守恒方程在燃燒爆炸學中的應用

朱彥奎　李亞松

【摘 要】本文采用具有模擬復雜外形的流體流動及熱傳導的CFD軟件FLUENT，建立了一個絕熱式燃燒嘴的二維燃燒空間，選用k-ε湍流模型和有限速率模型對二維空間進行數(shù)值模擬，為復雜的燃燒實驗作了一些基礎的研究工作，可為燃燒實驗分析和工程應用提供一種新的研究手段。

【關鍵詞】燃燒爆炸；數(shù)學模型；數(shù)值模擬；FLUENT

0 引言

可燃氣體爆炸是工業(yè)生產(chǎn)和生活領域爆炸災害的主要形式之一，迫切要求能夠預測好潛在的氣體爆炸的威力和危害，并以此為基礎在設計和實際建筑安裝中提出合理的方案。氣體爆炸是預混燃燒的一種。可燃氣體燃燒爆炸的模式大致可以有4種：定壓燃燒、爆燃、定容爆炸、爆轟。管道內(nèi)可燃氣體爆炸事故中最常見的形式是爆燃，即火焰陣面相對于未燃氣體以亞音速傳播，工業(yè)可燃氣體爆炸事故多足由弱點火（點火能量小于100J）點燃可燃氣云引起的。傳播形式多為亞音速傳播的爆燃波。燃燒率、預混火焰陣面的傳播率及障礙物幾何形狀對爆燃超壓都有影響，與之相關的問題是現(xiàn)今研究的主要課題之一。包括實驗研究、理論分析、模型的建立及數(shù)值模擬等。本文以甲烷燃燒為對象，首先建立了其物理模型和數(shù)學模型，并利用商用CFD軟件FLUENT對二維熱態(tài)燃燒空間進行模擬。

1 數(shù)值模擬技術的發(fā)展概述

A.K.Gupta利用計算機數(shù)值模擬的方法研究了高溫空氣燃燒的火焰狀態(tài)。利用了非均勻網(wǎng)格系統(tǒng)，引入了傳熱模型，湍流模型，考慮了體系內(nèi)的輻射和化學反應。得出了在不同的空氣預熱溫度（1400K和1200K）下，隨著含氧濃度（21%，15%，8%，5%，2%）的降低，火焰的最高溫度都降低，火焰的體積增大。W.Blasiak，B.Lindblad模擬了具有一個燃料噴嘴的長方體型燃燒室，選用不同的模型（RSM/MPDF模型和k-e/FRDE模型），得出空氣預熱到1300K，氧氣濃度分別為21%，15%，8%，3%時燃燒室的流場、溫度場和濃度場圖，說明了高溫空氣燃燒具有溫度分布均勻，低污染物排放的優(yōu)點。并且得出RSM/MPDF模型模擬火焰燃燒的結(jié)果比k-e/FRDE模型更接近試驗拍攝的結(jié)果。

國內(nèi)具有代表性的是文獻中對高溫空氣燃燒的火焰特性，全輻射式鍋爐內(nèi)火焰流股結(jié)構以及換向瞬間爐膛內(nèi)熱工作特性進行了數(shù)值模擬，結(jié)果與前期的熱態(tài)實驗和日本學者發(fā)表的結(jié)果相吻合。西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室首先借助Fluent軟件平臺，應用Eulerian/Lagrangian方法，在3種不同工況下對200MW四角切向燃燒煤粉鍋爐爐內(nèi)的流動、傳熱以及燃燒進行了數(shù)值模擬，得到了爐膛內(nèi)的速度場、溫度場分布，而且對爐內(nèi)CO、O2、CO2的質(zhì)量濃度分布給出了趨勢圖，給出了煤粉顆粒的運動軌跡。清華大學熱能工程系由長福等人比較了軟件FLUENT提供的不同湍流模型：K-ε模型、RNGK-ε模型、帶旋流修正的RNGK-ε模型、Realizable K-ε模型、雷諾應力模型在對四角切向燃燒煤粉鍋爐內(nèi)冷態(tài)氣相流動進行數(shù)值模擬的效果；探討了為減小數(shù)值偽擴散對強旋流動的影響采用的減小網(wǎng)格尺寸和提高差分格式精度等措施的優(yōu)劣，為理論分析強旋湍流流動和對四角切向燃燒煤粉鍋爐內(nèi)流體流動的工程設計提供了參考依據(jù)。同濟大學熱能工程系金穎等運用FLUENT軟件模擬計算了小尺寸下的簡單煙氣擴散規(guī)律，結(jié)果與正態(tài)分布假設下的高斯煙羽模型驗證表明該軟件能很好的模擬出煙氣擴散問題。法國杜埃礦業(yè)研究院工業(yè)能源實驗室在FLUENT平臺上對原型為600MW四角切圓燃燒鍋爐進行爐膛內(nèi)冷態(tài)空氣動力場模擬，研究了經(jīng)不同燃燒器送入的空氣在爐膛內(nèi)的流動情況以及爐膛內(nèi)的速度分布[1]。

2 物理模型及其網(wǎng)格劃分

本文所建的物理模型是二維圓筒形燃燒器。在燃燒器的中心有一個小的噴嘴注入甲烷?？諝鈴膰娮熘車M入燃燒器。其質(zhì)量分數(shù)和速度由操作面板輸入。圓筒內(nèi)壁每格0.5m有高為0.1m的擋板。物理模型及尺寸如圖1所示：

本物理模型的特點是：燃料噴嘴為絕熱材料，壁面初始溫度為300K，燃料由噴嘴處高速噴出，并與低速流動的空氣混合。壁面上的擋板會使氣流產(chǎn)生明顯的渦流，在模擬中可以清晰的看到。

本模擬采用FLUENT的前置處理器GAMBIT進行網(wǎng)格劃分，由于模型是軸對稱結(jié)構，可以只對一半模型進行劃分，除了周邊界和4個長壁面的ratio分別選為0.38和0.55外，其他均為1。噴嘴處的網(wǎng)格放大圖如圖2所示：

由圖2可以看出，網(wǎng)格劃分采用的是非結(jié)構化網(wǎng)格。網(wǎng)格信息如表1：

1 cell zone，7 face zones。最大網(wǎng)格體積為5.389917e-005m3，最小網(wǎng)格體積為4.484518e-007m3，大于0，可以正常計算。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

計算工程可以生成火焰從發(fā)生到噴出燃燒器的動畫效果。以下是計算過程中的溫度場和壓力場隨時間的變化圖（圖3、圖4、圖5）。

4 結(jié)論

本文采用具有模擬復雜外形的流體流動及熱傳導的CFD軟件FLUENT，建立了一個具有高效蓄熱式燒嘴的二維燃燒空間；選用k-湍流模型、species transport模型對二維空間進行數(shù)值模擬。通過計算結(jié)果分析得出以下結(jié)論：

（1）計算模型、湍流模型和組分模型的選擇對收斂的速度和計算的花費有著直接的影響，因此應該綜合考慮，以使計算花費和收斂時間達到能夠接受的程度。

（2）FLUENT的計算只是一種數(shù)值模擬計算，跟實際實驗值存在一定誤差。

（3）組分質(zhì)量分數(shù)可能影響火焰的發(fā)生和傳輸。燃料組分的質(zhì)量分數(shù)過低或過高都不能順利進行實驗。過低可能導致火焰不能點燃，過高則有可能使火焰在短時間內(nèi)迅速熄滅。

（4）本實驗假定除了密度以外的所有物性不變進行初始化計算。因為流動為完全發(fā)展湍流，使用常傳輸物性是可以接受的。但是不變比熱的假定對燃燒的求解有較大的影響。

（5）擋板對燃燒的氣流有明顯的影響，通過動畫可以明顯的看出在擋板處產(chǎn)生了渦旋氣流。

（6）本實驗的渦—耗散反應模型忽略了化學動力學。因此僅使用混合率參數(shù)，化學動力學參數(shù)未被激活。

【參考文獻】

[1]韓占平，王敬，蘭小平，編.FLUENT流體工程仿真計算實例與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2004.6.

[2]王福軍，編.計算流體動力學分析——CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社.

[3]李珍香，張躍華.仿真技術與虛擬現(xiàn)實技術[J].電腦學習.2000（5）：2-14.

[4]劉霞，葛新鋒.FLUENT軟件及其在我國的應用[J].能源研究與利用，2003（2）：36-38.

[責任編輯：王楠]