合成气燃烧数值模拟与验证

第31卷第1期计算机与应用化学Vol31. No. 12014年1月28日Computers and Applied ChemistryJanuary 28, 2014合成气燃烧数值模拟与验证郭培卿",臧述升2,葛冰(1.上海超级计算中心,上海,2012032.上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室,上海,200240)摘要:以整体煤气化联合循环(GC系统中的合成气燃烧室为研究对象,针对天然气改烧合成气后非预混火焰的燃烧特性开展数值模拟与实验验证,经与实验数据对比,结果显示大涡模拟能够准确预测燃烧室内的平均流场与温度场、速度脉动分布,对燃烧过程产物OH自由基的预测与实验结果有所偏差,为后续分析工作奠定基础。通过将数值模拟与实验测量相结合,对同一喷嘴结构燃烧室内使用天然气、氢气、一氧化碳以及合成气等不同燃料时的燃烧特性进行了对比分析,结果表明该喷嘴结构适用于合成气燃烧,与天然气火焰相比,合成气火焰在喷嘴出口位置形成的高温区对改善合成气燃烧室的不稳定性具有积极的意义,同时燃烧室壁面的热负荷更高。关键词:大涡模拟;合成气燃烧;实验验证中图分类号:TP3919TK16文献标识码:A文章编号:10014160(2014)0101-04DOI: 10. 11719/com. app. chem201401011引言并处理,保持交界面上网格节点的一致性,如图2所示,随着计算机计算能力的不断提高和计算软件的不断网格总数约为600万发展,计算流体力学在燃烧领域的研究中得到越来越多的应用,非预混燃烧物理过程受湍流掺混、分子扩散和化学反应等过程的综合影响,通过数值计算精确求解湍流燃烧过程产物的时空分布依然十分困难,但在预测湍流燃烧现象中的主要物理量分布方面,CFD计算发挥着极其重要的作用。由于具备成本较低、全流场与特殊工况模拟能力等优势,CFD是开展燃烧现象研究时的重要手段之Fig 1 Structure of sprayer.整体煤气化联合循环发电(GCC被公认为本世纪最图1喷嘴结构具发展前景的煤炭清洁发电技术叫,系统中使用煤炭气化后形成的合成气代替传统天然气作为燃料,合成气中主要包含H2、CO及其它少量高阶碳氢化合物,热值普遍较低,但绝热温度更高,合成气燃烧技术正逐步成为相关燃烧领域的研究热点26。本文以合成气非预混火焰为研究对象进行数值模拟,研究不同成分燃料的燃烧特性,并利用相关实验数据开展研究分析。2数值模拟方法图2融合前()后(b)的交界面网格节府eFig 2 Mesh at interface before(a) and after(b)node met合成气进入燃烧室前必须经过喷嘴对流场的组织,大涡模拟(LES)通过滤波函数将湍流运动分解为大、小尺度涡,其中大尺度涡主要影响湍流中质量、能量和喷嘴结构如图1所示,燃料与空气在喷嘴中通过旋流气动量的输运、湍流扩散作用以及雷诺应力,计算中直接形成旋流流动,离开喷嘴后在燃烧室头部开始混合燃烧求解NS方程,小尺度涡主要起耗散作用,通过亚网格釆用 ICEM CFD对喷嘴和燃烧室区域分别进行网格模型模拟。最初使用 Smagorinsky亚网格模型,后来划分,喷嘴部分采用非结构化方式生成贴体网格,燃烧 germano提出一种动态模型来确定 Smagorinsky模型中室部分采用结构化网格以便控制和调整火焰所在空间及的系数Cs,L相关区域的网格密度,再对两部分网格交界部分进行合与所求解应吗YH中国煤化工格应力封闭假设CNMHG型的适用性。这收稿日期:20130907;修回日期:2013-12-14作者简介:郭培卿(1982-),男,江苏人,博士,工程师联系人:郭培卿,E-mail:pago@sc.netcn2针算机与发用化骨2014,3l(1)几种代数亚网格模型是目前使用最为广泛的亚网格模型3实验验证101 Smagorinsky模型的基础是涡粘性假设,即亚网格应力中非各项同性部分正比于湍流涡粘系数和大尺度变本文对研究对象进行了实验测量验证数值模拟结果,实验在上海交通大学动力机械与工程教育部重点实形率张量的乘积。实际计算结果表明其涡粘系数对湍流动能耗散估计过大, Smagorinsky模型的另一缺陷在于需验室激光燃烧诊断平台进行,喷嘴出口连接带有光学视要事先给定 Smagorinsky常数,而DNS的计算表明,C窗的不锈钢模型燃烧室,通过石英玻璃视窗能够利用激在时空范围内变化很大,因此无法适用于各种复杂流动光诊断技术实现对燃烧室内火焰的光学测量。实验中以情况。 Germano动态亚网格模型采用了网格滤波和测试不同流量H2、CO和CO2的配比来模拟不同组分的合成滤波的双重滤波,模型保留了 Smagorinsky涡粘模型的气,3种气体由各自的质量流量计与控制阀分别控制,经过混合腔内充分混合后进入燃烧室。通过粒子图像速优点,同时在某些区域中动态系数为负值,表示能量由小尺度向大尺度转移,在一定程度上反映了在物理上十度仪(PV获得速度场分布,由高温热电偶和激光诱导荧分重要的能量逆向传输过程,克服了 Smagorinsky模型光(PL系统测量燃烧室内的温度场与OH自由基浓度耗散过大的缺陷,实用性更好。动态亚网格模型的缺陷分布。在于计算量的增加以及过大的负涡粘系数可能导致的计4结果分析算的局部不稳定性。本文采用2种亚网格模型进行模拟和对比计算与实验结果在轴向平面上的速度分布如图3所在扩散燃烧中,根据简单反应系统( Simple ChemicalReaction System,ScRS)的假设,燃料与氧化剂在空间中, -Germano任何一点均不共存,定义组合变量混合分数z:--,-.LES-Smagorinskyz=1orm, fuel其中,m为元素i的质量分数,下角标ox与fuel分别表示氧化剂入口与燃料入口。混合分数Z可以用来表征各个组分的质量分数、温度和密度,是守恒量,同时也是一个随机变量,可采用个适当的概率密度函数( Probability Density Function(a)PDF)来描述Z的脉动性质。本文使用最常用的βPDF分布12,对不同燃料按实际组分生成不同的PDF进行计算,如表1所示。ES-Germano表1燃料组分Table 1 Fuel composition.燃料热值体积分数volume fraction/(%)天然气38.36氢气10.79hydrogen一氧化碳1263carbon monoxide合成气Fig 3 Experimental validation of: (a)mean axial velocity;37347.715.010.05(b)axial velocity fluctuation.图3速度场的实验验证:(a)轴向平均速度,(b)轴向速度脉动数值模拟在上海超级计算中心魔方超级计算平台进行,采用控制容积离散方法,空间项以中心差分格式离横坐标以燃料喷嘴内径16mm归一化后表示,2种散,时间项采用二阶迎风精度,压力速度通过 SIMPLE亚网格模型模拟获得的平均流场与实验结果吻合较好,方法耦合。燃料与空气采用流量进口,入口雷诺数分别能够较为精确地预测回流区的位置与尺寸,对速度脉动为5300和21600,燃烧室出口设为压力出口,背压为量的预测,以及在捕捉空气旋流与回流区边界处的切应1个大气压。燃烧室壁面与旋流器表面假设为无滑移绝力层方面, Germano模型比 Smagorinsky亚网格模型更热壁面,采用壁面函数处理近壁面流动。计算中采用的为准确,更适用王充在么向性的旋洊动。中国煤化工时间步长为103s,共迭代20000时间步,相当于10倍不同轴向如图4所示通过对比可以燃烧室特征时间CNMHG高温区的分布,基本真实地反映燃烧室内温度分布,但对喷嘴出口位置2014,31(郭培卿,等:合成气燃烧数值模拟与验最高温度的预测值略微偏高。同的特点:燃烧室内存在中心与外围2个回流区,中心回流区呈梭形分布,喷嘴附近与燃烧室下游位置较尖,△燃烧室中部回流区的径向宽度最大,高温区域主要集中在中心回流区内,燃料与空气的混合气体在此处发生化学反应,并延伸到燃烧室中心轴线上,外围回流区内主要由未参与反应的低温空气构成。111(a)Fig. OH radical distribution of syn-gas flame: upper half byexperiment; lower half by simulation图5合成气火焰OH自由基分布的实验验证:上半为实验值,下半为计算值402000200010A"""z40冈(c)Fig 6 Flow and temperature field of: (a)natural gas; ( b) hydrogen;(c)carbon monoxide; (d) syn-gas flames.图6不同燃料的温与流场分布:(a)天然气;(b)氢气(c)一氧化碳;(d)合成气Fig 4 Experimental validation of temperature field at (a)20 mm;4个工况下的火焰在中心回流区底部均存在高温区(b)50 mm;(c)100 mm away from spray exit.图4温度场的实验验证:距离喷嘴出口(a)20mm;高温区的大小随燃料不同而变化,天然气火焰流场中中b)50mm;(c)100mm心回流区的径向宽度明显小于合成气,并且在燃烧室周图5中显示了实验与计算获得的燃烧过程产物OH向壁面存在有低温旋流空气,壁面热负荷较小,另一方自由基浓度分布,其中实验中为相对浓度,大涡模拟结面,天然气火焰的空气旋涡并未附着在燃烧室头部,而果为绝对浓度。总体上模拟所得的火焰形状及尺寸与实是贴在轴向壁面上,稳定性较差。而其它3种燃料燃烧际测量值基本相符,但在喷嘴出口附近以及中心轴线的时,大量高温烟气回流到燃料旋涡的底部,对离开喷嘴预测有所偏差,主要原因在于采用了简单化学反应机理,的旋流混合可燃气体具有加热作用,从而在燃烧室头部对燃烧过程产物的计算精度无法得到保证。形成稳定的点火源。合成气火焰的最高温度与CO火焰综上所述,大涡模拟能够真实反映旋流燃烧流场与按近,但最高温区域明显缩小,介于H与CO火焰之间。温度场的分布,对OH自由基分布的预测则不够准确各工况OH自由基分布如图7所示。天然气火焰在建议使用LES对速度场、温度场的预测作为实验数据的喷嘴出口区域OH浓度很低,说明该区域内存在尚未参必要补充。与化学反应的新鲜燃料,火焰根部锋面呈现W型分布。图6显示了4种燃料燃烧时的模拟结果,从图中可氧化碳火焰中国煤化工速度最慢引起以看到,4种火焰燃料在流场和温度场分布具有以下共的结果,合成CNMHG度从喷嘴出口直延伸到燃烧至下游,直部火阳晖叫呈现M型分布。针算机与;用化学2014,3l(1)References1 Jiao S, Comments on development and trends of IGCC. GasTurbine Technology, 2004, 17(3): 1-52 Hasegawa T, Sato M, Nakata T. A study of combustioncharacteristics of gasified coal fuel. ASME Journal of Engineeringfor Gas Turbines and Power. 2001. 123: 22-323 Casarsa L, Micheli D, Pediroda V, et al. Investigations of pyrolysissyngas swirl flames in a combustor model. Proceedings of ASMETurbo Expo 2009, Orlando, Florida, USA: GT2009-596104 Zhang WX, Mu K, Wang Y, et al. Study of syngas-methanol flameThermal Power Engineering, 2009, 24(2): 236-2415 Zhao X, Li X, Feng Z, Numerical simulation research on threedimensional turbulence flow in a gas turbine combustor burninglow heat value syngas, Journal of Power Engineering, 2009, 29(4)330-3346 Tang G Lv J, Yue, et al. Effects of Co2 dilution on NOx formationharacteristics in syngas diffusion flames. Jourmal of CombustionFig7 OH radical filed of: (a) natural gas;(b)hydrogen;(c)carbonScience and Technology, 2009, 15(3): 226-231monoxide; (d) syn-gas flames7 Seneral circulation experiments with primitive图7不同燃料的OH自由基分布:(a)天然气;(b)氢气;equations. Monthly Weather Review, 1963, 91(3): 99-164(c)一氧化碳;(d)合成气8 Germano U, Moin P P. a dynamic subgrid-scale eddy viscositymodel Physics of Fluids A, 1991, 3(7): 1760-17655结论9 Wissink J G DNS of separating, low Reynolds number flow in aturbine cascade with incoming wakes. Intermational Journal ofHeat and Fluid Flow, 2003, 24(4): 626-635本文针对天然气、氢气、一氧化碳以及合成气非预10zhao. Numerical Simulation of Combustion. Beijing: Science混燃烧进行了大涡模拟和实验验证,通过对比分析得出11 Zhou I,huL, Wang F. Progress of large eddy simulation of以下结论:turbulent combustion. Journal of Engineering Thermophysics,(1)大涡模拟对旋流燃烧室内的流场和温度场能够12- Olbricht C,HmE, Kuhne J,eta, Flow and mixing in a model较准确地预测, Germano亚网格模型对湍流脉动的预测GT combustor investigated by LES and Monte-Carlo filtered pdfmethods. Proceedings of ASME Turbo Expo, 2007, GT更为精确;(2)采用PDF燃烧模型对燃烧中间产物如OH分布中文参考文献的预测与实验测量结果存在偏差;(3)天然气燃烧时中心回流区较小,火焰稳定性较1焦树建关于目前世界上GC发展情况与趋势的评论燃气轮机技术,2004,17(3:1差,合成气化学反应区域增大,对燃烧稳定性具有积极4张文兴,穆克进,王岳,等.合成气甲醇掺烧火焰研究热的意义。能动力工程,2009,24(2):236-2415赵晓燕,李样晟,丰镇平.燃气轮机低热值合成气燃烧室内三维湍流流动的数值模拟研究门动力工程,2009,29(4)符号说明330-334.混合分数6汤根土,吕俊复,岳光溪,等.CO2稀释对合成气扩散火焰中元素i的质量分数氮氧化物生成排放特性的影响[燃烧科学与技术,2009,空气入口元素i的质量分15(3):226-23燃料入口元素i的质量分数10赵坚行.燃烧的数值模拟[M]北京科学出版社,200011周力行,胡砾元,王方.湍流燃烧大涡模拟的最近研究进展[门工程热物理学报,2006,27(2):331-334Numerical simulation and validation of syn-gas combustionGuo Peiqing, Zang Shusheng and Ge Bing'(1. Shanghai Supercomputer Center, Shanghai 201203, China)(2. Key Laboratory for Power Machinery and Engineering of Ministry of Education, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240,and validation by experimental measurement is adopted to investigate combustion characteristics of syn-gas flames instead of naturalAccuracy in numerical ways for syn-gas turbulent non-premixed flames is validated by experimental data. Results show that both flow andtemperature distribution, as well as velocity fluctuation can be precisely predicted by large eddy simulation, while the prediction on OH radicaldistribution, which is generated during combustion process, is less accurate. Based on results from both numerical simulation and experimenmeasurement, flames from burning natural gas, hydrogen, carbon monoxide, and syn-gas under same conditions are investigated. Sprayerdesign is showed more suitable for syn-gas fuels. Compared to traditional natural gas, the high temperature zone located at burner exit can behelpful to stabilize syn-gas flames, but heat load at chamber walls is increased.中国煤化工Keywords: large eddy simulation; syn-gas combustion; experimental validationCNMHG013-12-14)