第35卷第6期中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)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文章編號(hào):0258-8013(2015)06-1429-07中圖分類(lèi)號(hào):TK472合成氣燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室CFD模擬的模型選擇及優(yōu)化王翰林,雷福林,邵衛(wèi)衛(wèi),熊燕,張哲巔,肖云漢(中國(guó)科學(xué)院先進(jìn)能源動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(工程熱物理研究所),北京市海淀區(qū)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關(guān)鍵詞:合成氣燃?xì)廨問(wèn)i燃燒室;計(jì)算流體力學(xué)(CFD);湍syngas turbine were numerically studied using the method of流模型;火焰結(jié)構(gòu);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整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)( 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?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)實(shí)現(xiàn)C2 in the a equation was modified. Coupled with the proper了煤的清潔高效利用,成為未來(lái)電力的重要發(fā)展方combustion models and chemical mechanisms, an appropriate向之一,因而發(fā)展合成氣燃?xì)廨啓C(jī)有重要意義。燃method for CFD simulation of syngas combustor was燒室的壁面溫度對(duì)于燃燒室的設(shè)計(jì)和使用壽命具d. A scaled syngas turbine combustor experiment wasut. Using the former method, the surface temperatu有重要意義。此外,隨著污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)O emissions of the scaled syngas turbine combustor格,燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室NO污染物排放控制受到挑were calculated. The computational results show good戰(zhàn)。雷諾平均( Reynolds average Navier-Stocksagreements with experiments. The method was verifiedRANS)計(jì)算流體力學(xué)( computational fluid dynamics,KEY WORDS: syngas turbine; computational fluid dynamics CFD模擬為預(yù)測(cè)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室燃燒及污染物排(CFD); turbulence models; flame structure: NO, emissions放特性提供了一種基礎(chǔ)手段,從而為合理設(shè)計(jì)燃燒摘要:采用雷諾平均的計(jì)算流體力學(xué)方法,通過(guò)模擬與燃燒室提供了一條有效途徑。室模態(tài)相似的標(biāo)準(zhǔn)旋流擴(kuò)散燃燒實(shí)驗(yàn)以及合成氣模型旋流RANS方法的燃燒模擬結(jié)果和計(jì)算速度受到所燃燒室實(shí)驗(yàn),分析了4種湍流模型對(duì)旋流燃燒及合成氣燃燒室的數(shù)值模擬結(jié)果的影響。對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的速度、溫度以及采用的湍流燃燒模型、化學(xué)反應(yīng)模型、湍流模型等混合分?jǐn)?shù)等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),討論不同模型以及參數(shù)取值的模擬效因素影響。合成氣燃燒室內(nèi)的燃燒通常屬于旋流擴(kuò)果,選取最合適燃燒室內(nèi)復(fù)雜流型預(yù)測(cè)的 realizable kε湍流散燃燒模態(tài)口,這一模態(tài)中常采用的幾種湍流燃燒模型,并對(duì)位于湍流動(dòng)能耗散率(a)方程源項(xiàng)中的模型常數(shù)模型特點(diǎn)不同:渦耗散( eddy dissipation,ED)模型C2做岀修正。耦合相應(yīng)較為準(zhǔn)確的燃燒模型以及反應(yīng)機(jī)理采用“混合即燃燒”假設(shè),計(jì)算快速,然而 Nemitallah形成針對(duì)合成氣燃燒室性能預(yù)測(cè)的較為理想的模擬方法開(kāi)等采用ED模型模擬非預(yù)混火焰的研究表明,此展合成氣模型旋流燃燒室燃燒實(shí)驗(yàn),利用形成的數(shù)值模擬方法,對(duì)燃燒室壁溫及NO排放進(jìn)行了預(yù)測(cè),結(jié)果與實(shí)驗(yàn)較模型會(huì)高估火焰尾部的燃燒溫度;概率密度方程吻合,驗(yàn)證模擬方法可靠。( Probability Density Function,PDF)計(jì)算速率相對(duì)較快, Ziani等中國(guó)煤化工燒火焰的數(shù)基金項(xiàng)目:國(guó)家863高技術(shù)基金項(xiàng)目(2008AAO5A302)The National High Technology Research andt of china值研究證明CNMHG預(yù)測(cè)火焰結(jié)863 Program(2008AA05A302)構(gòu);渦耗散概念( eddy dissipation concept,EDC)模1430中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)第35卷型相對(duì)精細(xì)但計(jì)算速度較慢, Fukumoto等的研究1模擬對(duì)象結(jié)果表明EDC模型可以準(zhǔn)確的計(jì)算出燃燒火焰結(jié)1悉尼大學(xué)標(biāo)準(zhǔn)旋流燃燒器構(gòu)。根據(jù)燃燒模型的不同特點(diǎn),耦合相應(yīng)的化學(xué)反根據(jù)合成氣燃燒室內(nèi)包括旋流射流等復(fù)雜流應(yīng)模型可實(shí)現(xiàn)燃燒室工作過(guò)程以及污染物排放模型的流動(dòng)特點(diǎn),選取模態(tài)與之相似并測(cè)量出火焰結(jié)擬預(yù)測(cè)。燃燒及污染物NO的生成過(guò)程化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜,更容易受到化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響,因此化構(gòu)的悉尼大學(xué)標(biāo)準(zhǔn)旋流擴(kuò)散燃燒實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析,其結(jié)構(gòu)及邊界條件在文獻(xiàn)[18-19中有詳細(xì)說(shuō)明。燃燒學(xué)反應(yīng)模型需要足夠精細(xì),才能使模擬結(jié)果更可信。器包含一個(gè)直徑60mm環(huán)形腔體,可供空氣圍繞模擬湍流燃燒常用的湍流模型中, standard K-個(gè)直徑50m的鈍體進(jìn)行旋流;燃料噴口位于鈍體模型對(duì)旋流和射流都有較理想的效果因此應(yīng)用較圓心,直徑3.6mm;整個(gè)燃燒器置于較大的風(fēng)筒中,多6;RNGκ-模型對(duì)旋流的描述更為準(zhǔn)確,因而風(fēng)筒中的空氣流速保持20m/s在旋流燃燒的模擬中有所應(yīng)用; realizableκ-ε模型針對(duì)湍流黏度以及ε方程做出修正,對(duì)多種流型分別選取文獻(xiàn)[18-19]中冷態(tài)工況N29S054和都有理想效果,在燃燒室設(shè)計(jì)以及預(yù)測(cè)上應(yīng)用廣熱態(tài)工況SM1進(jìn)行研究。其中冷態(tài)試驗(yàn),燃料孔泛0;雷諾應(yīng)力模型( Reynolds stress model,RSM出口速度(U)66ms,旋流切速度(U,)19.lms,旋流數(shù)0.54。熱態(tài)實(shí)驗(yàn)采用甲烷燃料,U為327m/s,是理論上最為精密的模型,對(duì)旋流模擬效果較為理U為19.1m/s,旋流數(shù)0.5。該實(shí)驗(yàn)在本研究中只用想Curci等對(duì)合成氣湍流燃燒的數(shù)值研究表明,火焰結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果對(duì)采用的湍流模型敏感于分析湍流模型對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,因此燃料并不影響結(jié)論程度高:由于模擬中所采用的湍流模型對(duì)于速度耗1.2合成氣模型燃燒室散的描述不同,因此不同的湍流模型適用于不同的流動(dòng)形態(tài)。此外,為了獲得更理想的預(yù)測(cè)效果,不本實(shí)驗(yàn)室合成氣模型旋流燃燒室,主要由旋流噴嘴、旋流器和火焰筒組成,置于同軸機(jī)匣內(nèi)。空同學(xué)者針對(duì)不同的流型對(duì)湍流模型做岀了修正,氣由外側(cè)機(jī)匣進(jìn)入燃燒室。采用K型熱電偶測(cè)量燃如:Pope等將k-g模型中的模型常數(shù)與流場(chǎng)中的燒室的外壁面溫度,燃燒室外形結(jié)構(gòu)及溫度測(cè)點(diǎn)分應(yīng)變率關(guān)聯(lián),取得對(duì)射流模擬效果的改進(jìn); Khaleghi布如圖1所示。采用PEC-304FT紅外氣體分析儀測(cè)等對(duì)RNGκ-g模型中E方程源項(xiàng)進(jìn)行了修正,改量煙氣中O2、NO、NO2、CO、H2O和未燃碳?xì)?以善了模型對(duì)于旋流的模擬效果; Hossain等1l的研CH4、C3H3表征)等組分濃度究表明將 standardκ-g模型中的C1由144修正為1.6可以更好的模擬鈍體火焰結(jié)構(gòu)等等。合成氣燃測(cè)點(diǎn)2測(cè)點(diǎn)3測(cè)點(diǎn)6測(cè)點(diǎn)9測(cè)點(diǎn)11氣輪機(jī)燃燒室具有復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu),燃燒室的頭部通常采用旋流結(jié)構(gòu)而壁面上包含主燃孔及摻混孔等結(jié)構(gòu)。因此合成氣旋流燃燒室內(nèi)的流型結(jié)構(gòu)屬于射流、旋流以及交叉射流等幾種流型的復(fù)雜結(jié)合,所以有必要針對(duì)旋流合成氣燃燒室數(shù)值模擬中測(cè)點(diǎn)1測(cè)點(diǎn)4測(cè)點(diǎn)5測(cè)點(diǎn)7測(cè)點(diǎn)8湍流模型的影響進(jìn)行深入分析。圖1燃燒室壁面熱電偶測(cè)點(diǎn)分布示意圖本研究在選定較為準(zhǔn)確的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和Fig. 1 Distribution of thermocouples on combustor燃燒模型基礎(chǔ)上,通過(guò)模擬與燃燒室模態(tài)相似的悉surfaces尼大學(xué)標(biāo)準(zhǔn)旋流擴(kuò)散燃燒實(shí)驗(yàn)189,對(duì)比各種實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)采用熱值12.2MJkg合成氣作為燃料,其數(shù)據(jù),討論前文提到的4種不同湍流模型及部分模組分體積比H2:CO:N2為0.37:0.48:0.15。實(shí)驗(yàn)工型參數(shù)對(duì)于模擬結(jié)果的影響;選擇最適合預(yù)測(cè)合成況設(shè)置如表1,空氣以及燃料進(jìn)氣溫度均為293K,氣旋流燃燒室燃燒的湍流模型,并對(duì)模型參數(shù)做出總過(guò)量空氣系數(shù)保持3.83。優(yōu)化,形成較為準(zhǔn)確的模擬方法;開(kāi)展合成氣模型旋流燃燒室實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)比壁溫以及NO-排放數(shù)據(jù)2數(shù)值模擬中國(guó)煤化工對(duì)方法進(jìn)行驗(yàn)證和應(yīng)用。結(jié)論對(duì)合成氣燃?xì)廨啓C(jī)燃2.1湍流模型CNMHG燒室流場(chǎng)及燃燒性能預(yù)估具有一定的參考意義。RANS模擬方法中的動(dòng)量控制方程可表示為第6期王翰林等:合成氣燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室CFD模擬的模型選擇及優(yōu)化1431表1旋流合成氣模型燃燒室實(shí)驗(yàn)工況反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型,總反應(yīng)模型包含32種組分和176Tab. 1 Operating conditions for the scaled syngas步化學(xué)反應(yīng)。combust計(jì)算方法進(jìn)氣壓力MPa燃料流量/(kgh)氣流量/(kg/h)對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)燃燒實(shí)驗(yàn),將整個(gè)燃燒器燃燒區(qū)域作為計(jì)算域,共4×105結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格單元。對(duì)于模型燃338.737.0燒室,根據(jù)其幾何對(duì)稱(chēng)性,選取燃燒室的四分之0.3546.2564.6作為計(jì)算域,并對(duì)火焰筒壁面上的冷卻孔進(jìn)行簡(jiǎn)化ap a處理,把每排冷卻孔改為等面積的窄縫,使得計(jì)算域具有周期對(duì)稱(chēng)性。整個(gè)計(jì)算域1.27×10°結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格單元。壁面設(shè)置為輻射邊界條件。[(+-5)+(-pu2)模擬計(jì)算求解采用 ANSYS FLUENT13.0商用方程中的雷諾應(yīng)力項(xiàng)-p需要本構(gòu)建模,其軟件,其中輻射換熱采用了離散坐標(biāo)(DO)射模型壓力速度解耦采用SⅠMPLE算法,壓力迭代采用中一種常用的假設(shè)是1877年 Boussinesq提出的渦PRESTO!算法,其他物理量的空間離散格式采用旋黏性系數(shù)的概念,將有效流剪切應(yīng)力pm用二階迎風(fēng)格式。近壁面采用加強(qiáng)壁面處理 (enhance湍流黏度H以及平均速度的梯度表示出來(lái)。為了使 wall treatmen),提高壁面換熱的計(jì)算精確度得整個(gè)控制方程組封閉,還需要添加其他變量控制物性利用相應(yīng)反應(yīng)模型中的輸運(yùn)和熱物性數(shù)方程,使得未知量的數(shù)量與方程數(shù)量相等。由此假據(jù)包,采用可壓縮理想氣體方法計(jì)算混合氣體密設(shè)出來(lái)變量湍流動(dòng)能k及其耗散率e,并將它們與度;混合定律計(jì)算定壓比熱(p);理想氣體混合定湍流黏度利用假設(shè)關(guān)聯(lián),形成 standard k-e模型。律計(jì)算熱導(dǎo)系數(shù)()和運(yùn)動(dòng)黏度();動(dòng)力學(xué)理論計(jì)在此基礎(chǔ)上,后來(lái)的研究利用不同方法對(duì)方程以算質(zhì)量擴(kuò)散率(D)和熱質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)(D1),以此反映及G方程進(jìn)行了發(fā)展,添加各向異性的假設(shè),形成壓力對(duì)物性參數(shù)的影響。了RNGκ-ε模型、 realizableκ-←g模型以及RSM模型。本研究對(duì)比RANS法中針對(duì)旋流燃燒室常用的3結(jié)果及討論standardκ-ε模型、旋流主導(dǎo)的RNGk-E模型3.1標(biāo)準(zhǔn)旋流燃燒realizableκ-<ε模型以及RSM模型的模擬效果,選3.1.1·不同模型的模擬結(jié)果擇最合適的湍流模型,并進(jìn)一步做出修正在采用 FLUENT中湍流模型參數(shù)默認(rèn)值情況2.2燃燒及化學(xué)反應(yīng)模型下,使用不同湍流模型模擬分別模擬標(biāo)準(zhǔn)旋流冷態(tài)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中燃料為甲烷,其燃燒反應(yīng)過(guò)程所包實(shí)驗(yàn)N29S054的流場(chǎng)以及熱態(tài)燃燒實(shí)驗(yàn)SM軸線(xiàn)含的反應(yīng)機(jī)理步數(shù)較多0,若采用有限反應(yīng)速率的上的軸向速度及溫度分布,對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果示于圖2燃燒模型(如EDC模型)耦合詳細(xì)反應(yīng)模型計(jì)算時(shí)圖2中,X和r分別為距燃料出口的軸向高度和徑間過(guò)長(zhǎng),因此采用較為快速且準(zhǔn)確的PDF燃燒模向距離,D和R分別代表鈍體的直徑和半徑。型3,13耦合GR2.11骨干化學(xué)反應(yīng)機(jī)制。N29S054的計(jì)算結(jié)果表明,4種模型在頭部考慮到合成氣詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)模型組分?jǐn)?shù)較少,(XD=0.2)的預(yù)測(cè)效果差別不大,然而對(duì)于旋流以能滿(mǎn)足CFD模擬計(jì)算軟件的要求,并根據(jù)燃燒室及流速耗散速率的描述不同,使得流場(chǎng)后部(XNO排放過(guò)程的特點(diǎn),模型合成氣燃燒室選用合成06)模擬結(jié)果差異較大。旋流主導(dǎo)的RNGk=g模型氣燃燒及NO生成的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理,耦合EDC和RSM模型對(duì)速度衰減預(yù)測(cè)偏差比較大; standard燃燒模型。已有的硏究表明,EDC模型耦合詳細(xì)κ-ε模型在流場(chǎng)中心的流速預(yù)測(cè)上較接近實(shí)驗(yàn),但的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理相較于其他模型能夠較為準(zhǔn)確的速度最低值及低速區(qū)位置不夠準(zhǔn)確;綜合流場(chǎng)中心模擬岀合成氣湍流火焰的火焰結(jié)構(gòu)。反應(yīng)機(jī)理采用以及低速區(qū)的計(jì)算結(jié)果,采用 realizableκ-ε模型更在多種條件下優(yōu)化后的H/CO燃燒詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)適合預(yù)測(cè)旋流中國(guó)煤化工。計(jì)算時(shí)間模型2;NO2生成及NO2燃燒相互關(guān)系子模型采用方面,旋流主CNMHGM模型時(shí)間Faravelli等人23提出并在多種實(shí)驗(yàn)下驗(yàn)證的詳細(xì)較長(zhǎng), realizable k-8模型和 standardκ-模型計(jì)算成1432中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)第35卷standard K-8XD=0.2關(guān)系,可以得出結(jié)論,采用 realizable k-ε模型更適realizalbe k-8RNG K-8合模擬旋流燃燒的火焰結(jié)構(gòu),且計(jì)算量較小。針對(duì)旋流燃燒實(shí)驗(yàn),其他學(xué)者也得到了相似的結(jié)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方程源項(xiàng)中的常數(shù)取值會(huì)影響速度耗散的計(jì)standard K-g算結(jié)果,對(duì)其進(jìn)行一定的修正優(yōu)化2627,可以提高realizalbe k-8模型對(duì)不同流型下速度耗散描述的準(zhǔn)確性。選取較為理想的 realizableκ-ε模型做進(jìn)一步的分析,其ε方程如下為aaat0.4徑向位置rRpCSe-C2pE/(K+vve)+C: CE Gne/K+S(a)N29s054不同軸向高度半徑上的軸向速度分布式中:C1=max[0.43,n/(7+5);n=SK/e;S為應(yīng)變r(jià)ealizalbe K-8率,S=√2SS;Gn為浮力引起的湍流動(dòng)能:;SRNGRSM為其他源項(xiàng);σ2為湍流普朗特?cái)?shù):ν為動(dòng)力黏度,實(shí)驗(yàn)m2/s;C2、Ca1、Ca3為常數(shù)。模型常數(shù)Ca1、Ca3在考慮浮力影響時(shí)通常根據(jù)實(shí)際情況由經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式計(jì)算得出,因此可以針對(duì)參數(shù)C2進(jìn)行優(yōu)化校正,其默認(rèn)值為1.9。根據(jù)控制方程,增大參數(shù)C2會(huì)使得方程計(jì)算所得出的ε減小,相應(yīng)的κ隨之增大,湍流動(dòng)能耗散standard的時(shí)間尺度s/κ縮小。這使得計(jì)算出的湍流動(dòng)能更0RNG K-8易維持,湍流擾動(dòng)增大,速度耗散相應(yīng)加快。因此,RSM增大C2理論上可以?xún)?yōu)化模型對(duì)旋流的模擬效果。150將C2分別設(shè)置為1.9、20和2.1,分別計(jì)算N29S054軸向位置mm(b)SM火焰中心線(xiàn)速度及溫度分布的流場(chǎng)以及SMI軸線(xiàn)上的軸向速度、混合分?jǐn)?shù)以圖2不同模型對(duì)標(biāo)準(zhǔn)旋流實(shí)驗(yàn)的及溫度分布,其計(jì)算結(jié)果及實(shí)驗(yàn)結(jié)果示于圖3模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比根據(jù)N29S054的計(jì)算結(jié)果,修正后的模型對(duì)于Fig 2 Comparison between computational results b頭部的影響并不明顯;流場(chǎng)后部的的計(jì)算結(jié)果說(shuō)different models and standard experimental datas明,增大C2使模型預(yù)測(cè)的速度耗散加快,同一軸本較低向位置上的中心流速降低,低速區(qū)向外移動(dòng),徑向SM!的結(jié)果表明,不同模型計(jì)算出的低速及回上的速度最低值增大。C2=1.9時(shí),中心速率偏差較流區(qū)分布差別很大,因此溫度分布計(jì)算結(jié)果差異較大;C2=2.1時(shí),低速區(qū)的偏差較大;綜合比較,大。 standardκ-ε模型模擬軸向上速度耗散過(guò)快,對(duì)C2=2.0較為合適。速度的模擬相對(duì)其他模型偏差較大。由于在火焰頭SMⅠ的計(jì)算結(jié)果也表明,增大C2可以使得整部旋流較強(qiáng),對(duì)于旋流有精細(xì)描述的旋流主導(dǎo)的個(gè)熱態(tài)流玚的速度衰減加快,回流區(qū)更接近頭部RNGκ-ε模型和RSM模型相對(duì)比較準(zhǔn)確;而在火回流區(qū)縮小;混合分?jǐn)?shù)的衰減冋樣加快,說(shuō)明摻混焰尾部,旋流減弱,射流特性更明顯,因此這2種更強(qiáng);溫度峰值位置更靠近頭部。軸線(xiàn)上的軸向速模型對(duì)火焰尾部的溫度分布、回流區(qū)位置以及大小度分布、回流I凵中國(guó)煤化工布以及火焰的預(yù)測(cè)上相差較大。綜合速度分布、回流區(qū)位置及峰值位置與CNMH,在選擇大小以及火焰溫度分布的峰值位置與實(shí)驗(yàn)值之間的 realizableκ-ε模型模擬與燃燒室內(nèi)模態(tài)接近的火焰第6期王翰林等:合成氣燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室CFD模擬的模型選擇及優(yōu)化1433XD=0.2室燃燒實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬硏究。對(duì)比4種湍流模型耦合前文合成氣燃燒及反應(yīng)模型對(duì)模型旋流燃燒室▲實(shí)驗(yàn)壁面溫度的模擬效果。保留默認(rèn)參數(shù)設(shè)置條件下,模擬進(jìn)口壓力0.10MPa工況,計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果示于圖4 standardκ-ε模型在頭部的模擬效果相對(duì)其他模型偏差較大,壁面溫度最高點(diǎn)更靠前。采用旋流主導(dǎo)的RNGx-E模型和RSM模型在頭部預(yù)測(cè)效果C2=2.0C2=2,1上比較理想,而尾部的壁面溫度預(yù)測(cè)上相較于實(shí)驗(yàn)值高出很多,計(jì)算出的高溫面積較大,溫度最高點(diǎn)更靠近頭部。 realizableκ-ε模型計(jì)算的壁面溫度最大偏差相對(duì)較小,壁面溫度值以及壁溫隨軸向位置的變化趨勢(shì)都更接近于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此與前文一0.4徑向位置rR致,相較于其他模型,對(duì)射流以及旋流都有較為準(zhǔn)(a)N29s054不同軸向高度半徑上的軸向速度分布確的描述的 realizableκ-ε模型對(duì)于壁面溫度的預(yù)測(cè)比較理想,更適于旋流合成氣燃燒室內(nèi)的燃燒過(guò)C2程的模擬實(shí)驗(yàn)匾0.4△-C2=2.0測(cè)點(diǎn)編號(hào)圖4不同湍流模型對(duì)燃燒室壁溫的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig 4 Comparison of surface temperature between2.0simulations by different models and model combustorexperiments選取燃燒室進(jìn)口壓力0.10MPa以及0.35MPaC2=2.1這2個(gè)工況,采用C2修正為2.0的 realizable k-模型模擬旋流合成氣模型燃燒室壁面溫度,計(jì)算結(jié)軸向位置/m果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值對(duì)比如圖5。模擬結(jié)果表明,將(b)SMl火焰中心線(xiàn)速度、混合分?jǐn)?shù)及溫度分布realizableκ-E模型C2修正為2.0后,計(jì)算所得的壁圖3C2不同取值的 realizableκg模型對(duì)標(biāo)準(zhǔn)旋流實(shí)驗(yàn)的面溫度相較于前文的結(jié)果明顯更接近實(shí)驗(yàn)值。只有擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比在0.35MPa工況條件下測(cè)點(diǎn)9處偏差相對(duì)略大,這Fig.3 Comparison between simulations by realizable K-E主要是由于在計(jì)算中,采用空氣逆流進(jìn)入機(jī)匣的簡(jiǎn)model with different C2 and standard experiments化,而實(shí)驗(yàn)中則是在機(jī)匣的壁面開(kāi)孔,開(kāi)孔位置臨結(jié)構(gòu)時(shí),將C2修正為2.0,可以得到較理想的模擬近測(cè)點(diǎn)9位置,壓力增大之后,空氣流量增大,因效果,而避免使用計(jì)算量較大的精確模擬方法此使得這個(gè)區(qū)域的壁面換熱增強(qiáng),9號(hào)測(cè)點(diǎn)的溫度3.2合成氣模型旋流燃燒室偏小,偏差增」中國(guó)煤化工用C2修正3.2.1壁面溫度為2.0的reaiCNMHG燒模型及相為了驗(yàn)證前文結(jié)論,開(kāi)展合成氣模型旋流燃燒應(yīng)的詳細(xì)反應(yīng)模擬合成氣模型旋流燃燒室的1434中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)第35卷3■1atm實(shí)驗(yàn)要的影響。湍流模型對(duì)旋流及速度耗散描述的不口1atm模擬1.0}435am實(shí)驗(yàn)同,使得流場(chǎng)及火焰結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果存在差異。其中△3.5atm模擬realizableκ-ε模型的計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果最接近,最適用于旋流擴(kuò)散燃燒模擬。島0.42)ε方程中的常數(shù)取值會(huì)影響流場(chǎng)速度耗散作用,本研究針對(duì) realizableκ-ε模型常數(shù)C2修正。C2的取值增大可以增大速度耗散率,將C2由1.9測(cè)點(diǎn)編修正為2.0,計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)所得的速度及溫度分布圖5修正后的 realizableκ-ε模型對(duì)燃燒室壁溫的模擬結(jié)于實(shí)驗(yàn)最為接近,改進(jìn)了模型的模擬效果。果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比3)合成氣模型旋流燃燒室燃燒實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Fig 5 Comparison of surface temperature betweenrealizableκ-ε模型最適用于燃燒室模擬。修正后的simulations by modified realizable K-g model and scaledrealizableκ-ε模型可以改進(jìn)模擬效果,并能較為理combustor experiments想的預(yù)測(cè)出NO排放。壁面溫度及火焰結(jié)構(gòu)具有理想的效果322NO2排放4)采用 realizableκ-E湍流模型,將C2修正為利用已經(jīng)形成的合成氣燃燒室計(jì)算模型耦合2.0,耦合EDC燃燒模型及文中相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)模前文NO2反應(yīng)模型,對(duì)不同壓力條件下NO2排放進(jìn)型,適用于合成氣燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的數(shù)值模擬,可行了預(yù)測(cè),結(jié)果折合為干基15%O2濃度條件下的摩以對(duì)旋流合成氣燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室燃燒排放特性預(yù)爾分?jǐn)?shù),對(duì)比實(shí)驗(yàn)如圖6。結(jié)果顯示,在實(shí)驗(yàn)工況測(cè)及低污染物燃燒室設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供指導(dǎo)。條件下,模型計(jì)算燃燒室出口NO排放摩爾分?jǐn)?shù)與參考文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)吻合較為理想。根據(jù)NO排放的特點(diǎn),除NO[]張永生,穆克進(jìn),張哲巔,等.同向和反向合成氣旋流化學(xué)反應(yīng)模型外,NO排放的計(jì)算準(zhǔn)確性很大程度擴(kuò)散燃燒研究.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)門(mén).2009,29(14):上取決于燃燒流場(chǎng)及溫度分布計(jì)算的準(zhǔn)確性。由于NO2反應(yīng)模型在不同研究中均有驗(yàn)證,因此進(jìn)一步Zhang Yongsheng, Mu Kejin, Zhang Zhedian, et al. 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Assessment of the結(jié)論performance of several turbulence and combustion modelsin the numerical simulation of a flameless combustor[J]本研究采用4種不同湍流模型,耦合相應(yīng)的燃Combustion Science and Technology, 2013, 185(1)燒及化學(xué)反應(yīng)模型,對(duì)與燃燒室模態(tài)相似的標(biāo)準(zhǔn)旋流燃燒實(shí)驗(yàn)以及合成氣旋流模型燃燒室的進(jìn)行了mmacharacterist中國(guó)煤化工me[J]. Journal數(shù)值分析,并以實(shí)驗(yàn)作為驗(yàn)證,結(jié)果表明CNMHG3,135(4)1)湍流模型對(duì)于燃燒過(guò)程的模擬結(jié)果具有重422041-0422048第6期王翰林等:合成氣燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室CFD模擬的模型選擇及優(yōu)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]姚強(qiáng),李水清,王宇,燃燒學(xué)導(dǎo)論(第二版)M.北京[8 Khaleghi M, Hosseini S E, Wahid M A. 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