H_2CO湍流預(yù)混火焰面與渦團(tuán)相互作用的直接數(shù)值模擬

1、H_2/CO湍流預(yù)混火焰面與渦團(tuán)相互作用的直接數(shù)值模擬我國作為多煤炭少油少天然氣的國家, 長久以來以煤炭為主體的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)在為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展做出突出貢獻(xiàn)的同時(shí)也對(duì)我國的環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的傷害。雖然政府已經(jīng)開始重視調(diào)節(jié)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu), 但是這是個(gè)長期的過程 , 并且煤炭作為廉價(jià)經(jīng)濟(jì)的能源并不會(huì)迅速退出歷史舞臺(tái), 因此在使用煤炭的同時(shí)如何做到高效清潔的利用也成為了當(dāng)務(wù)之急。而煤基多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)可以將煤氣化將其變?yōu)楹铣蓺膺M(jìn)行清潔利用并且副產(chǎn)物可以通過梯級(jí)利用來降低成本, 因此這項(xiàng)技術(shù)不失為一條清潔高效燃用煤炭的道路。所制得的合成氣一般都含有一定量的氫氣, 鑒于氫氣極其活潑的化學(xué)特性,如何科學(xué)安全的利用合成氣

2、也成為了一項(xiàng)科學(xué)課題。數(shù)值模擬作為可以深入了解湍流燃燒機(jī)理的手段已經(jīng)得到了廣大研究者的認(rèn)可 , 直接數(shù)值模擬無需對(duì)于湍流進(jìn)行任何假設(shè)就可以獲得盡量多的流動(dòng)信息,詳細(xì)機(jī)理反應(yīng)則可以深入了解燃燒反應(yīng)中重要中間產(chǎn)物的詳細(xì)變化, 本文基于低馬赫數(shù)下的納維斯托克斯湍流方程以及詳細(xì)機(jī)理求解燃燒反應(yīng)開發(fā)了一套直接數(shù)值模擬湍流燃燒程序 , 并且通過與湍流火焰面相互作用的實(shí)驗(yàn)解和層流火焰速度對(duì)比驗(yàn)證證明了程序在進(jìn)行湍流燃燒計(jì)算上的準(zhǔn)確性。本文借用該程序?qū)τ诤唵魏铣蓺?H₂/CO湍流預(yù)混燃燒在諸多情況下的火焰面特性進(jìn)行了研究。首先使用譜方法對(duì)于不同當(dāng)量比和不同湍流數(shù)下

3、處于小火焰區(qū)湍流燃燒的二維火焰面與各向同性湍流的相互作用情況進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn), 在經(jīng)過一個(gè)特征湍流時(shí)間尺度 后貧燃工況出現(xiàn)了回火現(xiàn)象, 湍流對(duì)于其火焰面產(chǎn)生了明顯的擠壓并且火焰面的傳播速度大于其層流火焰速度。而富燃工況火焰面雖然劇烈褶皺但是其火焰面?zhèn)鞑ッ娣e變化率的概率分布以零值線成軸對(duì)稱 , 這說明火焰面在場(chǎng)中的平均位置不會(huì)發(fā)生變化。火焰面長度與當(dāng)量比相關(guān)性不大但是與湍流數(shù)成正相關(guān)。火焰面上 OH大多富集在火焰面的凸面, 在凹面的分布較少。 其次通過二維配對(duì)渦通過火焰面對(duì)于不同合成氣比例與不同稀釋氣比例下的火焰面局部熄火情況進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn) , 隨著 H<sub>2<

4、/sub>在合成氣中比例降低或是稀釋氣比例增加,湍流渦團(tuán)的運(yùn)動(dòng)與火焰面的相互作用明顯變強(qiáng), 體現(xiàn)為渦團(tuán)脫離時(shí)間變長, 渦團(tuán)形態(tài)發(fā)生明顯變化 , 但是相互作用的改變對(duì)于H₂比例降低更為敏感。而配對(duì)渦脫離時(shí)造成的熄火現(xiàn)象實(shí)質(zhì)上只是H₂組分化學(xué)速率迅速降低 ,CO組分的燃燒并不會(huì)停止 , 只是會(huì)因?yàn)?H₂基本不燃燒導(dǎo)致了局部溫度偏低從而CO燃燒變慢。而配對(duì)渦脫離一段時(shí)間后, 高 H₂比例或低稀釋氣比例的火焰面會(huì)因

5、為擴(kuò)散 - 熱力效應(yīng)變?yōu)椴环€(wěn)定的細(xì)胞火焰。在對(duì)熄火特性進(jìn)行研究的同時(shí),也使用三維定容封閉法針對(duì)合成氣湍流情況下不同當(dāng)量比、壓力、等離子體濃度以及稀釋氣比例下的自著火特性做了一定的探討。研究發(fā)現(xiàn) , 自著火延遲與當(dāng)量比關(guān)系不大, 但是加大壓力和添加等離子體會(huì)顯著減小著火延遲 , 壓力通過增大化學(xué)反應(yīng)速率對(duì)著火延遲產(chǎn)生影響而等離子體則通過分解產(chǎn)生O自由基使反應(yīng)更容易進(jìn)行。 添加稀釋氣則可以適當(dāng)增大著火延遲。而在針對(duì)于特定火焰面進(jìn)行了一系列研究后, 最后針對(duì)于添加O₃后的貧燃合成氣湍流預(yù)混的近場(chǎng)自由燃燒射流進(jìn)行了三維模擬。研究發(fā)現(xiàn) ,O₃在軸向 8D 9D位置開始影響整個(gè)場(chǎng)的組分場(chǎng)以及溫度場(chǎng) , 燃料明顯加快消耗并且溫度有所升高, 但是近場(chǎng)產(chǎn)物中只促進(jìn)了CO₂的生成 , 對(duì) H₂O影響不大。而從火焰面沿時(shí)間的變化曲線上看來,O₃會(huì)增大點(diǎn)火時(shí)期的火焰面面積 , 以及促進(jìn)合成氣燃燒的點(diǎn)火過程, 使燃燒更早發(fā)生。而從統(tǒng)計(jì)量的概率密度