合成氣燃氣輪機燃燒室CFD模擬的模型選擇及優(yōu)化

第35卷第6期中國電機工程學(xué)報Vol.35No.6Mar.20,20152015年3月20日Proceedings of the CSeeC2015 Chin. Soc. for Elec Eng. 1429DOI:10.133410258-8013, pose201506.018文章編號:0258-8013(2015)06-1429-07中圖分類(lèi)號:TK472合成氣燃氣輪機燃燒室CFD模擬的模型選擇及優(yōu)化王翰林,雷福林,邵衛衛,熊燕,張哲巔,肖云漢(中國科學(xué)院先進(jìn)能源動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗室(工程熱物理研究所),北京市海淀區100190)Screening and Modification of CFD Models for Syngas Turbine CombustorWANG Hanlin. LEI Fulin SHAO Weiwei. XIONG Yan. ZHANG Zhedian. XIAO Yunhan(Key Laboratory of Advanced Energy and power (Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences)Haidian District, Beijing 100190, China)ABSTRACT: A standard swirling diffusion flame and a scaled關(guān)鍵詞:合成氣燃氣輪?wèn)i燃燒室;計算流體力學(xué)(CFD);湍syngas turbine were numerically studied using the method of流模型;火焰結構;NO,排放RANSto analyze the effects of 4 turbulence models onsimulations. Compared with experimental profiles of velocity, 0 Iftemperature and mixture fraction, effects of models and model整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)( integrated gasificationparameters on simulation results were discussed. The mostsuitable realizable K-8 model was chosen, and the constant of combined cycle,lGCC)利用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)實(shí)現C2 in the a equation was modified. Coupled with the proper了煤的清潔高效利用,成為未來(lái)電力的重要發(fā)展方combustion models and chemical mechanisms, an appropriate向之一,因而發(fā)展合成氣燃氣輪機有重要意義。燃method for CFD simulation of syngas combustor was燒室的壁面溫度對于燃燒室的設計和使用壽命具d. A scaled syngas turbine combustor experiment wasut. Using the former method, the surface temperatu有重要意義。此外,隨著(zhù)污染物排放標準的日益嚴O emissions of the scaled syngas turbine combustor格,燃氣輪機燃燒室NO污染物排放控制受到挑were calculated. The computational results show good戰。雷諾平均( Reynolds average Navier-Stocksagreements with experiments. The method was verifiedRANS)計算流體力學(xué)( computational fluid dynamics,KEY WORDS: syngas turbine; computational fluid dynamics CFD模擬為預測燃氣輪機燃燒室燃燒及污染物排(CFD); turbulence models; flame structure: NO, emissions放特性提供了一種基礎手段,從而為合理設計燃燒摘要:采用雷諾平均的計算流體力學(xué)方法,通過(guò)模擬與燃燒室提供了一條有效途徑。室模態(tài)相似的標準旋流擴散燃燒實(shí)驗以及合成氣模型旋流RANS方法的燃燒模擬結果和計算速度受到所燃燒室實(shí)驗,分析了4種湍流模型對旋流燃燒及合成氣燃燒室的數值模擬結果的影響。對比標準實(shí)驗的速度、溫度以及采用的湍流燃燒模型、化學(xué)反應模型、湍流模型等混合分數等實(shí)驗數據,討論不同模型以及參數取值的模擬效因素影響。合成氣燃燒室內的燃燒通常屬于旋流擴果,選取最合適燃燒室內復雜流型預測的 realizable kε湍流散燃燒模態(tài)口,這一模態(tài)中常采用的幾種湍流燃燒模型,并對位于湍流動(dòng)能耗散率(a)方程源項中的模型常數模型特點(diǎn)不同:渦耗散( eddy dissipation,ED)模型C2做岀修正。耦合相應較為準確的燃燒模型以及反應機理采用“混合即燃燒”假設,計算快速,然而 Nemitallah形成針對合成氣燃燒室性能預測的較為理想的模擬方法開(kāi)等采用ED模型模擬非預混火焰的研究表明,此展合成氣模型旋流燃燒室燃燒實(shí)驗,利用形成的數值模擬方法,對燃燒室壁溫及NO排放進(jìn)行了預測,結果與實(shí)驗較模型會(huì )高估火焰尾部的燃燒溫度;概率密度方程吻合,驗證模擬方法可靠。( Probability Density Function,PDF)計算速率相對較快, Ziani等中國煤化工燒火焰的數基金項目:國家863高技術(shù)基金項目(2008AAO5A302)The National High Technology Research andt of china值研究證明CNMHG預測火焰結863 Program(2008AA05A302)構;渦耗散概念( eddy dissipation concept,EDC)模1430中國電機工程學(xué)報第35卷型相對精細但計算速度較慢, Fukumoto等的研究1模擬對象結果表明EDC模型可以準確的計算出燃燒火焰結1悉尼大學(xué)標準旋流燃燒器構。根據燃燒模型的不同特點(diǎn),耦合相應的化學(xué)反根據合成氣燃燒室內包括旋流射流等復雜流應模型可實(shí)現燃燒室工作過(guò)程以及污染物排放模型的流動(dòng)特點(diǎn),選取模態(tài)與之相似并測量出火焰結擬預測。燃燒及污染物NO的生成過(guò)程化學(xué)反應復雜,更容易受到化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)的影響,因此化構的悉尼大學(xué)標準旋流擴散燃燒實(shí)驗進(jìn)行分析,其結構及邊界條件在文獻[18-19中有詳細說(shuō)明。燃燒學(xué)反應模型需要足夠精細,才能使模擬結果更可信。器包含一個(gè)直徑60mm環(huán)形腔體,可供空氣圍繞模擬湍流燃燒常用的湍流模型中, standard K-個(gè)直徑50m的鈍體進(jìn)行旋流;燃料噴口位于鈍體模型對旋流和射流都有較理想的效果因此應用較圓心,直徑3.6mm;整個(gè)燃燒器置于較大的風(fēng)筒中,多6;RNGκ-模型對旋流的描述更為準確,因而風(fēng)筒中的空氣流速保持20m/s在旋流燃燒的模擬中有所應用; realizableκ-ε模型針對湍流黏度以及ε方程做出修正,對多種流型分別選取文獻[18-19]中冷態(tài)工況N29S054和都有理想效果,在燃燒室設計以及預測上應用廣熱態(tài)工況SM1進(jìn)行研究。其中冷態(tài)試驗,燃料孔泛0;雷諾應力模型( Reynolds stress model,RSM出口速度(U)66ms,旋流切速度(U,)19.lms,旋流數0.54。熱態(tài)實(shí)驗采用甲烷燃料,U為327m/s,是理論上最為精密的模型,對旋流模擬效果較為理U為19.1m/s,旋流數0.5。該實(shí)驗在本研究中只用想Curci等對合成氣湍流燃燒的數值研究表明,火焰結構的模擬結果對采用的湍流模型敏感于分析湍流模型對計算結果的影響,因此燃料并不影響結論程度高:由于模擬中所采用的湍流模型對于速度耗1.2合成氣模型燃燒室散的描述不同,因此不同的湍流模型適用于不同的流動(dòng)形態(tài)。此外,為了獲得更理想的預測效果,不本實(shí)驗室合成氣模型旋流燃燒室,主要由旋流噴嘴、旋流器和火焰筒組成,置于同軸機匣內?？胀瑢W(xué)者針對不同的流型對湍流模型做岀了修正,氣由外側機匣進(jìn)入燃燒室。采用K型熱電偶測量燃如:Pope等將k-g模型中的模型常數與流場(chǎng)中的燒室的外壁面溫度,燃燒室外形結構及溫度測點(diǎn)分應變率關(guān)聯(lián),取得對射流模擬效果的改進(jìn); Khaleghi布如圖1所示。采用PEC-304FT紅外氣體分析儀測等對RNGκ-g模型中E方程源項進(jìn)行了修正,改量煙氣中O2、NO、NO2、CO、H2O和未燃碳氫(以善了模型對于旋流的模擬效果; Hossain等1l的研CH4、C3H3表征)等組分濃度究表明將 standardκ-g模型中的C1由144修正為1.6可以更好的模擬鈍體火焰結構等等。合成氣燃測點(diǎn)2測點(diǎn)3測點(diǎn)6測點(diǎn)9測點(diǎn)11氣輪機燃燒室具有復雜的幾何結構,燃燒室的頭部通常采用旋流結構而壁面上包含主燃孔及摻混孔等結構。因此合成氣旋流燃燒室內的流型結構屬于射流、旋流以及交叉射流等幾種流型的復雜結合,所以有必要針對旋流合成氣燃燒室數值模擬中測點(diǎn)1測點(diǎn)4測點(diǎn)5測點(diǎn)7測點(diǎn)8湍流模型的影響進(jìn)行深入分析。圖1燃燒室壁面熱電偶測點(diǎn)分布示意圖本研究在選定較為準確的詳細化學(xué)反應機理和Fig. 1 Distribution of thermocouples on combustor燃燒模型基礎上,通過(guò)模擬與燃燒室模態(tài)相似的悉surfaces尼大學(xué)標準旋流擴散燃燒實(shí)驗189,對比各種實(shí)驗實(shí)驗采用熱值12.2MJkg合成氣作為燃料,其數據,討論前文提到的4種不同湍流模型及部分模組分體積比H2:CO:N2為0.37:0.48:0.15。實(shí)驗工型參數對于模擬結果的影響;選擇最適合預測合成況設置如表1,空氣以及燃料進(jìn)氣溫度均為293K,氣旋流燃燒室燃燒的湍流模型,并對模型參數做出總過(guò)量空氣系數保持3.83。優(yōu)化,形成較為準確的模擬方法;開(kāi)展合成氣模型旋流燃燒室實(shí)驗研究,對比壁溫以及NO-排放數據2數值模擬中國煤化工對方法進(jìn)行驗證和應用。結論對合成氣燃氣輪機燃2.1湍流模型CNMHG燒室流場(chǎng)及燃燒性能預估具有一定的參考意義。RANS模擬方法中的動(dòng)量控制方程可表示為第6期王翰林等:合成氣燃氣輪機燃燒室CFD模擬的模型選擇及優(yōu)化1431表1旋流合成氣模型燃燒室實(shí)驗工況反應動(dòng)力學(xué)模型,總反應模型包含32種組分和176Tab. 1 Operating conditions for the scaled syngas步化學(xué)反應。combust計算方法進(jìn)氣壓力MPa燃料流量/(kgh)氣流量/(kg/h)對于標準燃燒實(shí)驗,將整個(gè)燃燒器燃燒區域作為計算域,共4×105結構化網(wǎng)格單元。對于模型燃338.737.0燒室,根據其幾何對稱(chēng)性,選取燃燒室的四分之0.3546.2564.6作為計算域,并對火焰筒壁面上的冷卻孔進(jìn)行簡(jiǎn)化ap a處理,把每排冷卻孔改為等面積的窄縫,使得計算域具有周期對稱(chēng)性。整個(gè)計算域1.27×10°結構化網(wǎng)格單元。壁面設置為輻射邊界條件。[(+-5)+(-pu2)模擬計算求解采用 ANSYS FLUENT13.0商用方程中的雷諾應力項-p需要本構建模,其軟件,其中輻射換熱采用了離散坐標(DO)射模型壓力速度解耦采用SⅠMPLE算法,壓力迭代采用中一種常用的假設是1877年 Boussinesq提出的渦PRESTO!算法,其他物理量的空間離散格式采用旋黏性系數的概念,將有效流剪切應力pm用二階迎風(fēng)格式。近壁面采用加強壁面處理 (enhance湍流黏度H以及平均速度的梯度表示出來(lái)。為了使 wall treatmen),提高壁面換熱的計算精確度得整個(gè)控制方程組封閉,還需要添加其他變量控制物性利用相應反應模型中的輸運和熱物性數方程,使得未知量的數量與方程數量相等。由此假據包,采用可壓縮理想氣體方法計算混合氣體密設出來(lái)變量湍流動(dòng)能k及其耗散率e,并將它們與度;混合定律計算定壓比熱(p);理想氣體混合定湍流黏度利用假設關(guān)聯(lián),形成 standard k-e模型。律計算熱導系數()和運動(dòng)黏度();動(dòng)力學(xué)理論計在此基礎上,后來(lái)的研究利用不同方法對方程以算質(zhì)量擴散率(D)和熱質(zhì)量擴散系數(D1),以此反映及G方程進(jìn)行了發(fā)展,添加各向異性的假設,形成壓力對物性參數的影響。了RNGκ-ε模型、 realizableκ-←g模型以及RSM模型。本研究對比RANS法中針對旋流燃燒室常用的3結果及討論standardκ-ε模型、旋流主導的RNGk-E模型3.1標準旋流燃燒realizableκ-<ε模型以及RSM模型的模擬效果,選3.1.1·不同模型的模擬結果擇最合適的湍流模型,并進(jìn)一步做出修正在采用 FLUENT中湍流模型參數默認值情況2.2燃燒及化學(xué)反應模型下,使用不同湍流模型模擬分別模擬標準旋流冷態(tài)標準實(shí)驗中燃料為甲烷,其燃燒反應過(guò)程所包實(shí)驗N29S054的流場(chǎng)以及熱態(tài)燃燒實(shí)驗SM軸線(xiàn)含的反應機理步數較多0,若采用有限反應速率的上的軸向速度及溫度分布,對比實(shí)驗結果示于圖2燃燒模型(如EDC模型)耦合詳細反應模型計算時(shí)圖2中,X和r分別為距燃料出口的軸向高度和徑間過(guò)長(cháng),因此采用較為快速且準確的PDF燃燒模向距離,D和R分別代表鈍體的直徑和半徑。型3,13耦合GR2.11骨干化學(xué)反應機制。N29S054的計算結果表明,4種模型在頭部考慮到合成氣詳細化學(xué)反應模型組分數較少,(XD=0.2)的預測效果差別不大,然而對于旋流以能滿(mǎn)足CFD模擬計算軟件的要求,并根據燃燒室及流速耗散速率的描述不同,使得流場(chǎng)后部(XNO排放過(guò)程的特點(diǎn),模型合成氣燃燒室選用合成06)模擬結果差異較大。旋流主導的RNGk=g模型氣燃燒及NO生成的詳細化學(xué)反應機理,耦合EDC和RSM模型對速度衰減預測偏差比較大; standard燃燒模型。已有的硏究表明,EDC模型耦合詳細κ-ε模型在流場(chǎng)中心的流速預測上較接近實(shí)驗,但的化學(xué)反應機理相較于其他模型能夠較為準確的速度最低值及低速區位置不夠準確;綜合流場(chǎng)中心模擬岀合成氣湍流火焰的火焰結構。反應機理采用以及低速區的計算結果,采用 realizableκ-ε模型更在多種條件下優(yōu)化后的H/CO燃燒詳細化學(xué)反應適合預測旋流中國煤化工。計算時(shí)間模型2;NO2生成及NO2燃燒相互關(guān)系子模型采用方面,旋流主CNMHGM模型時(shí)間Faravelli等人23提出并在多種實(shí)驗下驗證的詳細較長(cháng), realizable k-8模型和 standardκ-模型計算成1432中國電機工程學(xué)報第35卷standard K-8XD=0.2關(guān)系,可以得出結論,采用 realizable k-ε模型更適realizalbe k-8RNG K-8合模擬旋流燃燒的火焰結構,且計算量較小。針對旋流燃燒實(shí)驗,其他學(xué)者也得到了相似的結果◇24-25。然而,此模型仍然低估了速度的耗散速率3.1.2 realizableκ-ε模型修正E方程源項中的常數取值會(huì )影響速度耗散的計standard K-g算結果,對其進(jìn)行一定的修正優(yōu)化2627,可以提高realizalbe k-8模型對不同流型下速度耗散描述的準確性。選取較為理想的 realizableκ-ε模型做進(jìn)一步的分析,其ε方程如下為aaat0.4徑向位置rRpCSe-C2pE/(K+vve)+C: CE Gne/K+S(a)N29s054不同軸向高度半徑上的軸向速度分布式中:C1=max[0.43,n/(7+5);n=SK/e;S為應變r(jià)ealizalbe K-8率,S=√2SS;Gn為浮力引起的湍流動(dòng)能:;SRNGRSM為其他源項;σ2為湍流普朗特數:ν為動(dòng)力黏度,實(shí)驗m2/s;C2、Ca1、Ca3為常數。模型常數Ca1、Ca3在考慮浮力影響時(shí)通常根據實(shí)際情況由經(jīng)驗關(guān)系式計算得出,因此可以針對參數C2進(jìn)行優(yōu)化校正,其默認值為1.9。根據控制方程,增大參數C2會(huì )使得方程計算所得出的ε減小,相應的κ隨之增大,湍流動(dòng)能耗散standard的時(shí)間尺度s/κ縮小。這使得計算出的湍流動(dòng)能更0RNG K-8易維持,湍流擾動(dòng)增大,速度耗散相應加快。因此,RSM增大C2理論上可以?xún)?yōu)化模型對旋流的模擬效果。150將C2分別設置為1.9、20和2.1,分別計算N29S054軸向位置mm(b)SM火焰中心線(xiàn)速度及溫度分布的流場(chǎng)以及SMI軸線(xiàn)上的軸向速度、混合分數以圖2不同模型對標準旋流實(shí)驗的及溫度分布,其計算結果及實(shí)驗結果示于圖3模擬結果與實(shí)驗數據對比根據N29S054的計算結果,修正后的模型對于Fig 2 Comparison between computational results b頭部的影響并不明顯;流場(chǎng)后部的的計算結果說(shuō)different models and standard experimental datas明,增大C2使模型預測的速度耗散加快,同一軸本較低向位置上的中心流速降低,低速區向外移動(dòng),徑向SM!的結果表明,不同模型計算出的低速及回上的速度最低值增大。C2=1.9時(shí),中心速率偏差較流區分布差別很大,因此溫度分布計算結果差異較大;C2=2.1時(shí),低速區的偏差較大;綜合比較,大。 standardκ-ε模型模擬軸向上速度耗散過(guò)快,對C2=2.0較為合適。速度的模擬相對其他模型偏差較大。由于在火焰頭SMⅠ的計算結果也表明,增大C2可以使得整部旋流較強,對于旋流有精細描述的旋流主導的個(gè)熱態(tài)流玚的速度衰減加快,回流區更接近頭部RNGκ-ε模型和RSM模型相對比較準確;而在火回流區縮小;混合分數的衰減冋樣加快,說(shuō)明摻混焰尾部,旋流減弱,射流特性更明顯,因此這2種更強;溫度峰值位置更靠近頭部。軸線(xiàn)上的軸向速模型對火焰尾部的溫度分布、回流區位置以及大小度分布、回流I凵中國煤化工布以及火焰的預測上相差較大。綜合速度分布、回流區位置及峰值位置與CNMH,在選擇大小以及火焰溫度分布的峰值位置與實(shí)驗值之間的 realizableκ-ε模型模擬與燃燒室內模態(tài)接近的火焰第6期王翰林等:合成氣燃氣輪機燃燒室CFD模擬的模型選擇及優(yōu)化1433XD=0.2室燃燒實(shí)驗及數值模擬硏究。對比4種湍流模型耦合前文合成氣燃燒及反應模型對模型旋流燃燒室▲實(shí)驗壁面溫度的模擬效果。保留默認參數設置條件下,模擬進(jìn)口壓力0.10MPa工況,計算與實(shí)驗結果示于圖4 standardκ-ε模型在頭部的模擬效果相對其他模型偏差較大,壁面溫度最高點(diǎn)更靠前。采用旋流主導的RNGx-E模型和RSM模型在頭部預測效果C2=2.0C2=2,1上比較理想,而尾部的壁面溫度預測上相較于實(shí)驗值高出很多,計算出的高溫面積較大,溫度最高點(diǎn)更靠近頭部。 realizableκ-ε模型計算的壁面溫度最大偏差相對較小,壁面溫度值以及壁溫隨軸向位置的變化趨勢都更接近于實(shí)驗結果。因此與前文一0.4徑向位置rR致,相較于其他模型,對射流以及旋流都有較為準(a)N29s054不同軸向高度半徑上的軸向速度分布確的描述的 realizableκ-ε模型對于壁面溫度的預測比較理想,更適于旋流合成氣燃燒室內的燃燒過(guò)C2程的模擬實(shí)驗匾0.4△-C2=2.0測點(diǎn)編號圖4不同湍流模型對燃燒室壁溫的模擬結果與實(shí)驗數據對比Fig 4 Comparison of surface temperature between2.0simulations by different models and model combustorexperiments選取燃燒室進(jìn)口壓力0.10MPa以及0.35MPaC2=2.1這2個(gè)工況,采用C2修正為2.0的 realizable k-模型模擬旋流合成氣模型燃燒室壁面溫度,計算結軸向位置/m果與實(shí)驗測量值對比如圖5。模擬結果表明,將(b)SMl火焰中心線(xiàn)速度、混合分數及溫度分布realizableκ-E模型C2修正為2.0后,計算所得的壁圖3C2不同取值的 realizableκg模型對標準旋流實(shí)驗的面溫度相較于前文的結果明顯更接近實(shí)驗值。只有擬結果與實(shí)驗數據對比在0.35MPa工況條件下測點(diǎn)9處偏差相對略大,這Fig.3 Comparison between simulations by realizable K-E主要是由于在計算中,采用空氣逆流進(jìn)入機匣的簡(jiǎn)model with different C2 and standard experiments化,而實(shí)驗中則是在機匣的壁面開(kāi)孔,開(kāi)孔位置臨結構時(shí),將C2修正為2.0,可以得到較理想的模擬近測點(diǎn)9位置,壓力增大之后,空氣流量增大,因效果,而避免使用計算量較大的精確模擬方法此使得這個(gè)區域的壁面換熱增強,9號測點(diǎn)的溫度3.2合成氣模型旋流燃燒室偏小,偏差增」中國煤化工用C2修正3.2.1壁面溫度為2.0的reaiCNMHG燒模型及相為了驗證前文結論,開(kāi)展合成氣模型旋流燃燒應的詳細反應模擬合成氣模型旋流燃燒室的1434中國電機工程學(xué)報第35卷3■1atm實(shí)驗要的影響。湍流模型對旋流及速度耗散描述的不口1atm模擬1.0}435am實(shí)驗同,使得流場(chǎng)及火焰結構計算結果存在差異。其中△3.5atm模擬realizableκ-ε模型的計算結果與標準實(shí)驗結果最接近,最適用于旋流擴散燃燒模擬。島0.42)ε方程中的常數取值會(huì )影響流場(chǎng)速度耗散作用,本研究針對 realizableκ-ε模型常數C2修正。C2的取值增大可以增大速度耗散率,將C2由1.9測點(diǎn)編修正為2.0,計算標準實(shí)驗所得的速度及溫度分布圖5修正后的 realizableκ-ε模型對燃燒室壁溫的模擬結于實(shí)驗最為接近,改進(jìn)了模型的模擬效果。果與實(shí)驗數據對比3)合成氣模型旋流燃燒室燃燒實(shí)驗驗證了Fig 5 Comparison of surface temperature betweenrealizableκ-ε模型最適用于燃燒室模擬。修正后的simulations by modified realizable K-g model and scaledrealizableκ-ε模型可以改進(jìn)模擬效果,并能較為理combustor experiments想的預測出NO排放。壁面溫度及火焰結構具有理想的效果322NO2排放4)采用 realizableκ-E湍流模型,將C2修正為利用已經(jīng)形成的合成氣燃燒室計算模型耦合2.0,耦合EDC燃燒模型及文中相應的化學(xué)反應模前文NO2反應模型,對不同壓力條件下NO2排放進(jìn)型,適用于合成氣燃氣輪機燃燒室的數值模擬,可行了預測,結果折合為干基15%O2濃度條件下的摩以對旋流合成氣燃氣輪機燃燒室燃燒排放特性預爾分數,對比實(shí)驗如圖6。結果顯示,在實(shí)驗工況測及低污染物燃燒室設計和改進(jìn)提供指導。條件下,模型計算燃燒室出口NO排放摩爾分數與參考文獻實(shí)驗吻合較為理想。根據NO排放的特點(diǎn),除NO[]張永生,穆克進(jìn),張哲巔,等.同向和反向合成氣旋流化學(xué)反應模型外,NO排放的計算準確性很大程度擴散燃燒研究.中國電機工程學(xué)報門(mén).2009,29(14):上取決于燃燒流場(chǎng)及溫度分布計算的準確性。由于NO2反應模型在不同研究中均有驗證,因此進(jìn)一步Zhang Yongsheng, Mu Kejin, Zhang Zhedian, et al. 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