合成氣非預(yù)混燃燒的數(shù)值模擬

郭培卿+葛冰

摘要： 針對(duì)合成氣非預(yù)混火焰結(jié)構(gòu)開展數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證，分析天然氣改燒合成氣后燃燒特性的變化規(guī)律.結(jié)果表明，大渦模擬（Large Eddy Simulation，LES）在速度分布和溫度分布的預(yù)測(cè)中與試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，而在對(duì)燃燒過(guò)程產(chǎn)物（如OH自由基）預(yù)測(cè)中則與試驗(yàn)結(jié)果有所差異.采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合的方法，探討和分析合成氣燃燒特性的變化規(guī)律：與天然氣火焰相比，合成氣燃燒時(shí)高溫區(qū)域更大，火焰穩(wěn)定性較好；隨著當(dāng)量比提高，燃燒室熱負(fù)荷不斷增大，同時(shí)最高回流速度增大，火焰根部受到壓縮，逐漸呈現(xiàn)出推舉火焰特征.

關(guān)鍵詞： 合成氣； 燃燒； 火焰結(jié)構(gòu)； 大渦模擬； 平面激光誘導(dǎo)熒光

中圖分類號(hào)： TK16； TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract： The numerical simulation and test validation are used to study syngas nonpremixed flame structure， and the change rule of combustion characteristics of syngas which is instead of natural gas is analyzed. The results indicate that， the velocity and temperature distribution predicted by Large Eddy Simulation（LES） are in good consistency with the test results， but the prediction of substances generated during combustion process such as OH radical prediction is different from the test results. The method of numerical simulation combined with test measurement is used to discuss and analyze the change rule of syngas combustion. It shows that， comparing with natural gas flame， the high temperature zone is enlarged and the flame stability is better； with the increase of equivalence ratio， the heat load of combustion chamber increases， the top back flow velocity increases， and the flame shows pushup characteristic.

Key words： syngas； combustion； flame structure； large eddy simulation； planar laser induced fluorescence

0引言

整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（Integrated Gasification Combined Cycle， IGCC）是目前世界上公認(rèn)的煤炭清潔化利用的重要發(fā)展方向.在IGCC系統(tǒng)中，燃?xì)廨啓C(jī)使用煤氣化產(chǎn)生的合成氣，其可燃成分為H2，CO和其他少量高階碳?xì)浠衔?，熱值普遍較低.為保持輸出功率一致，與天然氣相比，合成氣燃料流量將大幅提高，因此如何降低NOx排放是合成氣燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室設(shè)計(jì)面臨的主要難點(diǎn)之一.作為低污染燃燒技術(shù)之一的合成氣燃燒正逐步成為相關(guān)燃燒領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).[14]隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的不斷提高，CFD在燃燒現(xiàn)象研究領(lǐng)域中得到越來(lái)越多的應(yīng)用，其中非預(yù)混燃燒物理過(guò)程受湍流摻混、分子擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)的綜合影響，受試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)容量、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和燃燒模型等多種限制，通過(guò)CFD計(jì)算精確求解湍流燃燒過(guò)程中間產(chǎn)物的時(shí)空分布依然十分困難，但在預(yù)測(cè)湍流燃燒流場(chǎng)中的主要物理量作為試驗(yàn)研究的補(bǔ)充和延伸方面，CFD計(jì)算發(fā)揮極其重要的作用.由于其成本較低并且具備全流場(chǎng)模擬和特殊工況模擬能力等優(yōu)勢(shì)，CFD是開展燃燒現(xiàn)象研究的重要手段之一.本文以合成氣非預(yù)混火焰為研究對(duì)象開展大渦模擬（Large Eddy Simulation， LES），并利用PIV和OHPLIF等測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，根據(jù)數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)合成氣與天然氣燃燒特性開展研究.

1數(shù)值模擬方法

LES將湍流瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)通過(guò)濾波方法分解為大、小尺度渦2部分，其中大尺度渦在計(jì)算中直接求解，然后利用亞網(wǎng)格模型建立與大尺度渦的關(guān)系對(duì)其小尺度渦進(jìn)行模擬.主要的亞網(wǎng)格模型包括Smagorinsky亞網(wǎng)格模型[5]和Germano動(dòng)態(tài)亞網(wǎng)格模型[6]等.與直接數(shù)值模擬相比，LES計(jì)算量大大減少[7]，同時(shí)可以精確求解，獲得的大尺度渦湍流運(yùn)動(dòng)能夠真實(shí)反映湍流運(yùn)動(dòng)的主要瞬態(tài)特征[8]；另一方面，與傳統(tǒng)雷諾時(shí)均模擬方法相比計(jì)算量大得多仍是LES應(yīng)用于實(shí)際工程問(wèn)題的最大障礙[9].

在模擬非預(yù)混燃燒時(shí)，用概率密度函數(shù)（βPDF分布）描述混合分?jǐn)?shù)的脈動(dòng)性質(zhì)，根據(jù)不同燃料生成對(duì)應(yīng)的PDF分布，應(yīng)用在相應(yīng)的燃燒過(guò)程計(jì)算中，燃料組分見(jiàn)表1.

5結(jié)論

利用LES針對(duì)合成氣非預(yù)混燃燒開展研究，并根據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，對(duì)合成氣燃燒規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

（1）LES對(duì)燃燒室內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布的預(yù)測(cè)與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，Germano亞網(wǎng)格模型對(duì)湍流脈動(dòng)的預(yù)測(cè)更為精確；

（2）采用簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)假設(shè)的PDF燃燒模型對(duì)燃燒中間產(chǎn)物如OH自由基分布的預(yù)測(cè)與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果存在偏差；

（3）隨著當(dāng)量比的提高，合成氣火焰根部逐漸出現(xiàn)M型分布，形成典型的推舉火焰特征，高溫區(qū)向下游移動(dòng)，火焰根部受到壓縮，旋流燃料與空氣間混合得到加強(qiáng)，最高回流速度增大.

參考文獻(xiàn)：

[1]STRAKEY P， SIDWELL T， ONTKO J. Investigation of the effects of hydrogen addition on lean extinction in a swirl stabilized combustor[J]. Proc Combustion Inst， 2007， 31（2）： 31733180.

[2]CASARSA L， MICHELI D， PEDIRODA V， et al. Investigations of pyrolysis syngas swirl flames in a combustor model[C]// Proc ASME Turbo Expo 2009， GT200959610. Orlando， 2009.

[3]張文興， 穆克進(jìn)， 王岳， 等. 合成氣甲醇摻燒火焰研究[J]. 熱能動(dòng)力工程， 2009， 24（2）： 236241.

[4]趙曉燕， 李祥晟， 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[J]. 動(dòng)力工程， 2009， 29（4）： 330334.

[5]SMAGORINSKY J S. General circulation experiments with the primitive equations[J]. Mon Weather Rev， 1963， 91（3）： 99164.

[6]GERMANO M， PIOMELLI U， MOIN P， et al. A dynamic subgridscale eddy viscosity model[J]. Phys Fluids A， 1991， 3（7）： 17601765.

[7]LILLY D K. A proposed modification of the Germano subgridscale closure method[J]. Phys Fluids： A， 1992， 4（3）： 633635.

[8]趙堅(jiān)行. 燃燒的數(shù)值模擬[M]. 北京： 科學(xué)出版社， 2002.

[9]周力行， 胡礫元， 王方. 湍流燃燒大渦模擬的最近研究進(jìn)展[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào)， 2006， 27（2）： 331334.

[10]寧晃， 高歌. 燃燒室氣動(dòng)力學(xué)[M]. 2版. 北京： 科學(xué)出版社， 1987.

[11]WISSINK J G. DNS of separating， low Reynolds number flow in a turbine cascade with incoming wakes[J]. Int J Heat & Fluid Flow， 2003， 24（4）： 626635.

（3）隨著當(dāng)量比的提高，合成氣火焰根部逐漸出現(xiàn)M型分布，形成典型的推舉火焰特征，高溫區(qū)向下游移動(dòng)，火焰根部受到壓縮，旋流燃料與空氣間混合得到加強(qiáng)，最高回流速度增大.

參考文獻(xiàn)：

[1]STRAKEY P， SIDWELL T， ONTKO J. Investigation of the effects of hydrogen addition on lean extinction in a swirl stabilized combustor[J]. Proc Combustion Inst， 2007， 31（2）： 31733180.

[2]CASARSA L， MICHELI D， PEDIRODA V， et al. Investigations of pyrolysis syngas swirl flames in a combustor model[C]// Proc ASME Turbo Expo 2009， GT200959610. Orlando， 2009.

[3]張文興， 穆克進(jìn)， 王岳， 等. 合成氣甲醇摻燒火焰研究[J]. 熱能動(dòng)力工程， 2009， 24（2）： 236241.

[4]趙曉燕， 李祥晟， 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[J]. 動(dòng)力工程， 2009， 29（4）： 330334.

[5]SMAGORINSKY J S. General circulation experiments with the primitive equations[J]. Mon Weather Rev， 1963， 91（3）： 99164.

[6]GERMANO M， PIOMELLI U， MOIN P， et al. A dynamic subgridscale eddy viscosity model[J]. Phys Fluids A， 1991， 3（7）： 17601765.

[7]LILLY D K. A proposed modification of the Germano subgridscale closure method[J]. Phys Fluids： A， 1992， 4（3）： 633635.

[8]趙堅(jiān)行. 燃燒的數(shù)值模擬[M]. 北京： 科學(xué)出版社， 2002.

[9]周力行， 胡礫元， 王方. 湍流燃燒大渦模擬的最近研究進(jìn)展[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào)， 2006， 27（2）： 331334.

[10]寧晃， 高歌. 燃燒室氣動(dòng)力學(xué)[M]. 2版. 北京： 科學(xué)出版社， 1987.

[11]WISSINK J G. DNS of separating， low Reynolds number flow in a turbine cascade with incoming wakes[J]. Int J Heat & Fluid Flow， 2003， 24（4）： 626635.

（3）隨著當(dāng)量比的提高，合成氣火焰根部逐漸出現(xiàn)M型分布，形成典型的推舉火焰特征，高溫區(qū)向下游移動(dòng)，火焰根部受到壓縮，旋流燃料與空氣間混合得到加強(qiáng)，最高回流速度增大.

參考文獻(xiàn)：

[1]STRAKEY P， SIDWELL T， ONTKO J. Investigation of the effects of hydrogen addition on lean extinction in a swirl stabilized combustor[J]. Proc Combustion Inst， 2007， 31（2）： 31733180.

[2]CASARSA L， MICHELI D， PEDIRODA V， et al. Investigations of pyrolysis syngas swirl flames in a combustor model[C]// Proc ASME Turbo Expo 2009， GT200959610. Orlando， 2009.

[3]張文興， 穆克進(jìn)， 王岳， 等. 合成氣甲醇摻燒火焰研究[J]. 熱能動(dòng)力工程， 2009， 24（2）： 236241.

[4]趙曉燕， 李祥晟， 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[J]. 動(dòng)力工程， 2009， 29（4）： 330334.

[5]SMAGORINSKY J S. General circulation experiments with the primitive equations[J]. Mon Weather Rev， 1963， 91（3）： 99164.

[6]GERMANO M， PIOMELLI U， MOIN P， et al. A dynamic subgridscale eddy viscosity model[J]. Phys Fluids A， 1991， 3（7）： 17601765.

[7]LILLY D K. A proposed modification of the Germano subgridscale closure method[J]. Phys Fluids： A， 1992， 4（3）： 633635.

[8]趙堅(jiān)行. 燃燒的數(shù)值模擬[M]. 北京： 科學(xué)出版社， 2002.

[9]周力行， 胡礫元， 王方. 湍流燃燒大渦模擬的最近研究進(jìn)展[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào)， 2006， 27（2）： 331334.

[10]寧晃， 高歌. 燃燒室氣動(dòng)力學(xué)[M]. 2版. 北京： 科學(xué)出版社， 1987.

[11]WISSINK J G. DNS of separating， low Reynolds number flow in a turbine cascade with incoming wakes[J]. Int J Heat & Fluid Flow， 2003， 24（4）： 626635.