烧 , 沿轴向的流速 u j = 9. 3 m/ s, 高
上海理工大学学 报
2009 年 第 31 卷
实际燃烧现象大部分都是湍流燃烧, 因此 , 国内外对 湍流燃烧模拟进行了深入的研究. 在湍流燃烧中不但 要处理脉动标量的输运方程, 而且要求解时间平均的 化学反应方程 . 由于不同的燃烧模拟采用不同的方法 进行耦合, 导致目前湍流燃烧的模拟方法很多, 主要 有大涡模拟、 随机涡模拟、 概率密度函数输运方程模 拟、 条件矩模型、 简化概率密度函数模型、 关联矩模型 及基于简单物理概念的一些唯象模型等[ 2] . 本文分别采用非预混燃烧中化学平衡模型和层 流小 火 焰 模 型 . 文 献 [ 3, 4] 提 出 的 条 件 矩 封 闭 ( CMC) 模型也是一种常用的方法, 本文对条件矩封 闭模型也进行了分析和比较.
[ 5, 10, 11]
1 燃烧模型
甲烷- 空气的混合燃烧和烟气的流动都属于湍 流流动, 本文和文献[ 3, 4] 都采用标准 - 两方程模 型, 在模型中 , 是两个基本未知量, 为湍动能, 为 湍流脉动动能耗散率. 引入这两个量后, 控制方程组 增加了关于 , 方程, 使得控制方程组封闭 . 1. 1 燃烧模型和概率密度函数 化学平衡模型假设火焰在层流流动中假设反应 物和产物达到化学平衡, 用混合物的质量分数来表 示各个热力学参数的燃烧模型 , 在化学平衡火焰中 使用富油燃烧的极限 ( rich f lam mabilit y lim it , 简称 RF L) 选项, 当混合物分数大于富油极限值时, 不采 用平衡法计算, 可以节约运算量; 当小于富油极限 , 采用平衡法计算 [ 5] . 层流稳定小火焰模型将湍流火焰看成嵌入湍流 流场内的局部具有一维结构的薄的层流火焰的一个 系统 . 在该模型中化学反应的时间尺度与湍流燃烧 的 Kolmogrov 时间尺度相比要小 . 因此, 湍流燃烧的 层流小火焰模型是一种基于快速反应假设的模型, 在 火焰面以内 , 以分子扩散和输运过程为主 . 通常混合 物化学性质由混合物的质量分数和标量耗散来描述. 为了较准确地预测燃烧化学反应, 本文采用 GRI( gas research institute)
200093) ( 上海理工大学 能源与动力工程学院 , 上海
摘要: 对甲烷 - 空气的钝体燃烧进行了数值模拟 , 考虑了流体的湍流流动和扩散火焰燃烧的相互 作用. 模拟分别采用化学平衡模型和 GRI - Mech 3. 0 反应机理的非预混燃烧稳定层流小火焰模 型. 通过与文献实验数据的比较, 分析了上述两种模型的模拟结果和 M obini 等人的条件矩平衡封 闭模型的模拟结果的准确性. 研究表明, 上述 3 种燃烧模型的计算结果与实验结果均存在不同程度 的误差, 说明现有的燃烧模型尚需进一步完善 . 关键词: 钝体 ; 非预混燃烧模型 ; 层流小火焰模型 ; 化学平衡模型; 条件矩封闭模型 ; 数值模拟 中图分类号 : V 231. 2 文献标志码: A
Abstract: Bluff body combustion of methane and air was numerically investigated, taking into ac count the interaction between turbulent fluctuation and flame diffusion. The equilibrium flame mod el and the steady flamelet model with GRI - Mech 3 . 0 were chosen to evaluate the validity of com bustion models. Numerical results of the above two models, together with those of the conditional momentum closure modeling conducted by Mobini et al, were compared with some published exper imental data. Deviations from the experimental results were found for each of the three modeling methods. Obviously, it needs to work further to improve the existing combustion models. Key words: bl uf f body ; non pr em ix ed com bust ion m odel ; st eady f la m elet m odel ; chem ical equ il ibr i um m odel ; con dit iona l m om ent cl osur e m odel ; n um er i ca l si m ul a t ion 火焰稳定性是燃烧器设计过程必须考虑的重要 问题 , 钝体燃烧器是一种比较容易实现稳定火焰的 燃烧装置 . 形成钝体燃烧的条件是必须形成逆压梯 度, 环流速度必须远大于中心喷流 , 中心喷流滞止点 比环流喷流滞止点离喷口距离要近 . 环流速度越大 , 越容易形成回流. 钝体燃烧改变了流场的结构, 在钝 体燃烧内产生了回流区 , 回流区内有稳定火焰的作 用 . 影响火焰稳定的因素包括燃料进口速度和空气 环流速度及钝体的直径与中心直径的比例 [ 1] . 数值模拟已广泛应用于燃烧领域 . 工程中遇到的
反应机理, 该机理由 53 种物质和
325 个基元反应所组成. GRI- Mech 是一系列元素的 基元反应以及相关速率常数表达式. GRI 是一个优 化、 详细的化学反应机理, 在模拟天然气的燃烧火焰 和点火等过程方面是目前最准确的反应机理. CM C 模型假设在扩散燃烧中大多数组分浓度 和温度等标量的脉动量只与当地的混合分数的脉动 有关 . 由于基于混合分数的条件平均抑制了大多数
Evalution on combustion models used in CH 4 / air non premixed combustion simulation
ZHANG Ha i jun, CHEN Yung cheng , GUO Xue yan ( School of En er gy &P ow er Engin eer ing , Un iver sity of Sha n gha i for Scien ce a nd T echnology , Sha ngha i 200093 , Chin a )
第 31 卷
第 5期
J. University of Shanghai for Science and Technology
上海理工大学学报
Vol. 31
No. 5 2009
文章编号 : 1007- 6735(2009)05- 0483- 05
燃烧模型对甲烷/ 空气非预混数值模拟的影响
张海军, 陈永辰, 郭雪岩
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本文采用 F LU ENT 6. 3 软件在联想深腾 1800 并行机上进行并行计算 , 采用基于压力的求解器 , 速 度场与压力场的耦合采用 SIM PL E 方法 . 动量、 组 分、 湍动能和湍流耗散率的离散格式均采用一阶迎 风差分格式 , 为了减少运算量, 采用了二维轴对称计 算域, 燃烧器的壁面采用标准壁面函数方法处理 .