耦合詳細反應機理的非預混富氫燃燒的大渦模擬.pdf

1、化石燃料燃燒在未來很長時間內依舊是當前社會的主要能量來源。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)新型燃燒設備或CO2收集設備，均需要對富氫燃燒有更深入的理解。近年來隨著計算機性能的增強，高精度數(shù)值模擬在湍流燃燒中應用更加廣泛。其中大渦模擬(LES)因具備直接求解大尺度湍流結構的能力，又

2、能通過亞格子模型獲得小尺度渦團信息，已成為當前研究H2和H2/CO非預混燃燒高效的工具。
　　獨立的線性渦模型(LEM)建立在對一維湍流混合維向論描述上。通過生成一維的隨機事件?；牧鲹交煨軌蛑苯忧蠼饬鲌鲋蟹肿訑U散和化學反應，非常適合研究非預混火焰中的湍流-燃燒之間的相互影響。同時因為氫氣燃燒時具有可燃區(qū)間大、自點火時間短等特點，富氫燃料的燃燒特性也與傳統(tǒng)化石燃料有明顯差別。準確描述火焰燃燒特征需要詳細反應動力學，加之H2和

3、H2/CO燃燒反應動力學研究能為其它碳氫化合物實際應用提供參考，因此文中主要采用詳細反應機理完成計算。
　　本文通過有限容積法對大渦模擬控制方程進行離散，并引入LEM實現(xiàn)對亞格子不可求解項的封閉。系統(tǒng)全面回顧H2和H2/CO合成氣燃燒的反應動力學，從中找出多組較新的燃燒機理，并耦合到LES-LEM程序中，發(fā)展出先進的湍流燃燒模擬工具。然后對新的計算方法進行測試，包含計算量評估，加速性能測試，多氣體冷態(tài)流場模擬等。證實模型具備捕捉復

4、雜流動結構的能力，之后針對富氫燃燒做了以下工作:
　　采用19步H2/O2燃燒機理和31步H2/CO燃燒機理分別對兩種典型富氫燃料非預混火焰Flame M2和Flame CHN2進行大量數(shù)值計算，利用公開的燃燒實驗數(shù)據驗證了新發(fā)展的模擬方法的準確性。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波動都與實驗符合得較好。說明包括LEM和詳細反應機理在內所有模型都能夠用來描述富氫燃料非預混火焰中的擴散及化學過程。

5、r>　　先后改變燃料中H2和CO比例，從流動-化學相互作用的角度分析了富氫燃料在不同混合分數(shù)下火焰發(fā)展的差別。H2含量的增加會使火焰溫度較高，但減少了流場的渦旋結構，這是由氫氣低粘度、高擴散系數(shù)決定的。而CO的含量的增加會明顯加強火焰不穩(wěn)定性。改變環(huán)境壓力，發(fā)現(xiàn)增壓會抑制一些中間組分的沉降進而能促進火焰發(fā)展，并對NO生成的起正面影響。改變伴流中的O2，會通過改變OH的生成直接影響了整個流場溫度。但自點火過程的反應機制不會發(fā)生明顯變化。伴

6、流加入H2O能生成大量OH和HO2，導致化學動力學發(fā)生較大變化，并很大程度上促進了CO的氧化，以及NO排放。
　　在充分調研H2/O2燃燒機理后，最終采用業(yè)界公認的GRI3.0燃燒機理，以及兩組H2/O2詳細反應機理、一組H2/CO燃燒機理和一組半簡化氫氣燃燒機理作為研究對象。將其植入LES-LEM方法中，然后對DLR Flame M2進行模擬計算，以此評估不同反應動力學在三維燃燒場模擬中的表現(xiàn)。通過與實驗對比溫度場和主要組分分布

7、，說明常見的機理都能給出合理的火焰結構。只有簡化機理預測的溫度極值偏高200-300 K。分析中間組分H、OH和HO2空間分布和對混合分數(shù)標量分布以及化學通量項空間變化，量化比較五組機理的表現(xiàn)。結果表明簡化機理在HO2自由基的混合分數(shù)分布上與詳細機理偏差較大。不同機理在H2-O2直接反應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)的機制不盡相同。綜合來看(O) Conaire機理在體現(xiàn)湍流-化學反應相互影響上總體表

8、現(xiàn)最為優(yōu)異。
　　在簡單均相反應器模型上研究了五組機理的點火延遲時間和層流火焰蔓延速度，比較幾種反應機理的適用范圍和不確定性。考慮到實際燃燒設備中射流均為三維湍流，在給定的新的點火延遲時間定義下，在三維求解區(qū)域完成五組反應機理對點火延遲時間的預測。發(fā)現(xiàn)不能將簡單模型中的點火延遲時間與射流溫度和當量比的關系應用到三維燃燒場景中。再計算不同機理預測的火焰前鋒傳播速度，也能得到類似結論。
　　本次研究凸顯了詳細化學反應機理在模擬非