合成气燃气轮机燃烧室CFD模拟的模型选择及优化

第35卷第6期中国电机工程学报Vol.35No.6Mar.20,20152015年3月20日Proceedings of the CSeeC2015 Chin. Soc. for Elec Eng. 1429DOI:10.133410258-8013, pose201506.018文章编号:0258-8013(2015)06-1429-07中图分类号:TK472合成气燃气轮机燃烧室CFD模拟的模型选择及优化王翰林,雷福林,邵卫卫,熊燕,张哲巅,肖云汉(中国科学院先进能源动力重点实验室(工程热物理研究所),北京市海淀区100190)Screening and Modification of CFD Models for Syngas Turbine CombustorWANG Hanlin. LEI Fulin SHAO Weiwei. XIONG Yan. ZHANG Zhedian. XIAO Yunhan(Key Laboratory of Advanced Energy and power (Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences)Haidian District, Beijing 100190, China)ABSTRACT: A standard swirling diffusion flame and a scaled关键词:合成气燃气轮杋燃烧室;计算流体力学(CFD);湍syngas turbine were numerically studied using the method of流模型;火焰结构;NO,排放RANSto analyze the effects of 4 turbulence models onsimulations. Compared with experimental profiles of velocity, 0 Iftemperature and mixture fraction, effects of models and model整体煤气化联合循环( integrated gasificationparameters on simulation results were discussed. The mostsuitable realizable K-8 model was chosen, and the constant of combined cycle,lGCC)利用燃气-蒸汽联合循环实现C2 in the a equation was modified. Coupled with the proper了煤的清洁高效利用,成为未来电力的重要发展方combustion models and chemical mechanisms, an appropriate向之一,因而发展合成气燃气轮机有重要意义。燃method for CFD simulation of syngas combustor was烧室的壁面温度对于燃烧室的设计和使用寿命具d. A scaled syngas turbine combustor experiment wasut. Using the former method, the surface temperatu有重要意义。此外,随着污染物排放标准的日益严O emissions of the scaled syngas turbine combustor格,燃气轮机燃烧室NO污染物排放控制受到挑were calculated. The computational results show good战。雷诺平均( Reynolds average Navier-Stocksagreements with experiments. The method was verifiedRANS)计算流体力学( computational fluid dynamics,KEY WORDS: syngas turbine; computational fluid dynamics CFD模拟为预测燃气轮机燃烧室燃烧及污染物排(CFD); turbulence models; flame structure: NO, emissions放特性提供了一种基础手段,从而为合理设计燃烧摘要:采用雷诺平均的计算流体力学方法,通过模拟与燃烧室提供了一条有效途径。室模态相似的标准旋流扩散燃烧实验以及合成气模型旋流RANS方法的燃烧模拟结果和计算速度受到所燃烧室实验,分析了4种湍流模型对旋流燃烧及合成气燃烧室的数值模拟结果的影响。对比标准实验的速度、温度以及采用的湍流燃烧模型、化学反应模型、湍流模型等混合分数等实验数据,讨论不同模型以及参数取值的模拟效因素影响。合成气燃烧室内的燃烧通常属于旋流扩果,选取最合适燃烧室内复杂流型预测的 realizable kε湍流散燃烧模态口,这一模态中常采用的几种湍流燃烧模型,并对位于湍流动能耗散率(a)方程源项中的模型常数模型特点不同:涡耗散( eddy dissipation,ED)模型C2做岀修正。耦合相应较为准确的燃烧模型以及反应机理采用“混合即燃烧”假设,计算快速,然而 Nemitallah形成针对合成气燃烧室性能预测的较为理想的模拟方法开等采用ED模型模拟非预混火焰的研究表明,此展合成气模型旋流燃烧室燃烧实验,利用形成的数值模拟方法,对燃烧室壁温及NO排放进行了预测,结果与实验较模型会高估火焰尾部的燃烧温度;概率密度方程吻合,验证模拟方法可靠。( Probability Density Function,PDF)计算速率相对较快, Ziani等中国煤化工烧火焰的数基金项目:国家863高技术基金项目(2008AAO5A302)The National High Technology Research andt of china值研究证明CNMHG预测火焰结863 Program(2008AA05A302)构;涡耗散概念( eddy dissipation concept,EDC)模1430中国电机工程学报第35卷型相对精细但计算速度较慢, Fukumoto等的研究1模拟对象结果表明EDC模型可以准确的计算出燃烧火焰结1悉尼大学标准旋流燃烧器构。根据燃烧模型的不同特点,耦合相应的化学反根据合成气燃烧室内包括旋流射流等复杂流应模型可实现燃烧室工作过程以及污染物排放模型的流动特点,选取模态与之相似并测量出火焰结拟预测。燃烧及污染物NO的生成过程化学反应复杂,更容易受到化学反应动力学的影响,因此化构的悉尼大学标准旋流扩散燃烧实验进行分析,其结构及边界条件在文献[18-19中有详细说明。燃烧学反应模型需要足够精细,才能使模拟结果更可信。器包含一个直径60mm环形腔体,可供空气围绕模拟湍流燃烧常用的湍流模型中, standard K-个直径50m的钝体进行旋流;燃料喷口位于钝体模型对旋流和射流都有较理想的效果因此应用较圆心,直径3.6mm;整个燃烧器置于较大的风筒中,多6;RNGκ-模型对旋流的描述更为准确,因而风筒中的空气流速保持20m/s在旋流燃烧的模拟中有所应用; realizableκ-ε模型针对湍流黏度以及ε方程做出修正,对多种流型分别选取文献[18-19]中冷态工况N29S054和都有理想效果,在燃烧室设计以及预测上应用广热态工况SM1进行研究。其中冷态试验,燃料孔泛0;雷诺应力模型( Reynolds stress model,RSM出口速度(U)66ms,旋流切速度(U,)19.lms,旋流数0.54。热态实验采用甲烷燃料,U为327m/s,是理论上最为精密的模型,对旋流模拟效果较为理U为19.1m/s,旋流数0.5。该实验在本研究中只用想Curci等对合成气湍流燃烧的数值研究表明,火焰结构的模拟结果对采用的湍流模型敏感于分析湍流模型对计算结果的影响,因此燃料并不影响结论程度高:由于模拟中所采用的湍流模型对于速度耗1.2合成气模型燃烧室散的描述不同,因此不同的湍流模型适用于不同的流动形态。此外,为了获得更理想的预测效果,不本实验室合成气模型旋流燃烧室,主要由旋流喷嘴、旋流器和火焰筒组成,置于同轴机匣内。空同学者针对不同的流型对湍流模型做岀了修正,气由外侧机匣进入燃烧室。采用K型热电偶测量燃如:Pope等将k-g模型中的模型常数与流场中的烧室的外壁面温度,燃烧室外形结构及温度测点分应变率关联,取得对射流模拟效果的改进; Khaleghi布如图1所示。采用PEC-304FT红外气体分析仪测等对RNGκ-g模型中E方程源项进行了修正,改量烟气中O2、NO、NO2、CO、H2O和未燃碳氢(以善了模型对于旋流的模拟效果; Hossain等1l的研CH4、C3H3表征)等组分浓度究表明将 standardκ-g模型中的C1由144修正为1.6可以更好的模拟钝体火焰结构等等。合成气燃测点2测点3测点6测点9测点11气轮机燃烧室具有复杂的几何结构,燃烧室的头部通常采用旋流结构而壁面上包含主燃孔及掺混孔等结构。因此合成气旋流燃烧室内的流型结构属于射流、旋流以及交叉射流等几种流型的复杂结合,所以有必要针对旋流合成气燃烧室数值模拟中测点1测点4测点5测点7测点8湍流模型的影响进行深入分析。图1燃烧室壁面热电偶测点分布示意图本研究在选定较为准确的详细化学反应机理和Fig. 1 Distribution of thermocouples on combustor燃烧模型基础上,通过模拟与燃烧室模态相似的悉surfaces尼大学标准旋流扩散燃烧实验189,对比各种实验实验采用热值12.2MJkg合成气作为燃料,其数据,讨论前文提到的4种不同湍流模型及部分模组分体积比H2:CO:N2为0.37:0.48:0.15。实验工型参数对于模拟结果的影响;选择最适合预测合成况设置如表1,空气以及燃料进气温度均为293K,气旋流燃烧室燃烧的湍流模型,并对模型参数做出总过量空气系数保持3.83。优化,形成较为准确的模拟方法;开展合成气模型旋流燃烧室实验研究,对比壁温以及NO-排放数据2数值模拟中国煤化工对方法进行验证和应用。结论对合成气燃气轮机燃2.1湍流模型CNMHG烧室流场及燃烧性能预估具有一定的参考意义。RANS模拟方法中的动量控制方程可表示为第6期王翰林等:合成气燃气轮机燃烧室CFD模拟的模型选择及优化1431表1旋流合成气模型燃烧室实验工况反应动力学模型,总反应模型包含32种组分和176Tab. 1 Operating conditions for the scaled syngas步化学反应。combust计算方法进气压力MPa燃料流量/(kgh)气流量/(kg/h)对于标准燃烧实验,将整个燃烧器燃烧区域作为计算域,共4×105结构化网格单元。对于模型燃338.737.0烧室,根据其几何对称性,选取燃烧室的四分之0.3546.2564.6作为计算域,并对火焰筒壁面上的冷却孔进行简化ap a处理,把每排冷却孔改为等面积的窄缝,使得计算域具有周期对称性。整个计算域1.27×10°结构化网格单元。壁面设置为辐射边界条件。[(+-5)+(-pu2)模拟计算求解采用 ANSYS FLUENT13.0商用方程中的雷诺应力项-p需要本构建模,其软件,其中辐射换热采用了离散坐标(DO)射模型压力速度解耦采用SⅠMPLE算法,压力迭代采用中一种常用的假设是1877年 Boussinesq提出的涡PRESTO!算法,其他物理量的空间离散格式采用旋黏性系数的概念,将有效流剪切应力pm用二阶迎风格式。近壁面采用加强壁面处理 (enhance湍流黏度H以及平均速度的梯度表示出来。为了使 wall treatmen),提高壁面换热的计算精确度得整个控制方程组封闭,还需要添加其他变量控制物性利用相应反应模型中的输运和热物性数方程,使得未知量的数量与方程数量相等。由此假据包,采用可压缩理想气体方法计算混合气体密设出来变量湍流动能k及其耗散率e,并将它们与度;混合定律计算定压比热(p);理想气体混合定湍流黏度利用假设关联,形成 standard k-e模型。律计算热导系数()和运动黏度();动力学理论计在此基础上,后来的研究利用不同方法对方程以算质量扩散率(D)和热质量扩散系数(D1),以此反映及G方程进行了发展,添加各向异性的假设,形成压力对物性参数的影响。了RNGκ-ε模型、 realizableκ-←g模型以及RSM模型。本研究对比RANS法中针对旋流燃烧室常用的3结果及讨论standardκ-ε模型、旋流主导的RNGk-E模型3.1标准旋流燃烧realizableκ-<ε模型以及RSM模型的模拟效果,选3.1.1·不同模型的模拟结果择最合适的湍流模型,并进一步做出修正在采用 FLUENT中湍流模型参数默认值情况2.2燃烧及化学反应模型下,使用不同湍流模型模拟分别模拟标准旋流冷态标准实验中燃料为甲烷,其燃烧反应过程所包实验N29S054的流场以及热态燃烧实验SM轴线含的反应机理步数较多0,若采用有限反应速率的上的轴向速度及温度分布,对比实验结果示于图2燃烧模型(如EDC模型)耦合详细反应模型计算时图2中,X和r分别为距燃料出口的轴向高度和径间过长,因此采用较为快速且准确的PDF燃烧模向距离,D和R分别代表钝体的直径和半径。型3,13耦合GR2.11骨干化学反应机制。N29S054的计算结果表明,4种模型在头部考虑到合成气详细化学反应模型组分数较少,(XD=0.2)的预测效果差别不大,然而对于旋流以能满足CFD模拟计算软件的要求,并根据燃烧室及流速耗散速率的描述不同,使得流场后部(XNO排放过程的特点,模型合成气燃烧室选用合成06)模拟结果差异较大。旋流主导的RNGk=g模型气燃烧及NO生成的详细化学反应机理,耦合EDC和RSM模型对速度衰减预测偏差比较大; standard燃烧模型。已有的硏究表明,EDC模型耦合详细κ-ε模型在流场中心的流速预测上较接近实验,但的化学反应机理相较于其他模型能够较为准确的速度最低值及低速区位置不够准确;综合流场中心模拟岀合成气湍流火焰的火焰结构。反应机理采用以及低速区的计算结果,采用 realizableκ-ε模型更在多种条件下优化后的H/CO燃烧详细化学反应适合预测旋流中国煤化工。计算时间模型2;NO2生成及NO2燃烧相互关系子模型采用方面,旋流主CNMHGM模型时间Faravelli等人23提出并在多种实验下验证的详细较长, realizable k-8模型和 standardκ-模型计算成1432中国电机工程学报第35卷standard K-8XD=0.2关系,可以得出结论,采用 realizable k-ε模型更适realizalbe k-8RNG K-8合模拟旋流燃烧的火焰结构,且计算量较小。针对旋流燃烧实验,其他学者也得到了相似的结果◇24-25。然而,此模型仍然低估了速度的耗散速率3.1.2 realizableκ-ε模型修正E方程源项中的常数取值会影响速度耗散的计standard K-g算结果,对其进行一定的修正优化2627,可以提高realizalbe k-8模型对不同流型下速度耗散描述的准确性。选取较为理想的 realizableκ-ε模型做进一步的分析,其ε方程如下为aaat0.4径向位置rRpCSe-C2pE/(K+vve)+C: CE Gne/K+S(a)N29s054不同轴向高度半径上的轴向速度分布式中:C1=max[0.43,n/(7+5);n=SK/e;S为应变realizalbe K-8率,S=√2SS;Gn为浮力引起的湍流动能:;SRNGRSM为其他源项;σ2为湍流普朗特数:ν为动力黏度,实验m2/s;C2、Ca1、Ca3为常数。模型常数Ca1、Ca3在考虑浮力影响时通常根据实际情况由经验关系式计算得出,因此可以针对参数C2进行优化校正,其默认值为1.9。根据控制方程,增大参数C2会使得方程计算所得出的ε减小,相应的κ随之增大,湍流动能耗散standard的时间尺度s/κ缩小。这使得计算出的湍流动能更0RNG K-8易维持,湍流扰动增大,速度耗散相应加快。因此,RSM增大C2理论上可以优化模型对旋流的模拟效果。150将C2分别设置为1.9、20和2.1,分别计算N29S054轴向位置mm(b)SM火焰中心线速度及温度分布的流场以及SMI轴线上的轴向速度、混合分数以图2不同模型对标准旋流实验的及温度分布,其计算结果及实验结果示于图3模拟结果与实验数据对比根据N29S054的计算结果,修正后的模型对于Fig 2 Comparison between computational results b头部的影响并不明显;流场后部的的计算结果说different models and standard experimental datas明,增大C2使模型预测的速度耗散加快,同一轴本较低向位置上的中心流速降低,低速区向外移动,径向SM!的结果表明,不同模型计算出的低速及回上的速度最低值增大。C2=1.9时,中心速率偏差较流区分布差别很大,因此温度分布计算结果差异较大;C2=2.1时,低速区的偏差较大;综合比较,大。 standardκ-ε模型模拟轴向上速度耗散过快,对C2=2.0较为合适。速度的模拟相对其他模型偏差较大。由于在火焰头SMⅠ的计算结果也表明,增大C2可以使得整部旋流较强,对于旋流有精细描述的旋流主导的个热态流玚的速度衰减加快,回流区更接近头部RNGκ-ε模型和RSM模型相对比较准确;而在火回流区缩小;混合分数的衰减冋样加快,说明掺混焰尾部,旋流减弱,射流特性更明显,因此这2种更强;温度峰值位置更靠近头部。轴线上的轴向速模型对火焰尾部的温度分布、回流区位置以及大小度分布、回流I凵中国煤化工布以及火焰的预测上相差较大。综合速度分布、回流区位置及峰值位置与CNMH,在选择大小以及火焰温度分布的峰值位置与实验值之间的 realizableκ-ε模型模拟与燃烧室内模态接近的火焰第6期王翰林等:合成气燃气轮机燃烧室CFD模拟的模型选择及优化1433XD=0.2室燃烧实验及数值模拟硏究。对比4种湍流模型耦合前文合成气燃烧及反应模型对模型旋流燃烧室▲实验壁面温度的模拟效果。保留默认参数设置条件下,模拟进口压力0.10MPa工况,计算与实验结果示于图4 standardκ-ε模型在头部的模拟效果相对其他模型偏差较大,壁面温度最高点更靠前。采用旋流主导的RNGx-E模型和RSM模型在头部预测效果C2=2.0C2=2,1上比较理想,而尾部的壁面温度预测上相较于实验值高出很多,计算出的高温面积较大,温度最高点更靠近头部。 realizableκ-ε模型计算的壁面温度最大偏差相对较小,壁面温度值以及壁温随轴向位置的变化趋势都更接近于实验结果。因此与前文一0.4径向位置rR致,相较于其他模型,对射流以及旋流都有较为准(a)N29s054不同轴向高度半径上的轴向速度分布确的描述的 realizableκ-ε模型对于壁面温度的预测比较理想,更适于旋流合成气燃烧室内的燃烧过C2程的模拟实验匾0.4△-C2=2.0测点编号图4不同湍流模型对燃烧室壁温的模拟结果与实验数据对比Fig 4 Comparison of surface temperature between2.0simulations by different models and model combustorexperiments选取燃烧室进口压力0.10MPa以及0.35MPaC2=2.1这2个工况,采用C2修正为2.0的 realizable k-模型模拟旋流合成气模型燃烧室壁面温度,计算结轴向位置/m果与实验测量值对比如图5。模拟结果表明,将(b)SMl火焰中心线速度、混合分数及温度分布realizableκ-E模型C2修正为2.0后,计算所得的壁图3C2不同取值的 realizableκg模型对标准旋流实验的面温度相较于前文的结果明显更接近实验值。只有拟结果与实验数据对比在0.35MPa工况条件下测点9处偏差相对略大,这Fig.3 Comparison between simulations by realizable K-E主要是由于在计算中,采用空气逆流进入机匣的简model with different C2 and standard experiments化,而实验中则是在机匣的壁面开孔,开孔位置临结构时,将C2修正为2.0,可以得到较理想的模拟近测点9位置,压力增大之后,空气流量增大,因效果,而避免使用计算量较大的精确模拟方法此使得这个区域的壁面换热增强,9号测点的温度3.2合成气模型旋流燃烧室偏小,偏差增」中国煤化工用C2修正3.2.1壁面温度为2.0的reaiCNMHG烧模型及相为了验证前文结论,开展合成气模型旋流燃烧应的详细反应模拟合成气模型旋流燃烧室的1434中国电机工程学报第35卷3■1atm实验要的影响。湍流模型对旋流及速度耗散描述的不口1atm模拟1.0}435am实验同,使得流场及火焰结构计算结果存在差异。其中△3.5atm模拟realizableκ-ε模型的计算结果与标准实验结果最接近,最适用于旋流扩散燃烧模拟。岛0.42)ε方程中的常数取值会影响流场速度耗散作用,本研究针对 realizableκ-ε模型常数C2修正。C2的取值增大可以增大速度耗散率,将C2由1.9测点编修正为2.0,计算标准实验所得的速度及温度分布图5修正后的 realizableκ-ε模型对燃烧室壁温的模拟结于实验最为接近,改进了模型的模拟效果。果与实验数据对比3)合成气模型旋流燃烧室燃烧实验验证了Fig 5 Comparison of surface temperature betweenrealizableκ-ε模型最适用于燃烧室模拟。修正后的simulations by modified realizable K-g model and scaledrealizableκ-ε模型可以改进模拟效果,并能较为理combustor experiments想的预测出NO排放。壁面温度及火焰结构具有理想的效果322NO2排放4)采用 realizableκ-E湍流模型,将C2修正为利用已经形成的合成气燃烧室计算模型耦合2.0,耦合EDC燃烧模型及文中相应的化学反应模前文NO2反应模型,对不同压力条件下NO2排放进型,适用于合成气燃气轮机燃烧室的数值模拟,可行了预测,结果折合为干基15%O2浓度条件下的摩以对旋流合成气燃气轮机燃烧室燃烧排放特性预尔分数,对比实验如图6。结果显示,在实验工况测及低污染物燃烧室设计和改进提供指导。条件下,模型计算燃烧室出口NO排放摩尔分数与参考文献实验吻合较为理想。根据NO排放的特点,除NO[]张永生,穆克进,张哲巅,等.同向和反向合成气旋流化学反应模型外,NO排放的计算准确性很大程度扩散燃烧研究.中国电机工程学报门.2009,29(14):上取决于燃烧流场及温度分布计算的准确性。由于NO2反应模型在不同研究中均有验证,因此进一步Zhang Yongsheng, Mu Kejin, Zhang Zhedian, et al. 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Assessment of the结论performance of several turbulence and combustion modelsin the numerical simulation of a flameless combustor[J]本研究采用4种不同湍流模型,耦合相应的燃Combustion Science and Technology, 2013, 185(1)烧及化学反应模型,对与燃烧室模态相似的标准旋流燃烧实验以及合成气旋流模型燃烧室的进行了mmacharacterist中国煤化工me[J]. Journal数值分析,并以实验作为验证,结果表明CNMHG3,135(4)1)湍流模型对于燃烧过程的模拟结果具有重422041-0422048第6期王翰林等:合成气燃气轮机燃烧室CFD模拟的模型选择及优化1435[7 Brizuela E A, Roudsari M z Comparison of RANS/CMCturbulent non-premixed flames of methane: flow field andmodeling of Flame D with conventional and withcompositional structure[J]. Proceedings of the Combustionpresumed mapping function statistics[J]. CombustionInstitute,2002,29(1):1913-1919Theory and Modeling, 2011, 15(5): 671-690[20]姚强,李水清,王宇,燃烧学导论(第二版)M.北京[8 Khaleghi M, Hosseini S E, Wahid M A. Eission and华大学出版社,2009:126-134combustion characteristics of hydrogen in vortexYao Qiang, Li Shuiqing, Wang Yu. An introduction toflame]. Science Engineering, 2014, 66(2): 47-51[9〕刘富强,穆勇,房爱兵,等,双级旋流环形燃烧室流场edition)[IM]. 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