合成氣預混層流火焰結構的實(shí)驗和數值研究

第48卷第7期西安交通大學(xué)學(xué)報VoL 48 No. 72014年7月JOURNAL OF XI'AN JIAOTONG UNIVERSITYJul.2014DoI:10.7652/ xjtuxb201407007合成氣預混層流火焰結構的實(shí)驗和數值研究衛之龍,王金華,舒新建,謝永亮,王錫斌,黃佐華(西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗室,710049,西安)摘要:利用 OH-PLIF方法獲得了當量比分別為0.6、0.8、1.0、1.2,CO2或N2稀釋比分別為3%5%時(shí),合成氣/空氣/稀釋氣本生燈預混層流火焰中OH基的分布,結合 STAR-CD模擬計算所得火焰中的流場(chǎng)和組分分布進(jìn)一步分析了火焰結構。研究結果表明:隨著(zhù)混合氣當量比的增加,OH基髙濃度分布區域由火焰前鋒面附近轉移到火焰邊緣;混合氣較稀時(shí),火焰前鋒面附近OH基濃度最高且沿已燃區方向逐步遞減,火焰頂端處OH基濃度減小,模擬計算結果顯示火焰頂端并未發(fā)生燃料泄漏;化學(xué)當量比下,火焰前鋒面附近和火焰邊緣區域OH基濃度較高,火焰前鋒面附近出現了預混燃燒區和擴散燃燒區,該區域中OH基呈現“W”型分布;受N2和CO2稀釋的影響,混合氣層流燃燒速度降低,火焰前鋒面拉長(cháng),CO2對火焰結構的影響比N2更顯著(zhù);火焰前鋒面附近OH基濃度減小,擴散燃燒區OH基濃度增大,說(shuō)明火焰的預混燃燒有所減弱,擴散燃燒有所加強。關(guān)鍵詞:合成氣;OH-PLIF方法; STAR-CD模擬;OH基;稀釋氣中圖分類(lèi)號:TK411文獻標志碼:A文章編號:0253-987X(2014)07-003407Experimental and Numerical Study on Structure ofLaminar Premixed Syngas-Air-Diluents FlamesWEI Zhilong, WANG Jinhua, SHU Xinjian, XIE Yongliang, WANG Xibin, HUANG Zuohua(State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China)Abstract: The structures of laminar premixed syngas-air-diluents flames were obtaineddifferent equivalence ratios(0.6,0.8,1.0,1. 2), diluents(N2/cO2), and dilution ratios(3%and 5%)by using OH-PLIF technique. Flame structure was analyzed on the basis of the flowfield and species distribution which were calculated with STAR-CD. The results show that highoh distribution shifts towards the outer flame boundary with the increase of equivalence ratio;for lean mixture, the region of high OH radical concentration locates along the conic primaryreaction boundary OH radical concentration at the flame cone tip decreases, and the numericasimulation results show that no leakage occurs at the flame tip: for mixture at stoichiometricratio, high OH radical concentration appears along the flame front and on the flame surfacemeaning the occurrence of a premixed combustion zone and a diffusion combustion zone, and theoh distribution appears to resemble a "W"shape; due to the effects of diluents n2 and CO2, thelaminar burning velocity decreases, leading to the extension of the flame front, and COz has agreater impact on the flame structure compared to n2: Oh radical concentration decreases alongthe flame front while increases in the diffusion zone, which means the premixed combustion isweakened while the diffusion combustion is intensified收稿日期:2013-1219.作者簡(jiǎn)介:衛之龍(1990-),男,碩生生;王金華(通H中國煤化工科學(xué)基金資助項目(51376004,51006080)。CNMHG項目,國家自然網(wǎng)絡(luò )出版時(shí)間:201404-16網(wǎng)絡(luò )出版地址:http∥www.cnkinet/kcms/detail/61.1069.t.20140416.1746.006.html第7期衛之龍,等合成氣預混層流火焰結構的實(shí)驗和數值研究Keywords: syngas; OH-PLIF; STAR-CD; OH distribution; diluent隨著(zhù)石油資源的日益減少和排放法規的日趨嚴預混層流本生燈火焰中間產(chǎn)物OH基的分布,并結格,尋找切實(shí)可行的石油替代燃料具有重要意義。合 STAR-CD模擬計算結果,分析研究了預混層流甲醇由于來(lái)源豐富、可規?；a(chǎn)成本較低廉,近年火焰結構特性和火焰自身不穩定特性?？紤]到發(fā)動(dòng)來(lái)便成為替代燃料研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。甲醇可以直機通常采用廢氣再循環(huán)(EGR)來(lái)降低燃燒溫度和接用于發(fā)動(dòng)機,但是熱值較汽油低,在發(fā)動(dòng)機運行過(guò)抑制NO2的生成,本文分別采用CO2和N2作為稀程中消耗量較大1。因此,提高甲醇在發(fā)動(dòng)機上的釋氣,測量和分析了不同當量比和不同稀釋比條件熱效率、改善發(fā)動(dòng)機性能,成為甲醇燃料發(fā)動(dòng)機研究下合成氣火焰的結構特性。的重點(diǎn)內容。利用發(fā)動(dòng)機廢氣余熱可以將甲醇裂解,從而得到合成氣(H2和CO的體積比為2:1),1實(shí)驗裝置和實(shí)驗過(guò)程將其作為發(fā)動(dòng)機燃料,可以提高燃料能量品位和發(fā)圖1為實(shí)驗裝置示意圖,由 OH-PLIF系統、供氣動(dòng)機效率2。系統和本生燈組成。 OH-PLIF系統包括Nd:YAG目前,有關(guān)甲醇裂解所得合成氣的研究多集中激光器(型號為 Quanta-Ray Pro190,頻率為10Hz在發(fā)動(dòng)機實(shí)驗方面35。H2特殊的強反應性和輸運脈沖時(shí)間為10ns,脈沖能量為300mJ)染料激光特性,使得大比例H2的合成氣在火焰面結構和火器( Sirah Prsc-c300)、能量檢測器、BBO倍頻焰自身不穩定性上表現出與傳統碳氫燃料的顯著(zhù)差器、透鏡組、帶有光線(xiàn)增強器( Lavision vc08-0094)異,進(jìn)而影響到燃燒室內流動(dòng)與火焰相互作用,最終的CCD相機( La vision Image Prox)及加裝OH帶影響發(fā)動(dòng)機缸內燃燒過(guò)程。本生燈作為一種常見(jiàn)的通濾波器( La vision vz08-0222的紫外線(xiàn)濾光鏡頭燃燒器,能夠提供穩定的層流火焰結構,是研究火焰( Nikon Rayfact PF10545MFUV)。供氣系統由氣結構和火焰自身不穩定性的有效手段。Jin等利用瓶、預混室(容積為400mL)和流量計(MKs流量計,平面激光誘導熒光研究了不同摻氫比及不同當量比型號分別為1179A和1559A,精度為1/1000L/min)對合成氣本生燈預混層流火焰結構的影響。Law組成。為確保層流燃燒,混合氣的Re<2000。本生等利用相機圖片研究了不同碳氫燃料的預混層流本燈出口直徑為5mm,出口長(cháng)度為30cm(大于50倍生燈火焰,分析了燃料優(yōu)先擴散和火焰拉伸的耦合管徑),底部裝有防止回火的單向閥。作用對火焰頂端結構的影響8。 Kozlovsky等利用數值模擬計算研究了路易斯數對本生燈層流火焰0=R結構的影響9。 Bouvet等利用化學(xué)發(fā)光方法研究Dye激光冷卻水出口了CO/H2在不同比例下的預混層流本生燈火焰的YAG激光冷卻水進(jìn)口燈混合器頂端開(kāi)口現象[10。由上述研究可以看出,預混層流火焰結構的研究不僅可以幫助認識火焰傳播、局部數招駕菜器熄火、著(zhù)火極限等基本的火焰現象,而且有利于理解優(yōu)先擴散、路易斯數、火焰拉伸等因素對火焰不穩定性的影響,進(jìn)而解釋湍流燃燒等復雜燃燒現象。此圖1實(shí)驗裝置示意圖外,作為燃料燃燒的一種常見(jiàn)的中間產(chǎn)物,OH基廣合成氣由純度(質(zhì)量分數)分別為9.99%的泛存在于反應區和已燃區,通常被用來(lái)界定燃燒反H2和9.9的CO嚴格按照流量法以2:1的質(zhì)量應區1,OH基分布在一定程度上能夠反映火焰的比配置而成。稀釋比φ定義為稀釋氣在混合氣中局部燃燒狀況,在燃燒過(guò)程中大量存在且易于檢測所占的體積分數,即因此OH基通常作為燃燒診斷以及燃燒分析的標定物。 Makmool等利用相機圖片、化學(xué)發(fā)光方法和Dilution +Vair +v平面激光誘導熒光研究了液化石油氣預混火焰的火實(shí)驗過(guò)程中,YAG激光器產(chǎn)生355mm的激光焰結構,表明平面激光誘導熒光是研究火焰燃燒特性經(jīng)染料激光器中國煤化工769mm,該的最可靠、準確的方法12波長(cháng)可用于激CNMHG(1,0)躍遷本文利用平面激光誘導熒光( OH-PLIF)測量的Q1(8)線(xiàn),每個(gè)脈沖激光能量約為8mJ。脈沖激http∥www.jdxb.cnhttp∥zkxb.xjtu.edu.cn西安交通大學(xué)學(xué)報第48卷光在通過(guò)片光鏡頭組后產(chǎn)生高約50mm的片光,片光通過(guò)本生燈出口的中心軸線(xiàn)激發(fā)火焰中的OH生燈噴管基產(chǎn)生波長(cháng)為308nm左右的熒光。在與片光垂直的方向上安裝了ICCD相機,通過(guò)調整拍攝延遲使相機與激光同步,從而保證ICCD相機可以完整捕壓力邊界捉到激發(fā)的熒光信號。焰反應區混合氣入口本文研究了不同當量比(中=0.6,0.8,11.2),CO2或N2稀釋比中分別為3%、5%時(shí)的合(a)整體圖成氣預混層流火焰結構。每個(gè)工況下,ICCD相機連續拍攝100張OH基分布照片,并將100張照片的平均結果用于OH基分布分析。2 STAR-CD模擬計算利用 OH-PLIF獲得的火焰結構中OH基的分布是實(shí)驗中重要的信息,火焰中的OH基分布在反應區和已燃區,單一的OH基分布信息不足以解釋火焰結構。CFD模擬計算可以提供較多與火焰結構相關(guān)的信息,如速度場(chǎng)溫度場(chǎng)組分場(chǎng)等,利用這些豐富的數據信息、結合OH-PLIF實(shí)驗圖像,有助(b)反應區局部放大圖于分析火焰中某些現象的成因以及各因素對于火焰圖2 STAR-CD模型網(wǎng)格的整體圖和反應區局部放大圖結構的影響和作用本文采用 SATR-CD軟件來(lái)模擬某些工況下合成氣的預混層流火焰,本生燈模型按11比例建立。由于本生燈火焰是軸對稱(chēng)的三維火焰,所以可將三維火焰計算簡(jiǎn)化為二維火焰計算,計算網(wǎng)格為單層的六面體網(wǎng)格。為獲得較好的模擬結果,對火焰反應區網(wǎng)格進(jìn)行加密,最小網(wǎng)格尺寸為0.2mm,網(wǎng)格總數為16800。圖2為模型網(wǎng)格的整體圖和反應區局部放大圖。模型中燃燒化學(xué)反應的機理采用Scott13的CO和H2簡(jiǎn)化機理(12種組分,38步基元反應)。計算時(shí)間為0.07s,可保證計算火焰達到圖3Re=1800時(shí)合成氣火焰數碼照片穩定狀態(tài)時(shí)間步長(cháng)為106s。初始壞境條件為P0.1MPa,T。=298K。著(zhù)當量比的增加,火焰前鋒面高度降低。這是由于隨著(zhù)當量比的增加,混合氣的層流燃燒加速,而混合3結果和分析氣來(lái)流速度基本不變,使得火焰前鋒面向著(zhù)混合氣圖3為Re=1800時(shí)合成氣火焰的數碼照片。來(lái)流方向移動(dòng),由此導致了火焰前鋒面高度降低,面由圖3可以看出隨著(zhù)當量比的增大,火焰前鋒面發(fā)積減小。圖4為火焰前鋒面高度隨當量比的變化,光強度增強且發(fā)光的顏色隨之變化。這是由于隨著(zhù)其也表現出了圖3的變化規律。當量比的增加,混合氣中燃料比例的變化使得火焰圖5為Re=1800時(shí)合成氣火焰的OH-PLIF前鋒面處的反應更加激烈,鋒面厚度增加,發(fā)光強度照片。圖中火焰區域內顏色較深的部分代表OH增大。φ=0.6時(shí),火焰前鋒面發(fā)出的藍光是由火焰基濃度高,中心軸附近OH濃度梯度最大處是火焰前鋒面上激發(fā)態(tài)的CH活性基發(fā)出的;=1.2時(shí),前鋒面中國煤化工當量比的增加,混合氣較濃,火焰前鋒面發(fā)出的光略帶黃光,這是含OH基高沐CNMH〔峰面附近向火焰碳原子團受激發(fā)發(fā)出的1。由圖3還可以看出,隨邊緣轉移,呈現出了不同的分布形態(tài)。這些變化在http∥www.jdxb.cnhttp∥zkxb.xjtu.edu.cn第7期衛之龍,等:合成氣預混層流火焰結構的實(shí)驗和數值研究w(OH)0.4841×1020.4150×100.2767×10-2102075×102(a)OH的質(zhì)量分數圖4火焰鋒面高度隨當量比的變化溫度kK1893速度ms7.34916654.2053.157(b)火焰前鋒面速度和溫度圖5Re=1800時(shí)合成氣火焰 OH-PLIF照片w(CO)w(H2)0.7463×1011066×101普通數碼照片中是觀(guān)察不到的,反映了 OH-PLIF0.6397×100.9137×100.5331×1010.7614×102技術(shù)表征火焰鋒面結構的優(yōu)勢。在混合氣較稀的條件下,OH基主要分布于火焰前鋒面附近;在混合氣0.4265×100.6091X10較濃的條件下,OH基不僅分布于火焰前鋒面附近,0.3198×1004569×10-2而且在火焰邊緣也有較高濃度的分布,且隨著(zhù)當量0.2132×10.3046×10比增加濃度有所提高,這說(shuō)明此時(shí)火焰形成了預混0.1066×10-10.523×10-2燃燒區和擴散燃燒區。此外,混合氣較稀時(shí),OH基0.6599×100.6303×10的分布出現了頂端開(kāi)口,而在化學(xué)當量比條件下,(c)CO、H2質(zhì)量分數圖6∮=0.6時(shí)合成氣火焰 OH-PLIF照片及STAROH基出現了“W”型的分布。CD模擬結果頂端開(kāi)口是層流本生燈火焰的一個(gè)經(jīng)典現象,該現象的研究對于更好地理解火焰燃燒特性具有重響:①本生燈層流火焰在火焰前鋒面頂端處拉伸率要意義。本實(shí)驗中,φ=0.6條件下數碼照片并未表達到最大,導致此處混合氣中優(yōu)先擴散作用加強,使現出明顯的頂端開(kāi)口,但是在OH-PIF圖片中OH得在火焰前鋒面頂端的燃燒強度降低;②火焰前鋒基分布出現了頂端開(kāi)口,這說(shuō)明此時(shí)火焰雖然沒(méi)有面速度隨著(zhù)火焰前鋒面高度的升高而增大,且在鋒出現頂端開(kāi)口,但是頂端燃燒強度已經(jīng)有所降低,所面頂端達到最大值,速度方向是由預混燃燒區指向以OH基分布出現了頂端開(kāi)口。圖6為φ=0.6時(shí)擴散燃燒區,所以鋒面頂端的OH基受到的輸運影合成氣火焰OH-PILF照片及 STAR-CD模擬結果。響較強?；鹧鏈囟瓤梢灾苯臃从橙紵膭×页逃蓤D6a可以看出,OH基表現出了相同的分布趨度,因此可以根據已燃區溫度分布來(lái)判斷燃燒強勢,并且頂端開(kāi)口存在,表明STAR-CD模擬計算結度。由圖6b可以看出,火焰前鋒面頂端的最高溫度果可較為準確、定性地反映實(shí)際燃燒情況。由于較低這說(shuō)明Ⅵ中國煤化工度減小。綜OH基的分布是化學(xué)反應與輸運共同作用的結果,合以上兩方面CNMHG大的拉伸率,因此解釋OH基在頂端開(kāi)口需要考慮兩方面的影由此加強了優(yōu)先擴散的影響,導致該處燃燒強度降http∥www.jdxb.cnhttp∥zkxb.xjtu.edu.cn38西安交通大學(xué)學(xué)報第48卷低,OH基的生成量較其他反應區域有所減少,這是反應率。由圖8可以看出,在化學(xué)當量比條件下,造成OH基頂端開(kāi)口的主要原因;受速度場(chǎng)輸運的H2總反應率及其峰值低于CO,說(shuō)明在該條件下影響,OH基的濃度減小,這進(jìn)一步加劇了頂端開(kāi)相較于CO,H2在鋒面附近可以更快地與混合氣中口。由圖6c中CO及H2的分布還可以看出,頂端的O2迅速反應且完全消耗掉,而CO與混合氣中開(kāi)口并未伴隨鋒面頂端處的燃料泄漏,這與之前的O2反應較慢,不能在鋒面附近快速、完全消耗掉,從研究結果是一致的)。而向外擴散且與環(huán)境中的O2繼續進(jìn)行反應,形成在φ=0.8的條件下,頂端開(kāi)口消失。這是由于擴散燃燒。因此,火焰反應區分為預混燃燒區和擴隨著(zhù)當量比的增加,火焰前鋒面高度降低,火焰頂端散燃燒區,OH基呈現出“W”型分布。前鋒面的曲率半徑增大,使得鋒面頂端附近拉伸率減小,由此削弱了頂端結構對質(zhì)量擴散的促進(jìn)作用混合氣中燃料比例增大,導致火焰頂端的優(yōu)先擴散日-0.02作用削弱。因此,頂端開(kāi)口在該情況下消失。在化學(xué)當量比條件下,OH基出現了“W”型分布,了解“W”型分布的成因可以更好地理解燃燒微觀(guān)過(guò)程,實(shí)現調整參數對火焰的控制。圖7為合成氣火焰OH-PLIF照片與 STAR-CD模擬計算的火焰傳播方向CO和H2分布。由圖7可以看出:在=0.8條件圖84=.0時(shí)合成氣火焰中H與CO的總反應率下,CO和H2可以在火焰前鋒面附近基本消耗掉,圖9為Re=1800、中=1.0時(shí)不同N2稀釋比下因此該條件下OH基在火焰前鋒面附近濃度較高;在∮=1.0條件下,火焰前鋒面附近H2可以完全消消的合成氣火焰 OH-PLIF照片。由圖9可以看出,隨著(zhù)N2稀釋比的增加,火焰前鋒面拉長(cháng),前鋒面附耗掉,但是火焰前鋒面附近CO未能完全消耗,出現了明顯的擴散現象。利用 CHEMKIN2.0和GRI近及頂端聚集的OH基濃度降低,火焰邊緣的OHmech3.0機理可以對H2和CO總反應率進(jìn)行基濃度明顯增加。這是由于混合氣中的N2本身不計算,圖8為d=1.0時(shí)合成氣火焰中H2和CO總參與反應,但吸收熱量,而N2稀釋比增加會(huì )導致反w(Co)應物的放熱量減少,燃燒產(chǎn)物的吸熱量增多,從而使0.923×100.130×10-1火焰溫度降低,H2及CO反應速率隨之降低。因0.791×100.111×10此,火焰前鋒面附近的反應強度削弱,火焰層流燃燒0.659×100.929×1速度降低,導致火焰前鋒面拉長(cháng)?；鹧鏈囟冉档?在0.527×100sy×102火焰前鋒面附近H和CO因反應強度降低而不能完0.264×100.371×10-2全消耗掉,且擴散到火焰邊緣,導致擴散燃燒加劇。0.132×100.293×100946×10-9(a)中=0.8w(CO)0.1180.68×10-10.1010.144×100.840×10-10.20×10-10.672×10-10.960×1020.504×100.336×100.480×10-20.168×100.240×10-20.346X100.238×10-7圖9Re=18000時(shí)不同N2稀釋比下的合成(b)=1.0氣火凵中國煤化工圖7合成氣火焰 OH-PLIF照片與 STAR-CD模擬CNMHG計算的CO和H2分布圖10為ke15、p-1,0、,=5%時(shí)不同稀http∥www.jdxb.cnhttp∥zkxb.xjtu.edu.cn衛之龍,等:合成氣預混層流火焰結構的實(shí)驗和數值研究釋氣下的火焰 OH-PLIF照片。由圖10可以看出,稀釋氣本生燈預混層流火焰OH基分布,利用混合氣在摻混CO2之后,火焰前鋒面進(jìn)一步拉長(cháng), STAR-CD對火焰中的流場(chǎng)和組分分布進(jìn)行了模擬火焰前鋒面附近的OH基濃度進(jìn)一步降低,火焰邊計算,結合 OH-PLIF實(shí)驗圖像研究了火焰前鋒面緣OH基濃度有所增加。這是由于摻混CO2對火結構,得到的主要結論如下。焰結構的影響與摻混N2的影響基本相同,CO2的(1)混合氣在較稀條件下,OH基主要分布在火吸熱能力比N2更強,因此對火焰溫度及反應速率焰前鋒面附近且向已燃區方向發(fā)展,濃度呈現逐步的影響更大。CO2摻混比例的增加會(huì )抑制CO的氧遞減的趨勢。因火焰前鋒面頂端拉伸率最大,此處化反應,導致預混燃燒減弱,擴散燃燒增強?；旌蠚庵袃?yōu)先擴散作用加強,火焰前鋒面頂端的燃燒強度降低,OH基的生成量減少,加之鋒面頂端輸運的影響,OH基頂端出現開(kāi)口。模擬計算結果顯示,此時(shí)并未伴隨頂端燃料泄漏。(2)化學(xué)當量比條件下,混合氣OH基在火焰前鋒面附近,火焰邊緣區域濃度較高。H2的凈消耗率遠大于CO,H2在火焰前鋒面附近很快完全消耗掉,而CO不能在火焰前鋒面被完全消耗而發(fā)生擴散,所以火焰出現預混燃燒區和擴散燃燒區,OH基呈現“W”型分布。(3)摻混N2和CO2會(huì )導致火焰前鋒面拉長(cháng),同未稀釋N2稀樣CO2稀釋時(shí)OH基濃度在火焰鋒面附近減小,在擴散燃燒區圖10Re=1800、中=1.0、中=5%時(shí)不同稀釋氣下的火焰 OH-PLIF照片增大,說(shuō)明火焰的預混燃燒有所減弱,擴散燃燒有所加劇。在相同稀釋比下,CO2由于具有更強烈的吸圖11為φ=1.0時(shí)火焰前鋒面高度及層流火焰熱能力和對CO氧化反應的抑制作用所以對火焰速度隨φ的變化。由層流本生燈計算層流火焰速度結構的影響比N2更顯著(zhù)。公式SL=sin(6/2)可知,出口氣體速度保持不變時(shí),層流火焰速度越小,θ越小,從而火焰前鋒面越高。參考文獻:CO2,高度[1] AOLAH G, GOEPPERT A, PRAKASH SG K→CO2,速度中1N2,速度Weinheim, Germany Wiley, 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