甲烷湍流射流燃燒系統(tǒng)氮氧化物模型的研究.pdf

1、燃燒系統(tǒng)中生成的氮氧化物是環(huán)境污染的一大來源,對(duì)其進(jìn)行研究具有重要意義.隨著計(jì)算科學(xué)的發(fā)展,NO<,x>模擬逐漸成為燃燒過程污染物研究的一個(gè)有力工具,因而對(duì)氮氧化物系統(tǒng)中反應(yīng)機(jī)理和傳遞過程數(shù)學(xué)模型的研究都提出了很高的要求.但是,到目前為止,多數(shù)NO<,x>模型在反應(yīng)過程中簡單地用總包反應(yīng)代替氮氧化物生成的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng),在傳遞過程中則采用溫度脈動(dòng)PDF和濃度或混合分?jǐn)?shù)脈動(dòng)PDF的乘積；少數(shù)NO<,x>模型用單參量PDF或部分平衡的有限反應(yīng)

2、速率PDF.現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道的模擬結(jié)果多數(shù)僅在數(shù)量級(jí)上或定性趨勢上與實(shí)驗(yàn)接近,但在定量上存在顯著差距.因此,氮氧化物生成在反應(yīng)和傳遞過程建模及計(jì)算上仍大有改進(jìn)的余地,而計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法為此研究提供了一種新的途徑.本文首先對(duì)甲烷湍流燃燒反應(yīng)中的動(dòng)量傳遞模型、質(zhì)量傳遞模型、能量傳遞模型以及湍流.化學(xué)反應(yīng)相互作用的燃燒反應(yīng)速率模型進(jìn)行了分析研究,針對(duì)甲烷燃燒反應(yīng)系統(tǒng)圓管射流、湍流燃燒、快速反應(yīng)等特點(diǎn),分別選用渦耗散反應(yīng)速率模型和Real

3、izableκ-ε、Standardκ-ω、Reynold Stress三種湍流模型,運(yùn)用CFD方法,對(duì)湍流燃燒反應(yīng)溫度場、速度場和完全反應(yīng)后的主要反應(yīng)物和產(chǎn)物濃度場進(jìn)行模擬研究,并將計(jì)算值與美國Sandia國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供的環(huán)流甲烷湍流射流火焰的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了全面的對(duì)比研究.結(jié)果表明,在甲烷湍流燃燒反應(yīng)系統(tǒng)中運(yùn)用Realizableκ-ε和Reynold Stress模型計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值相差較大,只有采用Standardκ-ω湍流

4、模型計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最為接近,誤差基本在10﹪以內(nèi),且在部分完全反應(yīng)區(qū)域中可以達(dá)到與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完全一致.本文重在通過采用基元反應(yīng)法和更新的甲烷燃燒速率常數(shù)項(xiàng),建立一個(gè)熱力型NO<,x>化學(xué)動(dòng)力學(xué)新模型,進(jìn)而結(jié)合聯(lián)合概率密度函數(shù)方法,得出一個(gè)考慮湍流脈動(dòng)的NO<,x>生成模型.運(yùn)用此模型對(duì)甲烷湍流射流燃燒反應(yīng)系統(tǒng)中NO<,x>生成進(jìn)行了數(shù)值求解,計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合良好,誤差基本控制在5﹪以內(nèi),比FLUENT模塊中的平衡模型和部分平衡模型