耦合詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理的非預(yù)混富氫燃燒的大渦模擬.pdf

1、化石燃料燃燒在未來很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)依舊是當(dāng)前社會(huì)的主要能量來源。減少化石燃料燃燒中溫室氣體（CO2為主）排放、提高燃燒效率以及控制氮氧污染物排放是當(dāng)前熱門課題。在此需求下，H2或H2/CO合成氣燃燒逐漸受到越來越多的重視。無論是在火電廠制備合成氣，還是開發(fā)新型燃燒設(shè)備或CO2收集設(shè)備，均需要對(duì)富氫燃燒有更深入的理解。近年來隨著計(jì)算機(jī)性能的增強(qiáng)，高精度數(shù)值模擬在湍流燃燒中應(yīng)用更加廣泛。其中大渦模擬(LES)因具備直接求解大尺度湍流結(jié)構(gòu)的能力，又

2、能通過亞格子模型獲得小尺度渦團(tuán)信息，已成為當(dāng)前研究H2和H2/CO非預(yù)混燃燒高效的工具。
　　獨(dú)立的線性渦模型(LEM)建立在對(duì)一維湍流混合維向論描述上。通過生成一維的隨機(jī)事件?；牧鲹交煨?yīng)，能夠直接求解流場(chǎng)中分子擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，非常適合研究非預(yù)混火焰中的湍流-燃燒之間的相互影響。同時(shí)因?yàn)闅錃馊紵龝r(shí)具有可燃區(qū)間大、自點(diǎn)火時(shí)間短等特點(diǎn)，富氫燃料的燃燒特性也與傳統(tǒng)化石燃料有明顯差別。準(zhǔn)確描述火焰燃燒特征需要詳細(xì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，加之H2和

3、H2/CO燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究能為其它碳?xì)浠衔飳?shí)際應(yīng)用提供參考，因此文中主要采用詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理完成計(jì)算。
　　本文通過有限容積法對(duì)大渦模擬控制方程進(jìn)行離散，并引入LEM實(shí)現(xiàn)對(duì)亞格子不可求解項(xiàng)的封閉。系統(tǒng)全面回顧H2和H2/CO合成氣燃燒的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，從中找出多組較新的燃燒機(jī)理，并耦合到LES-LEM程序中，發(fā)展出先進(jìn)的湍流燃燒模擬工具。然后對(duì)新的計(jì)算方法進(jìn)行測(cè)試，包含計(jì)算量評(píng)估，加速性能測(cè)試，多氣體冷態(tài)流場(chǎng)模擬等。證實(shí)模型具備捕捉復(fù)

4、雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)的能力，之后針對(duì)富氫燃燒做了以下工作:
　　采用19步H2/O2燃燒機(jī)理和31步H2/CO燃燒機(jī)理分別對(duì)兩種典型富氫燃料非預(yù)混火焰Flame M2和Flame CHN2進(jìn)行大量數(shù)值計(jì)算，利用公開的燃燒實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了新發(fā)展的模擬方法的準(zhǔn)確性。尤其是在不穩(wěn)定的剪切層區(qū)域，火焰溫度和組分分布以及各參數(shù)的RMS波動(dòng)都與實(shí)驗(yàn)符合得較好。說明包括LEM和詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理在內(nèi)所有模型都能夠用來描述富氫燃料非預(yù)混火焰中的擴(kuò)散及化學(xué)過程。

5、r>　　先后改變?nèi)剂现蠬2和CO比例，從流動(dòng)-化學(xué)相互作用的角度分析了富氫燃料在不同混合分?jǐn)?shù)下火焰發(fā)展的差別。H2含量的增加會(huì)使火焰溫度較高，但減少了流場(chǎng)的渦旋結(jié)構(gòu)，這是由氫氣低粘度、高擴(kuò)散系數(shù)決定的。而CO的含量的增加會(huì)明顯加強(qiáng)火焰不穩(wěn)定性。改變環(huán)境壓力，發(fā)現(xiàn)增壓會(huì)抑制一些中間組分的沉降進(jìn)而能促進(jìn)火焰發(fā)展，并對(duì)NO生成的起正面影響。改變伴流中的O2，會(huì)通過改變OH的生成直接影響了整個(gè)流場(chǎng)溫度。但自點(diǎn)火過程的反應(yīng)機(jī)制不會(huì)發(fā)生明顯變化。伴

6、流加入H2O能生成大量OH和HO2，導(dǎo)致化學(xué)動(dòng)力學(xué)發(fā)生較大變化，并很大程度上促進(jìn)了CO的氧化，以及NO排放。
　　在充分調(diào)研H2/O2燃燒機(jī)理后，最終采用業(yè)界公認(rèn)的GRI3.0燃燒機(jī)理，以及兩組H2/O2詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理、一組H2/CO燃燒機(jī)理和一組半簡(jiǎn)化氫氣燃燒機(jī)理作為研究對(duì)象。將其植入LES-LEM方法中，然后對(duì)DLR Flame M2進(jìn)行模擬計(jì)算，以此評(píng)估不同反應(yīng)動(dòng)力學(xué)在三維燃燒場(chǎng)模擬中的表現(xiàn)。通過與實(shí)驗(yàn)對(duì)比溫度場(chǎng)和主要組分分布

7、，說明常見的機(jī)理都能給出合理的火焰結(jié)構(gòu)。只有簡(jiǎn)化機(jī)理預(yù)測(cè)的溫度極值偏高200-300 K。分析中間組分H、OH和HO2空間分布和對(duì)混合分?jǐn)?shù)標(biāo)量分布以及化學(xué)通量項(xiàng)空間變化，量化比較五組機(jī)理的表現(xiàn)。結(jié)果表明簡(jiǎn)化機(jī)理在HO2自由基的混合分?jǐn)?shù)分布上與詳細(xì)機(jī)理偏差較大。不同機(jī)理在H2-O2直接反應(yīng)部分和主要組分演化上基本一致，但在中間組分尤其是HO2生成上所表現(xiàn)的機(jī)制不盡相同。綜合來看(O) Conaire機(jī)理在體現(xiàn)湍流-化學(xué)反應(yīng)相互影響上總體表

8、現(xiàn)最為優(yōu)異。
　　在簡(jiǎn)單均相反應(yīng)器模型上研究了五組機(jī)理的點(diǎn)火延遲時(shí)間和層流火焰蔓延速度，比較幾種反應(yīng)機(jī)理的適用范圍和不確定性?？紤]到實(shí)際燃燒設(shè)備中射流均為三維湍流，在給定的新的點(diǎn)火延遲時(shí)間定義下，在三維求解區(qū)域完成五組反應(yīng)機(jī)理對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間的預(yù)測(cè)。發(fā)現(xiàn)不能將簡(jiǎn)單模型中的點(diǎn)火延遲時(shí)間與射流溫度和當(dāng)量比的關(guān)系應(yīng)用到三維燃燒場(chǎng)景中。再計(jì)算不同機(jī)理預(yù)測(cè)的火焰前鋒傳播速度，也能得到類似結(jié)論。
　　本次研究凸顯了詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理在模擬非