第21卷第2期燃燒科學(xué)與技術(shù)2015年4月Journal of Combustion Science and TechnologyApr.2015DOI 10 11715/rskxjs. R201406018湍流模型對(duì)數(shù)值模擬合成氣射流火焰的影響李祥晟,李國(guó)強(qiáng)(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,西安710049)摘要:采用不同的雷諾平均湍流模型數(shù)值模擬美國(guó)圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的合成氣(CO、H2、N2按體積比4:3:3混合而成)非預(yù)混射流火焰.以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分析討論不同湍流模型對(duì)數(shù)值模擬該射流火焰的影響.結(jié)果顯示不同的湍流模型對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響非常大,其中只有4種模型能夠比較精確地模擬岀該火焰.對(duì)于 Standard k-ε模型,將模型常數(shù)C的值由1.4改為l.60可以顯著提升其計(jì)算精度,但是同樣的改進(jìn)對(duì)于雷諾應(yīng)力模型并不完全適用.同時(shí),雖然雷諾應(yīng)力模型計(jì)算量比雙方程模型大,但并沒(méi)有得到更好的計(jì)算結(jié)果.綜合考慮計(jì)算結(jié)果與計(jì)算量,以 Standard k-ω模型的模擬效果最好.關(guān)鍵詞:雷諾平均;湍流模型;合成氣;射流火焰;數(shù)值模擬中圖分類號(hào):TK16文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1006-8740(2015)02-0124-07Influence of Different raNs models on theSimulation of Syngas Jet FlameLi Xiangsheng, Li Guoqiang(School of Energy and Power Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049,ChiAbstract: This paper numerically studied the nonpremixed jet flames of CO/H2/N2 fuel(4: 3: 3 by volume)obtained experimentally by Sandia National Laboratories with different RANS models, whose influence on thesimulation was analyzed based on the experimental data. Simulation results illustrate that different RaNS models leadto completely different results, only 4 of which agree well with the experimental data For Standard k-E model, thechange of Cel from 1.44 to 1.60 improves the numerical result observably, while the same change does not completely applicable to Reynolds stress model. At the same time, despite its larger amount of calculation than two-equation models, Reynolds stress model does not obtain more accurate result. In conclusion, Standard k-c modelcan simulate jet flame most accurately with moderate calculationKeywords: Reynolds average; turbulent model; syngas; jet flame; numerical simulation合成氣是以氫氣和一氧化碳為主要燃燒成分的也方興未艾混合氣體,可以通過(guò)天然氣、煤、石油、有機(jī)物和有機(jī)為了硏究合成氣燃燒特性以及為相關(guān)的數(shù)值研垃圾等獲得.在生產(chǎn)合成氣的過(guò)程中,硫、氮等容究提供實(shí)驗(yàn)依據(jù), Barbot等2在美國(guó)圣地亞國(guó)家實(shí)易造成大氣污染的成分都已經(jīng)被除去,所以合成氣是驗(yàn)室完成了合成氣射流火焰(簡(jiǎn)稱“chn火焰”)實(shí)種潛在清潔能源尤其近年來(lái),受溫室氣體二氧驗(yàn).該射流火焰幾何結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,非常適合于檢驗(yàn)各種化碳排放的限制以及能源短缺的影響,合成氣以其可數(shù)值計(jì)算模型的準(zhǔn)確性,詳盡的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以通過(guò)其以從生物質(zhì)能等可再生能源獲取和較低的碳排放等網(wǎng)站獲得.在此實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,Kim等分別使用優(yōu)點(diǎn)受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注,對(duì)于合成氣燃燒的研究穩(wěn)態(tài)層流小火焰樟刑( steady laminar flamelets model)中國(guó)煤化工收稿日期:201406-27.CNMHG作者簡(jiǎn)介:李祥晟(1972—),男,講師,is@mail.xjtu.edu.cn.通訊作者:李國(guó)強(qiáng),男,博士,講師,liguoqingfly@l63.com2015年4月李祥晟等:湍流模型對(duì)數(shù)值模擬合成氣射流火焰的影響125和非穩(wěn)態(tài)層流小火焰模型( unsteady laminar flamelets湍流尺度,對(duì)于幾乎所有的工程應(yīng)用以及其他高雷諾mode)模擬了該射流火焰,發(fā)現(xiàn)兩種小火焰模型均能數(shù)流動(dòng)來(lái)說(shuō)是不可能實(shí)現(xiàn)的.所以需要過(guò)濾掉部分準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)火焰的溫度場(chǎng)及主要的化學(xué)反應(yīng)組分分或是全部湍流尺度.過(guò)濾掉部分湍流尺度的典型方布,其中的穩(wěn)態(tài)層流小火焰模型也將作為本次數(shù)值計(jì)法是大渦模擬,大渦模擬只計(jì)算大尺度脈動(dòng),小尺度算的湍流化學(xué)模型. frassoldati等則分別用渦耗散脈動(dòng)仍然采用亞格子模型求解12.相對(duì)于直接數(shù)值模型( eddy dissipation model)、渦耗散概念模型模擬,大渦模擬的計(jì)算量大幅降低,但這樣的計(jì)算量( eddy dissipation concept model)和穩(wěn)態(tài)層流小火焰模仍然不適于大范圍的應(yīng)用.工程中比較流行的做法型研究了該湍流非預(yù)混合成氣火焰,其中,渦耗散概是使用雷諾平均( Reynolds average)方法過(guò)濾掉幾乎念模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合較好,穩(wěn)態(tài)層流小火所有的湍流尺度,從而獲得一個(gè)平均的速度、壓力焰模型計(jì)算的火焰軸線上的溫度偏高,而渦耗散模型場(chǎng).但是雷諾平均處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生多余的未知項(xiàng)的計(jì)算結(jié)果最差,不論是溫度分布還是主要化學(xué)反應(yīng)即雷諾應(yīng)力項(xiàng),需要多余的方程來(lái)封閉輸運(yùn)方程,也組分分布都明顯偏離實(shí)驗(yàn)值.Zhao等使用輸運(yùn)概就是所謂的湍流模型.工程上比較流行的湍流模型率密度函數(shù)模型( transported PDF model)模擬了該火是雙方程模型,即keε模型和kω模型.其中,3種k焰,并建議可以從湍流模型、輻射換熱模型以及化學(xué)ε模型貝有相似的形式,玓求解湍流動(dòng)能κ及其耗散反應(yīng)機(jī)理方面進(jìn)一步改進(jìn)數(shù)值模擬結(jié)果. Giacomaκzi速率ε兩個(gè)模型輸運(yùn)方程,但是它們計(jì)算湍流黏性的等用大渦模擬方法硏究了該火焰,同時(shí)揭示了其穩(wěn)方法不同,控制k和ε湍流擴(kuò)散的湍流普朗特?cái)?shù)以及定特性,盡管燃料噴嘴端面非常薄,數(shù)值結(jié)果顯示正ε方程中的生成項(xiàng)與耗散項(xiàng)也不同.2種kω模型也是在這個(gè)端面處存在一個(gè)小的回流區(qū),并且有漩渦以具有相似的形式.雷諾應(yīng)力模型分別求解各個(gè)雷諾較高的頻率從這個(gè)回流區(qū)脫落到主流中,從而持續(xù)地應(yīng)力輸運(yùn)方程和一個(gè)耗散率方程來(lái)封閉雷諾平均N維持射流火焰的穩(wěn)定. Marzouk和 Huckaby以該射S方程,由于需要求解更多的方程,雷諾應(yīng)力模型的流火焰為基礎(chǔ)比較了⑧種合成氣化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的化計(jì)算量比雙方程模型大.盡管如此,計(jì)算精度卻受制學(xué)動(dòng)力學(xué)特性,其中3種是簡(jiǎn)化機(jī)理( reduced mecha-于其內(nèi)部的壓力應(yīng)變和耗散率模型.本文考慮了3nism),另5種是骨架機(jī)理( skeletal mechanism).計(jì)算種壓力應(yīng)變項(xiàng)模型,分別是線性壓力應(yīng)變模型( linear結(jié)果表明骨架機(jī)理計(jì)算結(jié)果普遍好于簡(jiǎn)化機(jī)理,盡管 pressure- strain model,簡(jiǎn)稱 RSM LPS模型)、二次壓如此,5種骨架機(jī)理也均過(guò)高地預(yù)測(cè)了火焰的最高溫力應(yīng)變模型( quadradic pressure- strain model,簡(jiǎn)稱度;另外,不同的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理對(duì)于計(jì)算結(jié)果的影響 RSM QPS模型)和低雷諾數(shù)S-o模型(low- Re stress非常大,這說(shuō)明在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)計(jì)算前,除了檢測(cè)計(jì) omega Model,簡(jiǎn)稱 RSM SO模型).更多的關(guān)于湍流算區(qū)域、網(wǎng)格疏密、時(shí)間步長(zhǎng)的敏感性外,還應(yīng)該比及湍流模型的知識(shí)請(qǐng)參考文獻(xiàn)[12-14較兩種或是更多的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理對(duì)于計(jì)算結(jié)果的影當(dāng) Standard k-ε模型用于模擬圓柱射流時(shí)響.其他以該射流火焰為依據(jù)的數(shù)值模擬研究還有 McGuirk等建議將模型常數(shù)Cl的值由144改為文獻(xiàn)[9-11等￥1.6, Dally等證實(shí)了這種改進(jìn), Hossain等還發(fā)現(xiàn)以上數(shù)值硏究大多釆用 Standard kε湍流模型,這樣的改進(jìn)能夠提髙計(jì)算的穩(wěn)定性,文獻(xiàn)[4-5,10使沒(méi)有考慮不同湍流模型對(duì)于計(jì)算結(jié)果的影響.本文用的 Standard k-ε模型也均是這一改進(jìn)后的模型.當(dāng)也以該射流火焰為依據(jù),研究各種不同的雷諾平均湍雷諾應(yīng)力模型使用一次、二次壓力應(yīng)變模型時(shí),其耗流模型對(duì)于數(shù)值模擬的影響,主要包括 Standard kε、散率方程與 Standard k-e模型的類似, Odedra等卟在rnG K-8、 Realizable k-ε、 Standard k-ω、SSTkω等雙進(jìn)行CH4/H2鈍體火焰硏究時(shí)發(fā)現(xiàn),同樣的改進(jìn)也能方程模型和雷諾應(yīng)力模型( Reynolds Stress Model,夠提髙雷諾應(yīng)力模型的計(jì)算結(jié)果.本文包含了這幾R(shí)SM)種模型改進(jìn)前后的計(jì)算結(jié)果對(duì)于湍流化學(xué)模型的選擇,雖然文獻(xiàn)巧5]認(rèn)為層1數(shù)值模型流小火焰模型計(jì)算的火焰溫度偏高,但 Hossain1在其CH4/H2火焰研究中認(rèn)為,層流小火焰模型計(jì)算的湍流是一種非常不規(guī)則的流動(dòng)現(xiàn)象口2,雖然原火焰溫度及主組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均與實(shí)驗(yàn)值吻則上可以通過(guò)N-S方程來(lái)描述,但是在現(xiàn)有的計(jì)算合得較好,所山中國(guó)煤化工穩(wěn)態(tài)層流小火條件下,通過(guò)直接數(shù)值模擬解出空間和時(shí)間上的所有焰模型化學(xué)小CNMHG37步14組126燃燒科學(xué)與技術(shù)第21卷第2期分的骨架機(jī)理,該機(jī)理由 frassoldati等發(fā)展而來(lái),Yom=0.22884,2m=0.76363本文使用的是其最新版本1oar=0.007532網(wǎng)格與邊界條件燃料入口溫度為292K,由CO/H2/N2按體積比4:3:3組合而成,其各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為chn火焰”有兩種,分別是A火焰與B火焰,它Ycofuel=0.55446,YH2et=0.02970,們的燃料完全一樣,并且具有相同的燃料出口雷諾0.415數(shù),但A火焰的燃料出口平均流速較高,為76ms(B燃料噴嘴直徑較小,入口速度很高,在噴嘴壁面火焰的燃料出口平均速度僅為45ms),模擬難度更附近流速變化非常劇烈,這里根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的速度大一些,本文選擇A火焰作為研究對(duì)象A火焰的燃值,采用多項(xiàng)式曲線擬合的方法給定燃料入口速度料噴嘴內(nèi)徑d=4.58mm,外徑為6.34mm,噴嘴壁厚v(ms)的邊界條件,擬合曲線為0.88mm,其火焰圖片見(jiàn)圖1104786-1.52313R-5.503R2(0≤R<1.:83)簡(jiǎn)化的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)及噴嘴處局部放大的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)=643903-10155+54206R2-09669見(jiàn)圖2.計(jì)算區(qū)域以噴嘴中心為原點(diǎn),軸向延伸(1.83≤R≤2.29)500mm,徑向延伸200mm,并且在噴嘴前方為空氣式中R是燃料入口邊界的半徑,mm.圖2中在貼近留出20mm的發(fā)展段.燃料噴嘴內(nèi)壁面處網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)比較密,就是為了捕捉到計(jì)算采用商業(yè)軟件 ANSYS FLUENT數(shù)值計(jì)算此處變化劇烈的速度前考慮了3套不同疏密程度的網(wǎng)格,分別是144由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不足,燃料入口湍流強(qiáng)度Ⅰ無(wú)法像280(徑向網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)×軸向網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù))、168×速度那樣采用虛線擬合的方法給定.這里根據(jù)實(shí)驗(yàn)380、184×430,對(duì)于kE模型和雷諾應(yīng)力模型,144×測(cè)得燃料入口雷諾數(shù)Re,通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式獲得280網(wǎng)格就可以得到網(wǎng)格無(wú)關(guān)解,但k-ω模型使用Ⅰ=0.16Re-18=0.6×16700-18=0.047=47%168×380網(wǎng)格才能得到網(wǎng)格無(wú)關(guān)解.為了統(tǒng)一起見(jiàn)對(duì)所有的湍流模型均采用168×380網(wǎng)格 Standard3計(jì)算結(jié)果與分析k-ω湍流模型的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證見(jiàn)圖3.計(jì)算結(jié)果包含11個(gè)算例,各個(gè)湍流模型計(jì)算的火焰溫度場(chǎng)見(jiàn)圖4,其中括號(hào)里的144、1.6分別指上文對(duì)模型常數(shù)Ca改進(jìn)前后的模型.表1是各種湍流模型計(jì)算的火焰最高溫度及最高溫度的位置,其中空氣入口,0.7m/s實(shí)驗(yàn)值的最高溫度與最高溫度的位置是由實(shí)驗(yàn)所測(cè)的溫度最高的4個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)按照3次曲線擬合后取極燃料入口,V=F(R)值得到.結(jié)合圖4、表1可以發(fā)現(xiàn),不同的湍流模型對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響非常大.其中, RSM QPS(1.6)模圖1chn火焰圖2計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格型計(jì)算的火焰長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng),而 Realizable k-、RNGk-g、Standard k-(1.44)、SSTk-、 RSM LPS(1.44)模型計(jì)1600算的火焰長(zhǎng)度又太短,能夠較好地預(yù)測(cè)火焰長(zhǎng)度的模強(qiáng)x1200型僅有 Standard k-e(1.6)、 Standard k-o、 RSM LPS■實(shí)驗(yàn)值(1.6)、 RSM SO模型,盡管如此,它們也均過(guò)高地預(yù)-144×280168×380測(cè)了火焰的最高溫度,同時(shí)發(fā)現(xiàn),文獻(xiàn)[15]中模型的184×43改進(jìn)確實(shí)能夠提升 Standard kε的計(jì)算結(jié)果,但是文獻(xiàn)[18]中提到的對(duì)雷諾應(yīng)力模型進(jìn)行同樣的改進(jìn)也能提升其計(jì)算結(jié)果的結(jié)論并不準(zhǔn)確,對(duì)于 RSM LPS圖3 Standard k-ω湍流模型的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證模型,這樣的空氣入口流速為07ms,溫度為290K,空氣中QPS模型并不中國(guó)煤化,但對(duì)于RSM含有部分水蒸氣,其各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為CNMHG上的溫度分布曲線更加簡(jiǎn)潔」L迎死,另外,使用雷2015年4月李祥晟等:湍流模型對(duì)數(shù)值模擬合成氣射流火焰的影響127諾應(yīng)力模型計(jì)算時(shí)要想達(dá)到二階精度,收斂比較困難,需要嚴(yán)格控制其松弛因子.有的松弛因子被調(diào)整到比較小的數(shù)值,比如動(dòng)量松弛因子、平均混合分?jǐn)?shù)松弛因子均為0.4,這樣能夠得到收斂的結(jié)果,但收斂的速度很慢,計(jì)算量很大,遠(yuǎn)大于雙方程模型.由于算例較多,全面地分析各個(gè)算例顯得啰嗦繁雜,同時(shí) RSM QPS、 Realizable k-ε、RNGk=ε等模型軸向距離/m的計(jì)算結(jié)果明顯地偏離實(shí)驗(yàn)值,所以下文主要針對(duì)Standard k-8(1.6)--SST k-corng kStandard k-8(1. 44)Standard k-8(1.6) Standard k-o RSM LPS(1.6)RSM SO這4種計(jì)算結(jié)果較好的模型做詳細(xì)的分析a)雙方程湍流模型的計(jì)算結(jié)果討論20001200軸向距離/m1234567891011模型RSM SORSMQPS I44.- RSM LPS 1.6模型1-11分別對(duì)應(yīng) Realizable k、 RNG k-8、 Standard A-e(1.6)(b)雷諾應(yīng)力湍流模型的計(jì)算結(jié)果Standard k-g(1.44)、SSTk-o、 Standard k-o、 RSM LPS(1.6)圖5各湍流模型計(jì)算的火焰軸線上溫度分布RSM LPS(1.44)、 RSM QPS(1.6)、 RSM QPS(144)、 RSM SO圖6是火焰軸線上各主要化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)圖4各種湍流模型計(jì)算的火焰溫度場(chǎng)分布.可以看到主要反應(yīng)物CO、H2呈現(xiàn)相似的變化表1各種模型計(jì)算的火焰最高溫度及位置趨勢(shì),而主要生成物CO2、H2O也呈現(xiàn)相似的變化趨流模型最高溫度K誤差K位置m誤差m勢(shì).所不同的是H2的反應(yīng)速率更快一些,其質(zhì)量分實(shí)驗(yàn)值193.6數(shù)變化曲線的斜率較大,同時(shí)H2O的生成速率也更Realizable k-e1928645.5快,圖6中顯示,H2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值在0.2m之RnG k-8214.8前,而CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值在0.2m之后.4種湍Standard k-e(144)1932.3-6.1140.8-52.8流模型均能較好地模擬主要反應(yīng)物CO、H2的質(zhì)量分1921.5布,其中以 Standard k-o模型的計(jì)算結(jié)果最佳,其曲Standard k-(o20188RSM LPS(1.6)2033.595.1225732.1線幾乎穿過(guò)所有的實(shí)驗(yàn)點(diǎn).而主要生成物CO2、H2ORSM LPS (1.44)49.2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線則與溫度曲線相似,質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲RSM QPS(1.6)204581074290.6線最大值之前各模型計(jì)算結(jié)果非常接近實(shí)驗(yàn)點(diǎn),最大RSM QPS (1.44)19814167.9RSM SO2014.314.0值之后,不同的模型呈現(xiàn)出不同的計(jì)算精度Standard k-ε(1.6)、 RSM LPS(1.6)模型開(kāi)始偏離實(shí)驗(yàn)繼續(xù)觀察圖5的火焰軸線上的溫度分布曲線,除點(diǎn),雖然 Standard k-o、 RSM SO模型也有所偏離實(shí)驗(yàn)了 RSM SO模型在火焰前半段稍微偏離實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)點(diǎn),但偏離的幅度小得多.外, Standard k-(1.6)、 Standard k-o、 RSM LPS(1.6圖7和圖8是距離燃料噴嘴30d(d是燃料噴嘴這3種模型的計(jì)算結(jié)果在此處均與實(shí)驗(yàn)點(diǎn)吻合得很內(nèi)徑)距離處(此處在火焰最高溫度之前)徑向溫度好.然而,在接近最高溫度值以及隨后的區(qū)域,4種主要化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布變化曲線.圖中顯示模型的預(yù)測(cè)效果開(kāi)始變差,其中, Standard k-ω、RSM4種模型均能夠模擬出溫度沿半徑方向先略有升高,So模型計(jì)算結(jié)果相對(duì)好一些,與實(shí)驗(yàn)值偏差不大,然后開(kāi)始降低中國(guó)煤化Trdk=e(1.6)模而 Standard k-a(1.6)、 RSM LPS(1.6)模型的計(jì)算結(jié)果型計(jì)算的溫度CNMHG值吻合得較在此處偏離實(shí)驗(yàn)值較大好,但在溫度降低段則比買(mǎi)驗(yàn)值倔咼,直到半徑為128燃燒科學(xué)與技術(shù)第21卷第2期1800實(shí)驗(yàn)值Standard k-E(1.6)1500Standard k-8(1.6)Standard k-(eRSM LPS(1, 6)RSM LPS (1.6)RSM SO-- RSM SO軸向距離/m(a)CO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖7距離燃料噴嘴30d距離處徑向溫度分布0.20實(shí)驗(yàn)值Standard k-o凝0.1RSM LPS (1.6)0.12RSM SO0.050.04RSM LPS (1.6)RSMSO00.0050.010徑向距離/m軸向距離/(a)CO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布(b)CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布實(shí)驗(yàn)值Standard k-8(1.6RSM SO新0.02RSMLPS(L6)RSMSO0(b)CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布0.008(c)H2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布實(shí)驗(yàn)值SMLPS(L6RSM SO0.06實(shí)驗(yàn)值Standard k-E(1. 6)0.0200.0050.0100.0150.0200.025SM LPS (1.6)徑向距離/mRSMSO(c)H2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布軸向距離/m實(shí)驗(yàn)值d)H2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布andard k-2(1.6)圖6火焰軸線上各主要化學(xué)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布RSM LPS (1.6)RSM SO0.02m處,才又開(kāi)始接近實(shí)驗(yàn)值. RSM LPS(1.6)模型計(jì)算的溫度曲線在溫度下降段與 Standard k-ε(1.6)模型的計(jì)算結(jié)果非常接近.而 Standard k-o、 RSM SO模型計(jì)算的溫度曲線在半徑較大處明顯高于實(shí)驗(yàn)值,0.010.02徑向距離/m相對(duì)于 Standard k-gε(1.6)模型,其在此處變化比較平中國(guó)煤化工緩,沒(méi)有很好地捕捉到火焰邊緣處溫度變化劇烈的特圖8距離燃CNMH化學(xué)成分的質(zhì)性.主要生成物CO2、H2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿半徑方向也量分?jǐn)?shù)分2015年4月李祥晟等:湍流模型對(duì)數(shù)值模擬合成氣射流火焰的影響呈現(xiàn)出類似的變化規(guī)律,不同的是在溫度升高段tandard k-ε(1.6)、 RSM LPS(1.6模型能夠捕捉到火CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大得比較劇烈,而HO的質(zhì)量分焰邊緣處溫度變化劇烈的特性.主要生成物CO2數(shù)并沒(méi)有明顯的增大.這主要是因?yàn)镠的傳遞速度H2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿半徑方向也呈現(xiàn)出類似的變化規(guī)比較快,4種模型均能反應(yīng)岀這種特性,其中以律.反應(yīng)物￠O、H2在距離燃料噴嘴50d處的濃度較Standard k-ε(1.6)模型最為突出.對(duì)于反應(yīng)物CO、H2低,對(duì)于其質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿半徑方向的變化規(guī)律的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿半徑方向的變化規(guī)律,2種雷諾應(yīng)力模 Standard k-ε(1.6)、 RSM LPS(1.6)的計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)大于型在半徑較小處的計(jì)算結(jié)果比實(shí)驗(yàn)值偏大,而實(shí)驗(yàn)值,而只有 Standard k-ω模型的計(jì)算結(jié)果較為Standard k-ω模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值最接近,說(shuō)明準(zhǔn)確.該模型能夠較好地預(yù)測(cè)岀燃料的消耗過(guò)程.2000圖9和圖10是距離燃料噴嘴50d距離處(此處實(shí)驗(yàn)值Standard k-E(1.6)在火焰最高溫度之后)徑向溫度、主要化學(xué)成分質(zhì)量1600RSM LPS(L6分?jǐn)?shù)分布曲線.在半徑大于001m小于0.03m的地RSMSO1200方, Standard k-∞、 RSM SO模型計(jì)算的溫度分布曲線與實(shí)驗(yàn)值比較接近,但在其他地方的計(jì)算結(jié)果均高于實(shí)驗(yàn)值.半徑小于0.03m時(shí), Standard k-e(1.6、RSM00.010.020.030.040.050.06LPS(1.6模型計(jì)算的溫度曲線也過(guò)高地偏離實(shí)驗(yàn)值徑向距離/m但在半徑大于0.03m處與實(shí)驗(yàn)值較吻合,再次說(shuō)明圖9距離燃料噴嘴50d距離處徑向溫度分布0.200.15RSM LPS(1.6)RSM LPS (1.6)RSMSORSM SO0.100.0100.010.020.030.040.050.06徑向距離/m(a)CO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布(b)CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布0.06RSM LPS(1.6)RSM LPS(1.6)RSMSO0.0.0002(c)H2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布(d)H2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖10距離燃料噴嘴504距離處徑向主要化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布?jí)蚋倪M(jìn) Standard k-ε模型對(duì)該射流火焰的計(jì)算精度4結(jié)論但同樣的改進(jìn)對(duì)于雷諾應(yīng)力模型并不完全適用,只有對(duì) RSM LPS模型才有類似的結(jié)論本文使用各種不同的雷諾平均湍流模型模擬了(2)不同的湍流模型對(duì)于計(jì)算結(jié)果的影響非常合成氣射流火焰,通過(guò)與實(shí)驗(yàn)值比較,分析各種模型大,11個(gè)算例中只有4個(gè)比較準(zhǔn)確地模擬了該射流對(duì)于該合成氣射流火焰的不同預(yù)測(cè)效果,得到如下主火焰,它們的v山凵中國(guó)煤化工 Standard k-8要結(jié)論RSM LPS模CNMHGSO模型,同(1)將湍流模型常數(shù)Ca從1.44改為1.6確實(shí)能時(shí),計(jì)算量大得多的雷諸應(yīng)力模型并沒(méi)有得出比雙方130燃燒科學(xué)與技術(shù)第21卷第2期程模型更精確的計(jì)算結(jié)果.[9 Lysenko D, Ertesvag I S, Rian K E Numerical simula(3)這4種湍流模型的計(jì)算精度也各有不同,它tion of turbulent flames using the eddy dissipation con-們均能在火焰最高溫度之前較準(zhǔn)確地模擬出火焰的cept with detailed chemistry [C]//7th National Confer-溫度場(chǎng)和各主要化學(xué)成分的濃度場(chǎng),但火焰達(dá)到最高ence on Computatioal Mechanics. Trondheim, 2013溫度以后,改進(jìn)后的 Standard k-g、 RSM LPS模型計(jì)13-14算的結(jié)果不論是溫度還是主要反應(yīng)物CO、H2的質(zhì)量10] Azhirovic s, Scharler r, Kilpinen P. Validation of flow分?jǐn)?shù)都過(guò)高地偏離實(shí)驗(yàn)值,盡管如此,這2個(gè)模型比simulation and gas combustion sub-models for the CFDStandard k-ω、 RSM SO模型更準(zhǔn)確地捕捉到了火焰based prediction of NO formation in biomass grate fur-邊緣處溫度的劇烈變化naces[J]. Combustion Theory and Modelling, 2011(4)綜合考慮計(jì)算結(jié)果, Standard k-o、 RSM SO15(1):61-87模型的模擬效果最佳,但 RSM SO模型的計(jì)算量比[11] Ranga Dinesh KK J, Jiang X, Malalasekera W.LargeStandard k-ω模型大得多eddy simulation of fuel variability and flame dynamics ofhydrogen-enriched nonpremixed flames [J]. Fuel Proc參考文獻(xiàn)essing Technology, 2013, 107: 2-1312]張兆順,崔桂香,許春曉.湍流理論與模擬[M.北11 Wender I. Reactions of synthesis gas[J]. Fuel Processing京:清華大學(xué)出版社,2005Technology,1996,48(3):189-297Zhang Zhaoshun, Cui Guixiang, Xu chunxiao. Theory[2 Barlow R S, Fiechtner G J, Carter C D. Experimentsand Modeling of Turbulence[M]. 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