合成氣燃燒數值模擬與驗證

第31卷第1期計算機與應用化學(xué)Vol31. No. 12014年1月28日Computers and Applied ChemistryJanuary 28, 2014合成氣燃燒數值模擬與驗證郭培卿",臧述升2,葛冰(1.上海超級計算中心,上海,2012032.上海交通大學(xué)動(dòng)力機械與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗室,上海,200240)摘要:以整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(GC系統中的合成氣燃燒室為研究對象,針對天然氣改燒合成氣后非預混火焰的燃燒特性開(kāi)展數值模擬與實(shí)驗驗證,經(jīng)與實(shí)驗數據對比,結果顯示大渦模擬能夠準確預測燃燒室內的平均流場(chǎng)與溫度場(chǎng)、速度脈動(dòng)分布,對燃燒過(guò)程產(chǎn)物OH自由基的預測與實(shí)驗結果有所偏差,為后續分析工作奠定基礎。通過(guò)將數值模擬與實(shí)驗測量相結合,對同一噴嘴結構燃燒室內使用天然氣、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)行了對比分析,結果表明該噴嘴結構適用于合成氣燃燒,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對改善合成氣燃燒室的不穩定性具有積極的意義,同時(shí)燃燒室壁面的熱負荷更高。關(guān)鍵詞:大渦模擬;合成氣燃燒;實(shí)驗驗證中圖分類(lèi)號:TP3919TK16文獻標識碼:A文章編號:10014160(2014)0101-04DOI: 10. 11719/com. app. chem201401011引言并處理,保持交界面上網(wǎng)格節點(diǎn)的一致性,如圖2所示,隨著(zhù)計算機計算能力的不斷提高和計算軟件的不斷網(wǎng)格總數約為600萬(wàn)發(fā)展,計算流體力學(xué)在燃燒領(lǐng)域的研究中得到越來(lái)越多的應用,非預混燃燒物理過(guò)程受湍流摻混、分子擴散和化學(xué)反應等過(guò)程的綜合影響,通過(guò)數值計算精確求解湍流燃燒過(guò)程產(chǎn)物的時(shí)空分布依然十分困難,但在預測湍流燃燒現象中的主要物理量分布方面,CFD計算發(fā)揮著(zhù)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,CFD是開(kāi)展燃燒現象研究時(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被公認為本世紀最圖1噴嘴結構具發(fā)展前景的煤炭清潔發(fā)電技術(shù)叫,系統中使用煤炭氣化后形成的合成氣代替傳統天然氣作為燃料,合成氣中主要包含H2、CO及其它少量高階碳氫化合物,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。本文以合成氣非預混火焰為研究對象進(jìn)行數值模擬,研究不同成分燃料的燃燒特性,并利用相關(guān)實(shí)驗數據開(kāi)展研究分析。2數值模擬方法圖2融合前()后(b)的交界面網(wǎng)格節府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(guò)噴嘴對流場(chǎng)的組織,大渦模擬(LES)通過(guò)濾波函數將湍流運動(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、能量和噴嘴結構如圖1所示,燃料與空氣在噴嘴中通過(guò)旋流氣動(dòng)量的輸運、湍流擴散作用以及雷諾應力,計算中直接形成旋流流動(dòng),離開(kāi)噴嘴后在燃燒室頭部開(kāi)始混合燃燒求解NS方程,小尺度渦主要起耗散作用,通過(guò)亞網(wǎng)格釆用 ICEM CFD對噴嘴和燃燒室區域分別進(jìn)行網(wǎng)格模型模擬。最初使用 Smagorinsky亞網(wǎng)格模型,后來(lái)劃分,噴嘴部分采用非結構化方式生成貼體網(wǎng)格,燃燒 germano提出一種動(dòng)態(tài)模型來(lái)確定 Smagorinsky模型中室部分采用結構化網(wǎng)格以便控制和調整火焰所在空間及的系數Cs,L相關(guān)區域的網(wǎng)格密度,再對兩部分網(wǎng)格交界部分進(jìn)行合與所求解應嗎YH中國煤化工格應力封閉假設CNMHG型的適用性。這收稿日期:20130907;修回日期:2013-12-14作者簡(jiǎn)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針算機與發(fā)用化骨2014,3l(1)幾種代數亞網(wǎng)格模型是目前使用最為廣泛的亞網(wǎng)格模型3實(shí)驗驗證101 Smagorinsky模型的基礎是渦粘性假設,即亞網(wǎng)格應力中非各項同性部分正比于湍流渦粘系數和大尺度變本文對研究對象進(jìn)行了實(shí)驗測量驗證數值模擬結果,實(shí)驗在上海交通大學(xué)動(dòng)力機械與工程教育部重點(diǎn)實(shí)形率張量的乘積。實(shí)際計算結果表明其渦粘系數對湍流動(dòng)能耗散估計過(guò)大, Smagorinsky模型的另一缺陷在于需驗室激光燃燒診斷平臺進(jìn)行,噴嘴出口連接帶有光學(xué)視要事先給定 Smagorinsky常數,而DNS的計算表明,C窗的不銹鋼模型燃燒室,通過(guò)石英玻璃視窗能夠利用激在時(shí)空范圍內變化很大,因此無(wú)法適用于各種復雜流動(dòng)光診斷技術(shù)實(shí)現對燃燒室內火焰的光學(xué)測量。實(shí)驗中以情況。 Germano動(dòng)態(tài)亞網(wǎng)格模型采用了網(wǎng)格濾波和測試不同流量H2、CO和CO2的配比來(lái)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)量流量計與控制閥分別控制,經(jīng)過(guò)混合腔內充分混合后進(jìn)入燃燒室。通過(guò)粒子圖像速優(yōu)點(diǎn),同時(shí)在某些區域中動(dòng)態(tài)系數為負值,表示能量由小尺度向大尺度轉移,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,由高溫熱電偶和激光誘導熒分重要的能量逆向傳輸過(guò)程,克服了 Smagorinsky模型光(PL系統測量燃燒室內的溫度場(chǎng)與OH自由基濃度耗散過(guò)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。在于計算量的增加以及過(guò)大的負渦粘系數可能導致的計4結果分析算的局部不穩定性。本文采用2種亞網(wǎng)格模型進(jìn)行模擬和對比計算與實(shí)驗結果在軸向平面上的速度分布如圖3所在擴散燃燒中,根據簡(jiǎn)單反應系統( Simple ChemicalReaction System,ScRS)的假設,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數z:--,-.LES-Smagorinskyz=1orm, fuel其中,m為元素i的質(zhì)量分數,下角標ox與fuel分別表示氧化劑入口與燃料入口?；旌戏謹礪可以用來(lái)表征各個(gè)組分的質(zhì)量分數、溫度和密度,是守恒量,同時(shí)也是一個(gè)隨機變量,可采用個(gè)適當的概率密度函數( Probability Density Function(a)PDF)來(lái)描述Z的脈動(dòng)性質(zhì)。本文使用最常用的βPDF分布12,對不同燃料按實(shí)際組分生成不同的PDF進(jìn)行計算,如表1所示。ES-Germano表1燃料組分Table 1 Fuel composition.燃料熱值體積分數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)驗驗證:(a)軸向平均速度,(b)軸向速度脈動(dòng)數值模擬在上海超級計算中心魔方超級計算平臺進(jìn)行,采用控制容積離散方法,空間項以中心差分格式離橫坐標以燃料噴嘴內徑16mm歸一化后表示,2種散,時(shí)間項采用二階迎風(fēng)精度,壓力速度通過(guò) SIMPLE亞網(wǎng)格模型模擬獲得的平均流場(chǎng)與實(shí)驗結果吻合較好,方法耦合。燃料與空氣采用流量進(jìn)口,入口雷諾數分別能夠較為精確地預測回流區的位置與尺寸,對速度脈動(dòng)為5300和21600,燃燒室出口設為壓力出口,背壓為量的預測,以及在捕捉空氣旋流與回流區邊界處的切應1個(gè)大氣壓。燃燒室壁面與旋流器表面假設為無(wú)滑移絕力層方面, Germano模型比 Smagorinsky亞網(wǎng)格模型更熱壁面,采用壁面函數處理近壁面流動(dòng)。計算中采用的為準確,更適用王充在么向性的旋洊動(dòng)。中國煤化工時(shí)間步長(cháng)為103s,共迭代20000時(shí)間步,相當于10倍不同軸向如圖4所示通過(guò)對比可以燃燒室特征時(shí)間CNMHG高溫區的分布,基本真實(shí)地反映燃燒室內溫度分布,但對噴嘴出口位置2014,31(郭培卿,等:合成氣燃燒數值模擬與驗最高溫度的預測值略微偏高。同的特點(diǎn):燃燒室內存在中心與外圍2個(gè)回流區,中心回流區呈梭形分布,噴嘴附近與燃燒室下游位置較尖,△燃燒室中部回流區的徑向寬度最大,高溫區域主要集中在中心回流區內,燃料與空氣的混合氣體在此處發(fā)生化學(xué)反應,并延伸到燃燒室中心軸線(xiàn)上,外圍回流區內主要由未參與反應的低溫空氣構成。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)驗驗證:上半為實(shí)驗值,下半為計算值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底部均存在高溫區(b)50 mm;(c)100 mm away from spray exit.圖4溫度場(chǎng)的實(shí)驗驗證:距離噴嘴出口(a)20mm;高溫區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心回流區的徑向寬度明顯小于合成氣,并且在燃燒室周圖5中顯示了實(shí)驗與計算獲得的燃燒過(guò)程產(chǎn)物OH向壁面存在有低溫旋流空氣,壁面熱負荷較小,另一方自由基濃度分布,其中實(shí)驗中為相對濃度,大渦模擬結面,天然氣火焰的空氣旋渦并未附著(zhù)在燃燒室頭部,而果為絕對濃度?？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,穩定性較差。而其它3種燃料燃燒際測量值基本相符,但在噴嘴出口附近以及中心軸線(xiàn)的時(shí),大量高溫煙氣回流到燃料旋渦的底部,對離開(kāi)噴嘴預測有所偏差,主要原因在于采用了簡(jiǎn)單化學(xué)反應機理,的旋流混合可燃氣體具有加熱作用,從而在燃燒室頭部對燃燒過(guò)程產(chǎn)物的計算精度無(wú)法得到保證。形成穩定的點(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,但最高溫區域明顯縮小,介于H與CO火焰之間。溫度場(chǎng)的分布,對OH自由基分布的預測則不夠準確各工況OH自由基分布如圖7所示。天然氣火焰在建議使用LES對速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)的預測作為實(shí)驗數據的噴嘴出口區域OH濃度很低,說(shuō)明該區域內存在尚未參必要補充。與化學(xué)反應的新鮮燃料,火焰根部鋒面呈現W型分布。圖6顯示了4種燃料燃燒時(shí)的模擬結果,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果,合成CNMHG度從噴嘴出口直延伸到燃燒至下游,直部火陽(yáng)暉叫呈現M型分布。針算機與;用化學(xué)2014,3l(1)References1 Jiao S, Comments on development and trends of IGCC. 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Jourmal of CombustionFig7 OH radical filed of: (a) natural gas;(b)hydrogen;(c)carbonScience and Technology, 2009, 15(3): 226-231monoxide; (d) syn-gas flames7 Seneral circulation experiments with primitive圖7不同燃料的OH自由基分布:(a)天然氣;(b)氫氣;equations. Monthly Weather Review, 1963, 91(3): 99-164(c)一氧化碳;(d)合成氣8 Germano U, Moin P P. a dynamic subgrid-scale eddy viscositymodel Physics of Fluids A, 1991, 3(7): 1760-17655結論9 Wissink J G DNS of separating, low Reynolds number flow in aturbine cascade with incoming wakes. Intermational Journal ofHeat and Fluid Flow, 2003, 24(4): 626-635本文針對天然氣、氫氣、一氧化碳以及合成氣非預10zhao. Numerical Simulation of Combustion. Beijing: Science混燃燒進(jìn)行了大渦模擬和實(shí)驗驗證,通過(guò)對比分析得出11 Zhou I,huL, Wang F. Progress of large eddy simulation of以下結論:turbulent combustion. Journal of Engineering Thermophysics,(1)大渦模擬對旋流燃燒室內的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)能夠12- Olbricht C,HmE, Kuhne J,eta, Flow and mixing in a model較準確地預測, Germano亞網(wǎng)格模型對湍流脈動(dòng)的預測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燃燒模型對燃燒中間產(chǎn)物如OH分布中文參考文獻的預測與實(shí)驗測量結果存在偏差;(3)天然氣燃燒時(shí)中心回流區較小,火焰穩定性較1焦樹(shù)建關(guān)于目前世界上GC發(fā)展情況與趨勢的評論燃氣輪機技術(shù),2004,17(3:1差,合成氣化學(xué)反應區域增大,對燃燒穩定性具有積極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,豐鎮平.燃氣輪機低熱值合成氣燃燒室內三維湍流流動(dòng)的數值模擬研究門(mén)動(dòng)力工程,2009,29(4)符號說(shuō)明330-334.混合分數6湯根土,呂俊復,岳光溪,等.CO2稀釋對合成氣擴散火焰中元素i的質(zhì)量分數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)量分數10趙堅行.燃燒的數值模擬[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(mén)工程熱物理學(xué)報,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)