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化工过程机械专业论文:天然气燃烧器的数值模拟

来源:985论文网 添加时间:2020-06-04 15:23
摘要:燃气燃烧器可广泛应用于石化、冶金、建材等工业领域,也可用于采暖等生活场所。近年来,随着环保法规的积极实施,企业节能增效的深入发展,燃烧技术的不断进步,工业炉燃烧室对燃气热值的范围和要求逐渐降低,使低热值燃气的高效利用取得了新的进展。本文以一种燃气燃烧器为研究对象,研究了不同气源的适用性,并通过优化,使其适合于天然气工业。建立了所选燃烧器的物理模型,介绍了燃烧过程的数学模型,采用CFD计算软件,选用标准k−ε湍流模型、PD F燃烧模型、P-1辐射模型和热力型 生成模型,对高速燃烧器进行三维数值模拟。比较了相同流速下液化石油气和天然气在燃烧器中燃烧状态的区别,系统地研究了不同尺寸燃气入口直径对燃烧室内温度、速度及 分布的影响,选择了最佳进气直径,并对液化石油气在直径范围内的燃烧进行了分析。最后,分析比较了不同过量空气系数对燃烧室内燃烧、流动和污染物排放的影响。通过模拟,得出以下结论:以天然气为燃料的燃烧器要达到与液化石油气相同的功率需要更大的流速;使用天然气为燃料时,功率在一定范围内变化,燃烧器的燃气入口直径有一最佳值,此时有着较低的 排放;该入口直径能满足液化石油气的燃烧;过剩空气系数α对燃烧室内的速度、温度和 质量分数的分布有着很大的影响,在α=1.1左右时燃烧器的工作状态最好,过剩空气系数过大或过小都会造成燃烧的不稳定以及出口处较高的 质量分数。
关键词:天然气;燃烧器;数值模拟
 
前   言
随着社会经济的快速发展,工业发展水平的显著提高和人民生活质量的显著提高,燃气锅炉的应用范围和数量逐年增加。燃烧器是燃气锅炉的关键设备,发达国家在这方面的技术比较成熟,产品自动化和安全可靠性较高,因此,目前国内高档建筑、涉外企业等大部分使用进口锅炉和燃烧器,越来越多的国外知名品牌燃烧器纷纷涌入我国,市场占有率较高。国内燃气燃烧器尚处于起步阶段,大量简单的燃烧设备自动化程度低,在使用过程中存在安全隐患。近年来,国内一些燃烧器企业在引进和吸收国外先进技术的基础上,逐步开发和生产出了技术水平较高的燃烧器,积极参与市场竞争,取得了初步成功。
燃气燃烧器可广泛应用于石化、冶金、建材等工业领域,也可用于采暖等生活场所。近年来,随着环保法规的积极实施,企业节能增效的深入发展,以及燃烧技术的不断进步,工业炉燃烧室对燃气热值的要求和范围逐渐缩小,使低热值燃气燃料的高效利用取得了新的进展。低热值燃气燃烧器主要用于大型热载体加热炉、工业炉等设备,我国目前仍缺乏高质量的燃气燃烧器产品。由于煤气技术的开发和利用较晚,与国外相比,在发展水平上存在较大差距,目前使用的高性能煤气燃烧器大多为进口产品。
随着我国能源结构的不断改善和环保意识的不断增强,特别是在国家已明确将中小型燃煤锅炉逐步改造为燃气锅炉的大中城市,巨大的市场需求将极大地推动我们加大燃烧器产品的研发力度,促进国内燃烧器技术的进步,缩小与国外产品的差距,进一步形成产业规模,形成良好的经济效益和社会效益。
1  CFD简介及国内外研究现状
1.1 计算流体力学的起源
计算流体力学(CFD)是通过计算机数值计算和图象显示对包含流体流动和传热等物理现象的系统进行分析。他在第二次世界大战期间发展成为流体力学的一个分支,并在1960年左右逐渐形成了一门独立的学科。一般来说,随着计算机技术和数值计算的发展,我们可以把它分为三个阶段:
首先是初始阶段(1965~1974),主要研究内容是求解计算流体力学中的一些基本理论问题,如模型方程(湍流、流变学、传热、辐射、气粒相互作用、化学反应、燃烧等)。数值方法(差分格式、代数方程求解等)。将数值结果与许多传统的流体力学实验结果和精确解进行比较,以确定数值预报方法的可靠性、准确性和影响规律,同时,为了解决工程中复杂几何区域内的水流问题,人们开始研究网格变换问题。例如,Thompson、Thams和Mastin提出利用微分方程根据流动区域的形状生成贴体坐标系,使计算流体力学对不规则几何流动区域具有很强的适应性。逐渐在CFD中形成了专门的研究领域:“网格形成技术”。
其次,在工业应用阶段(1975-1984年),随着数值预测、原理和方法的改进,关键的问题是如何得到工业的认可,以及如何将工业设计应用到工业中。因此,本阶段的主要研究内容是探讨CFD在解决实际工程问题中的可行性、可靠性和工业应用。同时,CFD技术正朝着各种基于流动的工程问题发展,如气固、液固多相流、非牛顿流体、化学反应流、煤粉燃烧等。然而,这些研究需要建立在一个非常专业的研究团队基础上,软件不是可互换的、自行开发的、自用的,新用户通常需要花费相当大的精力去阅读前人开发的程序,了解设计意图,改进和使用。1977年,斯帕尔丁等人为预测二维边界层中的迁移而开发的GENMIX程序被公布于众,此后,他们首先意识到保护自己的知识产权是困难的,于是在 1981 年,CHAM 公司将打包的计算软件(PHONNICS-Phoenix)投放市场,并率先开发了 CFD 商业软件。但在当时,软件的使用比较困难,软件的推广也没有达到预期的效果。上世纪 80 年代初,随着对外交流的发展,CFD 的研究热潮开始在学术界和部分高校兴起。
第三,在快速发展时期(1984 年至今),CFD 在工程设计中的应用和应用效果的研究取得了丰硕的成果,得到了学术界的充分肯定,同时,以斯帕尔丁为首的 CHAM 公司也在发达国家的工业中做了大量的推广工作。帕坦卡尔还在美国工程师协会的帮助下进行了大规模的培训,这些培训都是在 CFD 的应用中进行的。然而,该行业并没有表现出多少热情。在 1985 年第四届国际计算流体力学大会上,斯帕尔丁提出了一个关于 CFD 在工程设计中应用的专题报告。报告中,他将 CFD 在工程中的流动、传热和化学反应的一般过程分为十类,并指出 CFD 具有解决这些问题的能力,分析了由于软件总体性能差和使用困难而引起的业界兴趣。如何在 Fluid 的基础研究和工程发展与设计研究之间架起一座桥梁 ?如何将研究成果掌握在高级工程技术人员手中,最大限度地应用于工程咨询、工程开发和设计研究 ?这正是本时期应用基础研究所追求的目标。此后,随着计算机图形学、计算机微机技术的快速进步,CFD的前后处理软件得到了迅速发展,如GRAPHER,GRAPHER TOOL,ICEM-CFD等等。
1.2 计算流体力学的基本原理
任何流体运动定律都是建立在质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律的基础上的。这些基本定律可以用数学公式来描述。计算流体力学可以看作是流体在基本流动方程控制下的数值模拟,通过这些数值模拟,我们可以得到基本物理量(如速度、压力、温度、浓度等)的分布。在流场的不同位置存在着极其复杂的问题,而这些量随时间的变化决定了是否存在涡流、涡流分布特性和分层区。
计算流体力学(CFD),基于理论流体力学和计算数学,是这两个学科的交叉学科.本文将描述流体运动的连续介质的数学模型离散为一个大规模的代数方程,并建立了计算机求解算法.在广义上,可以从流体现象直接建立一个满足流动规律的离散数值模型,而不需要经过现有的流体机构的偏微分方程.通过时空离散,将连续时间离散为不连续的有限时间.将连续介质离散为一个不连续的有限空间模型,将部分微分方程转化为有限的代数方程.数值方法的本质是离散化和代数化。离散化是无限信息系统转化为有限信息系统的过程;代数是偏微分方程转化为代数方程的过程。离散数值解可以有两种形式给出:网格点的近似值,如差分法和易于计算的近似表达式,如有限元法和边界元法。
CFD包括各种流体(在特殊情况下的气体、液体和固体)和各种速度的复杂流体的数值模拟.它包括两个方面:计算机求解流动问题和计算机在流体动力学研究中的应用.计算机科学和超级计算机的发展为CFD技术的发展提供了一个舞台。
1.3 计算流体力学在国内外的应用
目前,计算流体力学主要应用于热能动力、航空航天、机械、土木水力、环境化工等工程领域,近些年,暖通空调行业也日益成为CFD技术应用的重要领域。
1.3.1 计算流体力学在国外的应用
在欧洲和美国等发达国家,自20世纪60年代以来,CFD技术发展的动力是不断增长的工业需求,航天工业从开始到结束一直是最强大的动力。传统的飞机设计方法价格昂贵、耗时且信息有限,这迫使人们使用先进的计算机仿真技术来指导设计,大大降低了样机的测试,缩短了研发周期,节省了研究经费。在过去的40年里,CFD技术在湍流模型、网格技术、数值算法、可视化和并行计算等方面得到了迅速的发展,并给工业带来了革命性的变化。例如,在汽车工业中,CFD技术和其他计算机辅助工程所需要的新工具、新技术、新样车减少到目前的十几辆;国外飞机制造商采用CFD代替了大量的物理试验,如美国战斗机YF-23采用CFD气动设计后,上一代YF-17减少了60%的风洞试验量。目前,在航空、航天、汽车等许多工业领域,用CFD反复设计、分析和优化已成为标准的必要步骤和手段。
1.3.2 计算流体力学在国内的应用
计算流体力学(CFD)在我国的应用时间不长,但在我国的许多领域得到了广泛的应用,其中航空航天、航空、船舶、汽车、核电等都是CFD的高级应用领域,如空间、载人航天工程、新一代运载火箭的研制等。所有严重依赖CFD技术,中国发展第一架涡扇喷气支线飞机的模式是CFD在中国的应用;在船舶方面,根据相关资料,上海到2015年造船总容量为120万吨,这样一个庞大的任务必须依靠CFD才能完成;在汽车方面,随着全球汽车制造向中国的转移,汽车研发能力开始提上日程,在综合考虑成本因素后,这些企业正在寻找外部高性能计算,最终必须依赖CFD。
目前,利用通用商用CFD软件进行日常设计分析已成为许多企业不可缺少的一部分。以上海为例,介绍了CFD在电子工业、市政工程、环境保护、建筑施工、机电设备等工业领域作为一种基本的设计分析方法。例如,在电子工业中,CFD用于散热分析,在市政工程中,CFD用于通风、消防和泥沙过程模拟,在机电设备工业中,CFD用于水轮机、汽轮机和锅炉的旋转机械设计,在环保方面,CFD用于新的水污染分析,CFD用于新的水污染分析,fluid用于新的环境污染分析,fields用于新的环境污染分析,of模具及炼钢。
随着CFD应用的发展,我国高校和科研院所也开始对CFD进行研究,如机翼颤振分析软件的并行开发、上海交通大学开发的气动优化设计分析软件、具有自主知识产权的of平台等。
2  物理模型和数学模型
2.1物理模型及网格划分
本文建立的燃烧室模型是一个后端为喷嘴形状,进气直径为5毫米的气缸。建立了燃烧室的三维结构,并对燃烧室进行了网格划分。燃烧室由四面体网格、进气口和挡板的前端组成。如图2.1所示,网格被划分。
  
a)燃烧器网格划分
 
b)燃烧器结构图
图2.1燃烧器结构图及网格划分
2.2数学模型
本模拟采用的数学模型有标准k-£双方程模型,prePDF非预混燃烧模型,P-1辐射换热模型以及热力型 生成模型。
2.2.1流体流动模型
湍流模型主要包括:零方程模型、一方程模型、双方程模型(标准k-£模型、重整化k-£模型、可实现k-£模型)及雷诺应力模型和大涡模拟。在本论文中选用标准k-£模型,需要求解湍动能及其耗散率方程。湍动能输运方程是通过精确的方程推导得到,但耗散率方程是通过物理推理,数学上模拟相似原形方程得到的.该模型假设流动为完全湍流,分子粘性的影响可以忽略。因此,标准k-£模型只适合完全湍流的流动过程模拟
湍流流动的特征就是速度场是脉动的,虽然脉动的幅度小,但频率高。根据Reynolds时均法的原理,将瞬时速度用一个不变的时均速度和一个随时间变化的脉动速度来表示,即
              (2.1)
               (2.2)
              (2.3)
同样,对于压力有类似表示:
              (2.4)
时均速度和时均压力的定义为:
                (2.5)
                    (2.6)
当 远远大于湍流脉动的时间周期时,时均速度与所取得时间间隔无关。
湍流流动并不引起流体粘性的改变,连续性介质也不破坏,因此可以认为描述流体流动的连续性方程和动量方程仍然适用于湍流运动的瞬时规律,对这两个方程进行时均处理:
                   (2.7)   
       (2.8)
雷诺应力的出现,使得体系中未知数的数目超过了独立方程的数目,造成方程不封闭。为了使方程组封闭以便求解,必须补充所缺少的方程,这正是湍流方程理论所需解决的问题。获得 的方法在湍流理论中称为湍流模型。
最早提出湍流模型的是1877年的鲍辛涅斯克,他将雷诺应力与时均速度梯度联系起来,用类似牛顿定律的形式表示出来,即局部湍流应力与时均速度梯度成正比:
 
 (2.9)
式中:
τ--雷诺应力
 --主流方向时均流速
 --湍流粘度系数
Y--与主流方向垂直的空间坐标
将式(2-9)代入式(2-8)中可以得到: 
 
其中 
可见式(2-10)与粘性动量方程得区别在于粘性系数上,式(2-10)用有效粘度系数 代替了分子粘度系数 。这样湍流粘度系数模型通过给出雷诺系数与时均速度之间的关系式,把均流方程的不封闭性由雷诺应力转移到湍流粘度系数上,把问题归结为 的确定上, 可用湍流模型计算。所谓湍流模型,就是把 与湍流时均参数联系起来的关系式。根据确定 微分方程数目的多少,湍流动模型分为零方程模型、单方程模型和双向模型,最简单的完全湍流模型是求解速度和长度两个变量的双方程模型,标准 k - ε模型自提出以来,已成为工程流场计算的主要工具。其适用范围广、经济合理的精度是其在工业流场和换热模拟中广泛应用的原因。
标准 k - ε模型是一个半经验公式,它是由实验现象推导出来的,主要基于湍流动能和扩散率,K 方程是精确方程,ε方程是由经验公式推导出来的方程。具体方程如下:
湍动能方程:
    (2-11)
湍动能耗散率方程:
   (2-12)
湍流粘性系数 。
其中模型中的几个常数C1,C2, , , 采用Launder and Spal ding的推荐值,一般情况下取c1=1.44,c2=1.92, =0.09, =1.0, =1.3。
一般来说,标准的 k - ε模型是应用的首选模型。由于本文所研究的有限空间是圆柱形的,因此采用该模型进行了数值模拟。
在壁面附近的粘性支管中,湍流的雷诺数很低,必须考虑分子粘度的影响。因此,必须修改所使用的湍流模型。对于k-ε双方程模型来讲,此时系数 与湍流的雷诺数Re有关。通常的处理方法是使用壁面函数(Wall Function),即在粘性层内不布置任何节点,把第一个与壁面相邻的节点布置在旺盛湍流区域内,然后通过采用半经验公式,对近壁点的流体速度、湍流切应力、湍流动能及湍动能耗散率的变化进行描述。
壁面函数包括标准壁面函数和非平衡壁面函数两类。本模拟使用的是标准的壁面函数。是采用Launder and Spalding的近壁处理方法。即考虑层流和湍流核心层的划分,并假定粘性支层以外的区域,无量纲速度分布服从对数定律。
2.2.2湍流燃烧模型
在能源、动力、航空、航天等领域,实际燃烧过程几乎都是湍流燃烧过程,湍流燃烧、湍流流动和化学反应过程相互关联、相互影响,湍流通过强化混合作用影响均匀化学反应速率,放热反应过程影响湍流,如何定量描述和确定湍流相互作用是湍流燃烧研究的重要内容,湍流燃烧问题是流动与燃烧的耦合问题。
本模拟中燃料和氧化剂未经混合就进入燃烧室进行反应,因此属于扩散燃烧。在此采用了平衡混合分数/PDF模型(Description of the Equilibrium Mixture Fraction/PDF Model)。在该方法不是求解各组分的输运方程,而是求解一个或两个守恒标量(混合分数)的输运方程,然后从预测的混合分数分布中推导出各组分的浓度,通过求解混合分数 f 的瞬态分布来确定快反应流体的质量分数、密度和温度瞬时值等化学性质。该模型采用概率密度函数 PDF 来考虑湍流效应,不需要用户明确定义反应机理,而是由火焰表面法(即混合燃烧模型)或化学平衡计算来处理。因此比有限速率模型有更多的优势。该模型适用于非预混燃烧(湍流扩散火焰),可用于计算燃烧室内的燃烧。
非预混模拟方法是基于流体的瞬态热化学状态与守恒量有关的假设,即混合分数f。混合分数可根据原子质量分数写为:
               (2-13)
式中: --元素i的元素质量分数。下标ox表示氧化剂流入口处的值,fuel表示燃料流入口处的值。
通过求解混合物分数的时均值 和混合物分数偏差的均方值 的变化来确定混合物均值的变化。
混合分数f的时均值 的方程:
             (2-14)
脉动分量均方值 的方程:
   (2-15)
式中: 。常数 和Cd分别取0.85,2.86和2.0。
式(2-14)和式(2-15)给出了平均混合分数的分布,而确定反应流体的化学性质需要瞬态混合分数。用概率密度函数(PDF)处理化学反应与湍流之间的相互作用。
几率密度函数,写作p(f),可被考虑为流动花在状态f的时间分数。图2.2阐明了这一概念。f的脉冲值画在图的右侧,它依赖于f在一定范围内的某个时间分数。在图的左侧绘制P (f),表示在∆f范围内曲线下面积的值,等于在此范围内f的时间分数。写成数学型式为
       (2-16)
式中:
T--时间尺度
 --f花在∆f段内的时间总量
函数p(f)的分布依赖于f中湍流脉动的本质,实际上,p(f)被表示为一个数学函数,近似为试验中观察到的PDF形状。
 
图2.2  几率密度函数p(f)的图形描述 
假定PDF的形状p(f)由两个数学函数中的一个来描述:双δ函数和β函数,本文采用了β函数形式的几率密度函数,β函数PDF形状通过关于f和2f′的下述函数给定:
                (2-17)
式中: 
 
 
PDF燃烧模型的特点:
优点:可以预测中间组分的浓度,可以考虑流动中的耗散现象,可以考虑化学反应与湍流之间的相互作用。该方法避免了求解大量的组分和能量输运方程,节省了计算时间。
缺点:流动系统必须接近局部化学平衡状态,不能用于非紊流,也不能用于预混燃烧。
2.2.3辐射模型
辐射模型主要有:离散传播辐射(DTRM)模型、P-1辐射模型、Rosseland辐射模型、表面辐射(S2S)模型、离散坐标辐射(DO)模型,在本论文中采用能够符合要求且计算量较小的P-1辐射模型。
P-1辐射模型方程主要有以下两个方程:
辐射热流rq的方程:
3.2.3辐射模型
辐射模型主要有:本文采用离散传播辐射(DTRM)模型、p-1辐射模型、Rosseland辐射模型、表面辐射(S2S)模型和离散坐标辐射(DO)模型。采用p-1辐射模型,满足要求,计算量小。
P-1辐射模型方程主要有以下两个方程口:
辐射热流 的方程:
                     (2-18)
入射辐射G的输运方程:
        (2-19)
式中:
 -的参数,且 
 --吸收系数
 --散射系数
C--线性各相异性相位函数系数
 --斯蒂芬--玻尔兹曼常数
 --用户定义的辐射源相
使用P-1模型时,通过求解G的输运方程以得到当地辐射强度。
合并以上两个方程可以得到以下方程:
 
-Vqr的表达式可以直接带入能量方程,从而得到由于辐射所引起的热量源(汇)。
P-1辐射模型的流动入(出)口的净辐射热流的条件是假定在入(出)口的黑度均为1.0(绝对黑体)。
3.2.4污染物生成模型
 排放主要是一氧化氮(NO)。其次是二氧化氮( )和一氧化二氮( )。 会导致光化学雾,酸雨,臭氧损耗,因此, 二是一种污染物。 模型提供了一种理解 产生源和帮助设计 控制方法的工具。
 的生成是燃烧反应的一部分,是燃烧的必然产物。固定燃烧装置排放的 中90-95%为 ,因此研究 的生成机理及抑制途径主要是指NO而言。在研究实际燃烧过程中 的生成时,必须考虑反应的中间过程,用化学动力学的理论来研究。按生成机理划分,燃烧过程中生成 的途径有以下两条:一是有机地结合在矿物燃料中的杂环氮化物在火焰中热分解,接着氧化。二是供燃烧用的空气中的氮在高温状态与氧进行化合反应生成 ,生成的 主要是 ,约占95%,而N02约占5%。燃料生成的 有三个来源:热力型 ,快速型 和燃料型 。它们有各自的生成规律:
热力 (Thermal :通过氧化燃烧空气中的氮气而形成的。
快速 (Prompt :通过在火焰前锋面的快速反应形成的。
燃料 (Fuel ):通过氧化燃料中的氮而形成的。
 的生成在高温时以热力型为主:在空气消耗系数小于1情况下,快速 生产率较高;燃料型 生成过程比热力型 复杂,其 生成量取决于燃料中含氮量和燃料N所生成的 之比。
为了预测 的排放,需要解决NO浓度的输运方程, 的输运方程通过给定的流场和燃烧结果来解。换句话说, 的预测是燃烧模拟的后处理过程,因此准确的燃烧模拟结果是 预测的前提。所以必须提供给燃烧模型准确的热物理参数和边界条件。必须采用湍流、化学、辐射和其他子模型。即便这样,也仅可以得到与输入数据和选择的物理模型一样精度的结果。准确的预测 参量的变化的趋势可以减少实验室试验的次数,方使更多的设计变化的研究。缩短设计周期,减少产品开发的费用。
 组分的输运方程为:
       (2-21)
对于天然气的燃烧过程,一般认为主要生成的 为热力型和燃料型两种,由于天然气中氮的有机化合物含量极少,决定了对天然气燃烧的主要燃烧对象是热力型 。
热力型 的生成机理是由原苏联科学家Zeldovich提出的。
              (2-22)
               (2-23)
在富燃料火焰中还有以下反应:
              
一般理论认为, 随着火焰温度的增高而增加,当燃烧温度低于1500°C时,热力型 生成量极少;当温度高于1500°C时,随着温度升高, 按指数规律迅速增加。实验表明,温度在1500°C附近变化时,温度每增加1000°C,生成 反应速度将增大6—7倍。当温度为2000°C时, 生成极为迅速。其生成量可以按Zeldovich动力学模型进行估算:
       (2-25)
式中:
 分别为氧气、氮气和一氧化氮的浓度 
T--绝对温度(K)
t--时间(s)
R--通用气体常数 
热力型 生成的主要影响因素是温度、过剩空气系数和停留时间。随着温度的升高, 生成量急剧升高,在1800K左右时,温度每升高100K,反应速度将增大6-7倍。在燃烧过程中,如果出现局部高温区,则在这些区域会生成较多的 ,它可能会对整个燃烧室内的 生成起关键性作用。过剩空气系数对 的影响也很明显,理论上说热力型 生成量与氧浓度的平方根成正比,即氧浓度增大在较高温度下会使氧分子分解所得的氧原子浓度增加,使热力型 的生成量增加,而在实际过程中情况会更复杂一些,因为过量空气系数增加一方面增加氧浓度,另一方面会使火焰温度降低,从总的趋势来看,随着过剩空气系数的增加, 的生成量先增加,到一个极值后会下降。气体在高温区域的停留时间对热力型 生成的影响主要由于 生成反应还没有达到化学平衡而造成的,气体在高温区停留时间延长或提高燃烧温度, 生成量迅速增加。在同一过剩空气系数下,在停留时间较短时,热力型 农度随着停留时间的延长而增大;但当停留时间达到一定值后,停留时间的增加对 浓度不再有影响。
2.3控制方程的求解
2.3.1控制方程的离散
所谓数值方法就是用代数方法求解一组离散的偏微分方程。目前的离散化方法主要有有限差分法、控制体积法和有限元法。本文采用控制体积法对偏微分方程进行离散。
控制体积法又称有限体积法。其基本思想是将计算区域划分为一系列不重复的控制体,并在每个网格点周围形成一个控制体。通过对各控制体的微分方程进行积分,将微分方程转化为差分方程,得到一组离散方程。其中的未知数是网格点上的因变量的数值。为了整合宇宙的控制体积,我们必须假设网格点之间的值的变化规律,即假设值的分段分布轮廓。从整体区域选择法来看,控制体积法属于加权残值法的子区域法。从未知解的逼近法来看,控制体积法属于利用局部逼近的离散法。总之,分区法属于控制体积发丝的基本方法。控制体积法的基本思想简单易懂,可以得到直接的物理解释。离散方程的物理意义是因变量在有限尺寸控制体积中的守恒原理,正如微分方程代表因变量在无穷小尺寸控制体积中的守恒原理一样。通过控制体积法得到的离散方程要求对任意一组控制体积以及整个计算区域满足因变量的积分守恒。这是控制体积法吸引人的优点。一些离散方法,如有限差分法,只有在网格非常细的情况下才满足离散方程的积分守恒。控制体积法甚至在粗网格的情况下也显示出精确的积分守恒。有限元法必须假定各网格点(均为插值函数)之间的数值变化规律,并以此作为近似解。控制卷方法只考虑网格点上的值,而不考虑这些值在网格点之间如何变化。控制体法只寻找节点值,类似于有限差分法,但在寻求控制体的积分时,控制体法必须假定网格点之间的值分布,类似于有限元法。在控制体积法中,插值函数仅用于计算控制体积的积分。你可以对微分方程中的不同项使用不同的插值函数。
离散化格式有一阶上风(First Order Upwind)、二阶上风(Second Order Upwind)、POWER定律和QUICK格式四种。由于本文模拟的燃烧器采用四面体网格,且气流沿网格线倾斜,故计算采用二阶迎风方案。
2.3.2 SIMPLE算法
本文的计算方法采用简单算法,具体步骤如下:
(1)假设速度分布,计算动量离散方程的系数和常数;
(2)假定一个压力场 ;
(3)依次求解三个动量方程,得到 ;
(4)求解压力校正方程,得到 ;
(5)由 计算压力;
(6)利用速度校正公式,由 的值计算u,v,w;
(7)利用校正后的速度场求解那些与速度场耦合的 变量(如k、£、T,C等);把校正过的P作为新的试探压力 ,回到第三步,重复上述过程,直到收敛为止。
2.3.3施加边界条件
边界条件定义了物理模型中的流动和热参数。对模型应用边界条件。在这种情况下,应考虑模型的所有边界条件。本文的边界条件包括:进口条件、出口条件和壁面条件。
(1)入口边界条件
第一类边界条件是入口边界条件,主要用于设置流动边界的速度、温度、压力、温度、湍流、质量分数和用户标量分布。入口条件主要有速度入口、压力入口和质量入口。本文研究了不可压缩流体的湍流燃烧,速度入口条件适合于已知的空气和气体体积。在速度入口条件下,需要空气和燃气入口的速度和温度值,以及一些湍流模型和湍流燃烧模型所要求的参数。根据燃料流量和入口孔径计算空气和气体的速度值。
(2)出口边界条件
出口条件包括压力出口条件、无限距离压力条件和流出边界条件。压力出口条件适用于出口静压已知的情况,在出口回流存在的情况下,可以用这种边界条件加速收敛速度;可压缩流体的流动采用无限距离压力条件,可压缩流体在无限距离自由流动采用该模型;当喷嘴处流出边界条件的压力和速度未知且完全发育时,可以使用这种条件。燃烧器喷嘴处的边界条件定义为压力喷嘴条件,静态压力值为0,即大气压力值。
(3)壁面条件
所有墙体条件均考虑为防滑条件,根据实际参数规定各不同墙体的温度,认为墙体表面为漫反射面。
2.3.4收敛情况
在代数方程的迭代求解过程中,人们往往希望在前后两次迭代之间加快或减缓最大值的变化,这一过程称为过度松弛或欠松弛,欠松弛是解决非线性问题的有效方法。在燃烧问题中,由于温度的剧烈变化,密度波动较大,计算中密度的最佳松弛因子在0.5~0.8之间。相应的能量方程也应调整松弛因子,过小的松弛因子会影响计算速度,但在合理的计算模型和网格质量间隙的情况下,不会出现发散问题。在本文中,松弛因子的取值如下表2-1所示:
表2-1松弛因子的取值
松弛因子 松弛因子
Pressure 0.3 Pollutant NO 0.9
Density 0.5 Energy 1
Momentum 0.2 Pl 0.8
Turbulent Kinetic Energy 0.4 Turbulent  Dissipation Rate 0.4
Mean Mixture Fraction 1 Mixture Fraction Variance 0.9
在解决问题的过程中,程序计算每个总迭代中每个自由度的收敛检测量。速度、动能耗散率等。离散化后变量0在单元P的守恒方程为 ,残差R的定义为 ,即P的计算值和单元值得差值,定义一个比率残差:
               (2-26)
按照能量方程和辐射方程的收敛标准为 ,其余的都为 ,得到的收敛曲线如图2.3所示。从收敛曲线可以看出,迭代到1800步左右的精度满足要求。
 
图2-3   残差
3  计算结果及分析
对于本文的高速燃气燃烧器,在初始设计中以LPG作为燃料,在实际应用中以入口速度和功率作为已知条件。更换天然气后,气体的入口直径对燃烧和污染物排放有一定的影响,因此本文主要进行不同入口直径的模拟分析、温度场及 排放的重要因素,在本论文中也将对这一因素进行分析。
本论文研究的燃烧器的已知燃气点火入口流量 ,燃烧入口流量 ,空气入口流量 ,燃烧器的额定负荷为200000 kcal/h(合233.33kW),模拟计算采用的空气含氧量为21%,选用的燃料为液化石油气,其主要成分为: 占75%, 占25%,用于替换的天然气主要成份为: 占96.5%, 占1.3%, 占1.7%, 占0.1%, 占0.1%, 占0.3%o根据燃料的成分,用PrePDF软件包建立了PDF文件,其中化学模型选择了化学平衡状态(平衡化学)模型。该模型假设化学反应足够快,以确保化学平衡状态始终保持在分子水平,然后用混合分数/得到各组分的摩尔分数。化学平衡状态模型可以预测中间组分的形成,而不知道详细的化学动态反应速率值。
3.1燃烧器的相关计算
根据燃烧器的相关已知条件,进行相关计算,得到燃气,风速等参数,计算步骤如下:
已知液化石油气点火入口的半径 ,流量 ,可得点火入口的面积为:
 
液化石油气点火入口的速度为:
 
液化石油气入口数量为6个,半径与点火入口相同,流量为 ,可以计算出液化石油气入口速度为: 
 
空气入口流量 ,环形空气入口内径r=20mm,外径R=77mm,可以得到空气入口的面积为:
 
空气入口的速度为:
 
 
液化石油气的热值约为 ,于是可以得到燃烧器的功率为:
 
可见,燃烧器未达到额定功率kW233.33。
3.2不同燃料对燃烧室内速度场、温度场的影响
如果燃烧器尺寸不变,则用天然气代替液化石油气作燃料,假设更换后的气体和进气速度都不变,则以z=0的中间段作为调查对象。图3-1和图3-2是速度矢量而不是前后,图3-3是使用液化石油气时空气和上部气体入口的放大图。
 
图 3-1  使用液化石油气时的速度场
 
图 3-2  使用天然气时的速度场
 
图 3-3   旋涡区放大图 
从图3-1中可以看出,空气从挡板周围流出,在挡板前面产生负压涡旋区域。 气体和空气在涡旋区充分混合,而沿壁移动的空气层被挡圈拦截,增加了涡旋。 图3-3显示了负压涡在圆盘前面的流动情况。由图3-1和图3-2比较可以看出,在入口速度不变的情况下,显然,天然气作为燃料的出口率(最高为86.46m/5)远低于液化石油气作为燃料的出口率(最高为每秒135.60),因为天然气的主要成分是甲烷,而液化石油气的主要成分是丙烷和丁烷,其充分燃烧的化学方程式是:
2CH4 + 302 = 2CO2 +2H2O (3-1)
C3H8 + 5(92 = 3CO2 +4H2O (3-2)
2C4H10 +13O2 =8CO2 +10H2O (3-3)
由于模拟的条件中过剩空气系数 ,天然气也是低热量燃料,所以两种燃料都可以充分燃烧,因此根据这三个方程可以看出,气体燃烧后的总气体体积减少,液化石油气的总气体体积增加,这使得使用天然气的燃烧室内的压力在相同的入口速度下低于使用液化石油气时,导致周口的速度不同。然而,在这两种情况下,出口速度都能满足高速燃烧器的要求.
 
从图3-4可以看出,在燃烧器前面,由于空气的回流,气体被吸入挡板的前侧并产生燃烧。不能轧制或燃烧的气体经过挡圈后与热风充分混合,产生的高温气体高速从出口喷出。同时可以看出,燃烧的高温区基本处于燃烧器的中部,燃烧器的壁温相对较低。由图4-6所示氧气的质量分数可知,近壁一侧氧气的质量分数很高,即这些地方空气基本不燃烧,所以近壁一侧的气体温度在燃烧的中部不高..图4-4和图4-5显示了使用不同燃料时的温度云图。可见,在使用液化石油气时,高温区主要分为挡圈前后两部分。负压涡旋区燃烧面积短,混合充分,燃烧强烈,达到的温度很高。天然气使用时,高温区连接,在到达出口前基本烧坏,导致出口温度较低,工作能力较低,这主要是由于天然气热值低的特点。由于相同的流量,对天然气来说空气过量(通过计算,过量空气系数为2.87),因此进入涡区的天然气只消耗少量的空气,大部分未进入涡区的天然气在流经护环之前与流出的空气混合..此外,使用天然气时燃烧室内的最高温度(约1851.84K)高于使用液化石油气时(1842.39),这也是以天然气为燃料时 质量分数较高的原因。(使用天然气的出口 质量分数平均值为6.45x10-6,使用液化石油气时为2.75x10-7)。
从图3-7可看出,此时 主要在挡盘前的负压旋涡区生成,主要是由温度和停留时间造成的,这两者也就是在第三章的污染物生成模型中提到热力型 的影响因素。由图3-9、图3-10、图3-11可以看宙,在负压旋涡区温度最高, 质量分数也最高。虽然在挡环前侧温度也达到最高值,但从速度图上可以看宙离宙口越近速度越大,因此在挡盘前侧得停留时间要比挡环前侧长,这也就导致了挡环前的 质量分数并不是很高。
 
 
在图3-7和图3-8中 大量生成区位置是不同的,这不仅证明了天然气在涡流区的燃烧不如液化石油气强烈,而且表明天然气燃烧的强烈区域在保留环附近,这也是最高温度的位置。
结论:上面的比较可以看出。当流量一定时,天然气燃烧器出口速度较低,温度场分布不理想。燃烧是完成前喷嘴使工作点的燃烧器不能定位在稳定的燃烧区, 的质量分数也要高于液化石油气燃烧器。同时得出使用天然气时燃烧器功率为82.34 W的结论,仅占工程使用液化石油气时功率的37.6%,表明在流量恒定的情况下,使用天然气代替液化石油气不能达到燃烧器所要求的工作状态。
3.3在达到相同功率时天然气燃烧器的相关计算与模拟
为了使燃烧器能正常工作,达到工业要求,下面根据燃烧器的功率来计算天然气的入口速度,并对其进行模拟。
3.3.1相关计算
已知燃烧器的功率为Q=219.28kW,天然气的热值为Ht=35800kJ/m3,可以得到天然气的流量为:
 
已知采用液化石油气时,点火入口和燃气入口流量之比约为1:13,假设采用 天然气后仍保持这个比例,则可以得到点火入口流量 和燃气入口流量 :
 
 
已知点火入口面积  ,燃气入口面积 , 可以得到两个入口的速度 和 :
 
 
根据单位体积天然气理论需要空气量  ,以及过剩空气系数 , 可以得到空气的流量为:
可得到空气入口速度为:
 
3.3.2对速度场和温度场的影响
在采用天然气的计算中,将边界条件设为以上得到的计算值,其余设定不变, 得到的中间界面的温度场和速度场和 质量分数的分布如下所示:
 
从图3-12和3-1可以看出,当使用计算出的空气和天然气的速度时,中间部分的速度场与使用液化石油气时的速度场基本相同,并且嘴的速度基本上是一样的实现相对较高的速度。从图3-13和图3-4的比较可以看出,周的两种情况下的高温带分布基本相同,出口处可以达到1400K以上的高温。可以看出,在该流速下,天然气可以代替液化石油气用于该高速燃烧器,并且可以实现预期的燃烧器功率。图3-7中 大量生成区的位置要比使用液化石油气时离挡盘远,产生这种情况的原因是要达到相同的功率,天然气的入口速度要大,因此负压旋涡区对它的影响要弱一点,即天然气未回流到接近挡盘时就开始充分混合燃烧。不过由于天然气中有少量的氮气存在,所以出口处的 的质量分数比使用液化石油气时稍高一点,但依然符合国家关于污染物排放的规定,且属于低 的范畴。
结论:采用天然气理论计算得到的流量时,燃烧室内的速度场和温度场与LPG燃烧器的速度场和温度场基本相同,不仅可以保证出口速度,而且可以保证燃烧器的运行。点是在燃烧稳定区,而且 的质量分数也能满足要求。
3.4不同燃气入口直径对温度场、速度场及 质量分数的影响
气体的入口直径对燃烧器的燃烧和污染物的产生有很大的影响。本文计算了燃烧器额定功率(233.33kW)和已知实际功率(219.2%W)下的温度场,计算了燃气入口直径五种尺寸下的温度场、速度场及 模拟分析了气体质量分数,选择了最佳的气体入口金刚石。相关的计算结果如下表所示。
表3-1额定功率0 = 233.33kW时的计算结果
直径 =4mm
 =5mm
 =6mm
 =7mm
 =8mm
 
点火入口面积 12.56 
19.63xl06m 
28.26 
38.47 
50.24 
 
燃气流量
 
点火入口速度 37.1m/s 23.75m/s 16.49m/s 12.11m/s 9.27m/s
燃烧入口速度 80.28m/s 51.38m/s 35.68m/s 26.21m/s 20.07m/s
空气流量
 
空气入口速度 35.68m/s
 
表3-2 Q=219.28kW时的计算结果
直径 0=4mm 0=5mm 0=6mm 0=7mm 0=8mm
燃气流量 6.13x10-3m/s
点火入口速度 35.03m/s 22A2m/s 15.57m/s 11.44m/s 8J6m/s
燃烧入口速度 15.50m/s 48.32m/s 33.56m/s 24.65zn/s 18.9m/s
空气流量 6.41xl02m3/5
空气入口
速度 3.69mls
模拟得到的额定功率时各个尺寸下的流动、燃烧及污染物生成情况的分布图如下: 
 
从速度场和温度场分布图可以看出,在达到所需功率的前提下,各种尺寸进气道的燃烧器速度场比较均匀,而且,开孔速度和温度相差不大,能够满足高速燃烧器的要求。但由于直径的增大,天然气入口的速度不断减小,进入涡流区的天然气越来越丰富,从而使该区域的燃烧越来越充分,如附图所示, =4mm时挡盘前的高温区最小,这个规律到 =7mm时都是成立的,但是当 =8mm时,旋涡区的高温区域突然变小,造成这种结果是因为天然气流速太低,使得旋涡区的天然气含量过高,于是一部分的天然气无法充分燃烧。同时由于 =4mm加加时天然气入口速度最大,因此,中间部分天然气和空气充分混合燃烧的位置最靠近端口,这也说明燃烧器没有燃烧喷出的天然气最多,火焰最不稳定。从所有图中可以看出 =5mm, =6mm, =7mm时的温度分布比较均匀,能使燃烧器稳定、正常运行。 =219.2kW时的速度温度分布情况基本与额定功率时相同。
下面对 的质量分数进行比较,两个功率时 质量分数分布图见附录。根据计算得到的数据可以得到以下的曲线图。图3-20是出口平均 质量分数随燃气入口直径的变化,图3-21是燃烧过程中生成 的最大质量分数随燃气入口直径的变化。
 
图3-20   不同功率下 质量分数随燃气入口直径的变化
 
图3-21   燃烧室内 最大质量分数随燃气入口直径的变化
从图3-20和图3-21的比较中可以很明显地看出无论是 在出口处的平均质量分数还是在燃烧室内的最大质量分数,在 <6mm时,质量分数是随直径的增加而减小的,且减小的速度较快,当 >6mm后,这两个质量分数又开始随直径的增加缓慢增大,而在 =6mm处达到最低点,也就是说生成的 是最少的,此时在每个功率下,出口处的 质量分数都低于 。 =4mm时对应的这两个质量分数是最高的,比其它四种尺寸的情况都高宙一个数量级。因此可以得出当改用天然气为燃料时,燃气入口直径为六毫米时是最环保的,同时在图中也可以看出无论哪种燃气入口,额定功率下的燃烧器(Q= 233.33kW)在燃烧过 程中生成的 的质量分数总是比实际功率时的小。造成 质量分数不同的原因是燃烧室内温度的不同。根据 的生成机理,由于在第三章提到天然气含有氮的有机化合物很少,所以产生的 主要是以热力型 为主,而热力型 的生成与温度有着很大的关系,温度越高,生成的也就越多。
3-22示出了燃烧室最高温度随气体入口直径的变化,根据图中的曲线,当 =6mm时的两种情况下最高温度均为最低,且无论气体入口的大小,燃烧器在额定功率时燃烧室的最高温度均低于其它功率时的最高温度。因此在 =6mm或者额定功率时,较低的最高温度抑制了 的产生,于是也就有较小的 的质量分数。
 
图 3-22  燃烧室内最高温度随燃气入口直径的变化 
结论:在额定功率和实际已知功率下, =6mm时产生的 质量分数最小,同时虽然最高温度较低,从图3-23和图3-24可以看宙,此时燃烧室中间截面的速度场和温度场都比较理想,出口处的温度和速度也都能达到要求(额定功率时,出口处的最大速度是145.31m/s,平均速度也能达到92.08m/5,平均温度是1371.5K),因此,在不改变其他结构尺寸的情况下,该燃烧器改用天然气后在一定的功率范围内使用直径为六毫米的燃气入口是最佳的,是最环保的,图3-25显示了燃气入口直径为六毫米的燃烧器在额定功率时的出口 平均质量分数。
 
图4-23 额定功率φ=6mm时的速度场      图4-24额定功率φ=6mm时的温度场
 
图 3-25  额定功率φ=6mm时出口 质量分数
3.5在最佳入口尺寸下使用液化石油气时的燃烧情况
现在以φ=6mm的燃烧器为模型,分析额定功率下燃烧器采用液化石油气为燃气时燃烧室中间截面的温度、速度和 质量分数的分布,并将得到的数据与之前得到的结果进行比较。已知液化石油气的热值 相关计算结果见表3-5。
表3-5  以液化石油气为燃气时的相关计算结果
流量 结果 速度 结果
点火入口流量 1.75xl04m3/s 点火入口速度 6.19m/s
燃烧入口流量 2.27x107m3ls 燃烧入口速度 14.45m/s
空气入口流量 6.9xIO-2m3/s 空气入口速度 3.98m/s
根据图3-26、图3-27和图3-28显示的温度、速度和 质量分数分布可以看宙,当使用液化石油气时,采用6毫米直径的燃气入口依然可以使得温度场比较均匀,燃烧状况正常,宙口速度及 质量分数分布也达到要求,可以使燃烧器正常工作。
 
模拟计算得到的中间截面及出口的相关数据见表3-6。 
表 3-6  中间截面和出口处的相关数据 
中间截面 数据 宙口 数据
最大速度(m/s) 153.13 平均速度(m/s) 98.26
最高温度(T) 1874.38 平均温度(T) 1454.26
最高 质量分数
3.09x10-6 平均 质量分数
3.46x10-7
从表3-6可以看到当采用液化石油气为燃气时,燃烧器的出口平均速度和温 度都很高,都能使燃烧器正常工作,而出口处的平均 质量分数依然还是处在 的数量级,与使用天然气时( )相差一个数量级。
结论:在保证燃烧器正常工作的前提下,从污染物排放的角度来看,φ=6mm的燃烧器对于天然气和液化石油气都能保证较低的 排放,有利于增强高速燃烧器的适用性。
 
4 结论与建议
4.1论文结论
本研究旨在研究燃烧器对各种气源的适用性,选择有利于提高燃烧稳定性,增强燃烧器适应性的参数,使高速燃烧器在使用液化石油气和天然气时能稳定燃烧。
通过对高速燃气燃烧器不同情况的数值模拟计算,主要结论如下:
1)在相同的燃气和空气入口速度下,高速燃气燃烧器使用天然气时的功率低于使用液化石油气时的功率,在本文已知条件下,其功率仅为使用液化石油气时的36.7%。
2)在燃烧器结构参数不变的情况下,使用天然气时应达到与液化石油气相同的功率,且天然气入口流量应大于液化石油气入口流量。
3)以天然气为燃料时,功率在一定范围内变化,燃烧器进气直径有一个最佳值,此时燃烧器N0*排放较低,能稳定燃烧器燃烧。
4)最佳进口直径的取值也能使LPG燃烧器在额定功率下稳定正常工作。
5)过量空气系数对燃烧影响较大,燃烧器工作时,过量空气系数应尽量保持在1.1左右的范围内。
6)入口质量分数和燃烧室最大质量分数随燃烧室最高温度的变化趋势相同,最高温度越低,两个质量分数越小。
4.2进一步研究的建议
本文采用P-1辐射模型对燃烧器进行了数值模拟。虽然计算量相对较小,能满足要求,但存在一定的误差,在以后的研究中可以采用计算量大但更准确的离散坐标辐射模型。
由于时间关系,只考虑气体入口直径对燃烧的影响,不分析其他因素。在以后的研究中,可以分析可能影响燃烧条件的入口形状和其他结构参数,从而更好地提高燃烧器的适用性。
模拟燃烧过程中的燃烧,除了对 质量分数进行分析之外,还可以对CO等其他污染物的质量分数进行模拟和分析。
采用CFD软件对这种高速燃气燃烧器进行分析和优化..如果能通过实验验证,并结合理论和实践,内容将更加充实。
 
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