耦合详细反应机理的非预混富氢燃烧的大涡模拟

发布时间：2017-11-27 13:06

  本文关键词：耦合详细反应机理的非预混富氢燃烧的大涡模拟

  更多相关文章： 富氢燃烧 非预混火焰 大涡模拟 反应动力学 燃烧机理 线性涡模型 点火延迟时间

【摘要】：化石燃料燃烧在未来很长时间内依旧是当前社会的主要能量来源。减少化石燃料燃烧中温室气体(CO2为主)排放、提高燃烧效率以及控制氮氧污染物排放是当前热门课题。在此需求下,H2或H2/CO合成气燃烧逐渐受到越来越多的重视。无论是在火电厂制备合成气,还是开发新型燃烧设备或CO2收集设备,均需要对富氢燃烧有更深入的理解。近年来随着计算机性能的增强,高精度数值模拟在湍流燃烧中应用更加广泛。其中大涡模拟(LES)因具备直接求解大尺度湍流结构的能力,又能通过亚格子模型获得小尺度涡团信息,已成为当前研究H2和H2/CO非预混燃烧高效的工具。独立的线性涡模型(LEM)建立在对一维湍流混合维向论描述上。通过生成一维的随机事件模化湍流掺混效应,能够直接求解流场中分子扩散和化学反应,非常适合研究非预混火焰中的湍流-燃烧之间的相互影响。同时因为氢气燃烧时具有可燃区间大、自点火时间短等特点,富氢燃料的燃烧特性也与传统化石燃料有明显差别。准确描述火焰燃烧特征需要详细反应动力学,加之H2和H2/CO燃烧反应动力学研究能为其它碳氢化合物实际应用提供参考,因此文中主要采用详细反应机理完成计算。本文通过有限容积法对大涡模拟控制方程进行离散,并引入LEM实现对亚格子不可求解项的封闭。系统全面回顾H2和H2/CO合成气燃烧的反应动力学,从中找出多组较新的燃烧机理,并耦合到LES-LEM程序中,发展出先进的湍流燃烧模拟工具。然后对新的计算方法进行测试,包含计算量评估,加速性能测试,多气体冷态流场模拟等。证实模型具备捕捉复杂流动结构的能力,之后针对富氢燃烧做了以下工作：采用19步H2/O2燃烧机理和31步H2/CO燃烧机理分别对两种典型富氢燃料非预混火焰Flame M2和Flame CHN2进行大量数值计算,利用公开的燃烧实验数据验证了新发展的模拟方法的准确性。尤其是在不稳定的剪切层区域,火焰温度和组分分布以及各参数的RMS波动都与实验符合得较好。说明包括LEM和详细反应机理在内所有模型都能够用来描述富氢燃料非预混火焰中的扩散及化学过程。先后改变燃料中H2和CO比例,从流动-化学相互作用的角度分析了富氢燃料在不同混合分数下火焰发展的差别。H2含量的增加会使火焰温度较高,但减少了流场的涡旋结构,这是由氢气低粘度、高扩散系数决定的。而CO的含量的增加会明显加强火焰不稳定性。改变环境压力,发现增压会抑制一些中间组分的沉降进而能促进火焰发展,并对NO生成的起正面影响。改变伴流中的O2,会通过改变OH的生成直接影响了整个流场温度。但自点火过程的反应机制不会发生明显变化。伴流加入H20能生成大量OH和HO2,导致化学动力学发生较大变化,并很大程度上促进了CO的氧化,以及NO排放。在充分调研H2/O2燃烧机理后,最终采用业界公认的GRI3.0燃烧机理,以及两组H2/O2详细反应机理、一组H2/CO燃烧机理和一组半简化氢气燃烧机理作为研究对象。将其植入LES-LEM方法中,然后对DLR Flame M2进行模拟计算,以此评估不同反应动力学在三维燃烧场模拟中的表现。通过与实验对比温度场和主要组分分布,说明常见的机理都能给出合理的火焰结构。只有简化机理预测的温度极值偏高200-300 K。分析中间组分H、OH和H02空间分布和对混合分数标量分布以及化学通量项空间变化,量化比较五组机理的表现。结果表明简化机理在HO2自由基的混合分数分布上与详细机理偏差较大。不同机理在H2-02直接反应部分和主要组分演化上基本一致,但在中间组分尤其是H02生成上所表现的机制不尽相同。综合来看O Conaire机理在体现湍流-化学反应相互影响上总体表现最为优异。在简单均相反应器模型上研究了五组机理的点火延迟时间和层流火焰蔓延速度,比较几种反应机理的适用范围和不确定性。考虑到实际燃烧设备中射流均为三维湍流,在给定的新的点火延迟时间定义下,在三维求解区域完成五组反应机理对点火延迟时间的预测。发现不能将简单模型中的点火延迟时间与射流温度和当量比的关系应用到三维燃烧场景中。再计算不同机理预测的火焰前锋传播速度,也能得到类似结论。本次研究凸显了详细化学反应机理在模拟非预混火焰发展中的重要性,也能够为研究设计H2或H2/CO合成气燃烧设备提供一些实际的参考。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK16

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