本文關(guān)鍵詞：耦合詳細(xì)反應(yīng)機理的非預(yù)混富氫燃燒的大渦模擬

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【摘要】：化石燃料燃燒在未來很長時間內(nèi)依舊是當(dāng)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(dāng)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(shè)備或CO2收集設(shè)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(yīng)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(jié)構(gòu)的能力,又能通過亞格子模型獲得小尺度渦團(tuán)信息,已成為當(dāng)前研究H2和H2/CO非預(yù)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�(yīng),能夠直接求解流場中分子擴散和化學(xué)反應(yīng),非常適合研究非預(yù)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(zhǔn)確描述火焰燃燒特征需要詳細(xì)反應(yīng)動力學(xué),加之H2和H2/CO燃燒反應(yīng)動力學(xué)研究能為其它碳?xì)浠衔飳嶋H應(yīng)用提供參考,因此文中主要采用詳細(xì)反應(yīng)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(jìn)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(yīng)動力學(xué),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(jìn)的湍流燃燒模擬工具。然后對新的計算方法進(jìn)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(fù)雜流動結(jié)構(gòu)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(yù)混火焰Flame M2和Flame CHN2進(jìn)行大量數(shù)值計算,利用公開的燃燒實驗數(shù)據(jù)驗證了新發(fā)展的模擬方法的準(zhǔn)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(xì)反應(yīng)機理在內(nèi)所有模型都能夠用來描述富氫燃料非預(yù)混火焰中的擴散及化學(xué)過程。先后改變?nèi)剂现蠬2和CO比例,從流動-化學(xué)相互作用的角度分析了富氫燃料在不同混合分?jǐn)?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(jié)構(gòu),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(jìn)而能促進(jìn)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(yīng)機制不會發(fā)生明顯變化。伴流加入H20能生成大量OH和HO2,導(dǎo)致化學(xué)動力學(xué)發(fā)生較大變化,并很大程度上促進(jìn)了CO的氧化,以及NO排放。在充分調(diào)研H2/O2燃燒機理后,最終采用業(yè)界公認(rèn)的GRI3.0燃燒機理,以及兩組H2/O2詳細(xì)反應(yīng)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(jìn)行模擬計算,以此評估不同反應(yīng)動力學(xué)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,說明常見的機理都能給出合理的火焰結(jié)構(gòu)。只有簡化機理預(yù)測的溫度極值偏高200-300 K。分析中間組分H、OH和H02空間分布和對混合分?jǐn)?shù)標(biāo)量分布以及化學(xué)通量項空間變化,量化比較五組機理的表現(xiàn)。結(jié)果表明簡化機理在HO2自由基的混合分?jǐn)?shù)分布上與詳細(xì)機理偏差較大。不同機理在H2-02直接反應(yīng)部分和主要組分演化上基本一致,但在中間組分尤其是H02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(xué)反應(yīng)相互影響上總體表現(xiàn)最為優(yōu)異。在簡單均相反應(yīng)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(yīng)機理的適用范圍和不確定性。考慮到實際燃燒設(shè)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(yīng)機理對點火延遲時間的預(yù)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(dāng)量比的關(guān)系應(yīng)用到三維燃燒場景中。再計算不同機理預(yù)測的火焰前鋒傳播速度,也能得到類似結(jié)論。本次研究凸顯了詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機理在模擬非預(yù)混火焰發(fā)展中的重要性,也能夠為研究設(shè)計H2或H2/CO合成氣燃燒設(shè)備提供一些實際的參考。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TK16

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本文編號：1231938