国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

含濕氫氧摻混燃燒過程的三維數(shù)值模擬

2013-08-26 02:46高育科韓新波李洪偉萬榮華
艦船科學技術 2013年9期
關鍵詞:氫氧氣相燃燒器

高育科,彭 博,胡 巍,韓新波,李洪偉,萬榮華

(中國船舶重工集團公司第七○五研究所,陜西 西安 710075)

0 引言

氫氧發(fā)動機燃燒室部件的作用是組織氫氧燃燒,并利用燃燒后的燃氣經過噴管做功產生動力,如中國長征三號甲火箭第三級的YF75火箭發(fā)動機。發(fā)動機攜帶液氫液氧,氫氣氧氣進入燃燒室進行燃燒,燃燒后的燃氣經過噴管做功后排出發(fā)動機。在某應用領域,氫氧發(fā)動機燃燒室內入口燃料含有一定的水蒸氣,含濕氫氧在燃燒室內點火燃燒,燃燒后燃氣溫度很高,可以通過噴入冷卻水噴霧對其摻混降溫,通過摻入冷卻水噴霧不僅可以降低燃氣溫度,防止燃燒室過熱保護燃燒室,而且可以通過調節(jié)噴嘴結構參數(shù)和噴水工況參數(shù)來調節(jié)燃燒室輸出工質參數(shù)。

數(shù)值仿真是研究燃燒室中流動、燃燒、摻混蒸發(fā)等過程的重要方法,通過對燃燒室中高濕氫氧摻混燃燒過程進行三維仿真計算可以得到燃燒室中壓力、溫度、密度等物理量分布和冷卻水液滴運動變化過程,并可通過多工況仿真探究各工況和結構參數(shù)對氫氧摻混燃燒過程的影響。

本文構建含濕氫氧燃燒器構型,分析其中的氣相燃燒及液滴蒸發(fā)和氣液摻混過程,氣相物理場計算采用k-ε湍流模型及EBU湍流燃燒模型,冷卻水噴霧液滴蒸發(fā)過程計算采用離散相模型,基于上述模型對燃燒器中燃燒摻混過程進行三維仿真計算,經過計算獲得燃燒器中氣相各物理量分布及液滴運動變化過程,并針對不同參數(shù)條件下的含濕氫氧摻混燃燒過程進行仿真計算,獲得各參數(shù)對摻混燃燒過程的影響。

1 研究對象

仿真針對的試驗器工作原理如圖1所示,其基本結構為圓筒狀,入口為內外套管式結構,氧氣從中心圓孔進氣,含濕氫氣從外部環(huán)狀入口進氣,燃料進入燃燒器后點火燃燒,在摻混點噴入冷卻水噴霧進行摻混降溫,經過摻混降溫的工質排出試驗器。其中的過程涉及含濕氫氧的射流燃燒、冷卻水噴霧液滴的蒸發(fā)及氣液兩相之間的摻混等。

圖1 含濕氫氧摻混燃燒器工作原理Fig.1 Working principle of humidity oxy-hydrogen combustion chamber

仿真針對的含濕氫氧燃燒器三維構型中不加入噴嘴幾何模型,進行CFD計算時在Fluent平臺內選用Pressure-Swriling-Atomizer(壓力旋流)型噴嘴并配置噴嘴工況和結構參數(shù),本文仿真試驗器中在摻混段噴嘴布置采用4個冷卻水噴嘴相互垂直布置的形式,摻混點處垂直軸線截面上噴嘴布置如圖2所示。

圖2 摻混點截面噴嘴布置方式Fig.2 Nozzle arrangement on blending point section

2 數(shù)學物理模型

含濕氫氧燃燒器中的過程涉及含濕氫氧的射流燃燒、冷卻水噴霧液滴的運動蒸發(fā)及氣液兩相之間的摻混等過程,其中的工作介質涉及氣液兩相,因此需針對氣相和液滴相分別建立數(shù)學物理模型[1]。

含濕氫氧燃燒器中氣相工質進行射流燃燒并與冷卻水噴霧進行摻混傳熱傳質,分別選取湍流模型、湍流燃燒模型及能量方程描述氣相各過程。由于燃燒器入口為環(huán)狀直射流,燃燒器主體為圓筒狀,流動形式較規(guī)整且流動速度相對較低,因此湍流模型選用kε雙方程模型。純粹由動力學因素控制的氫氧化學反應速度很快且反應所需的自由能較低反應很易發(fā)生,因此燃燒器中氫氧燃燒過程主要受控于氫氧的湍流混合速率,湍流燃燒模型選用EBU(渦耗散)模型[2]。

含濕氫氧燃燒器中工作過程還涉及冷卻水噴霧射流,由于冷卻水噴霧過程中產生的噴霧液滴所占體積率較低,因此選用離散相模型[3]描述冷卻水噴霧液滴的運動變化過程。含濕氫氧摻混燃燒過程中氣液兩相之間有質量、動量、能量等交換,基于離散相模型選用歐拉-拉格朗日方法描述高濕氫氧摻混燃燒過程,即在歐拉網格系統(tǒng)內解算氣相各物理場,在拉格朗日坐標系統(tǒng)內計算液滴的運動變化過程,后通過坐標系轉化及插值積分等操作完成氣液耦合。

3 計算方法及網格

三維仿真中針對氣液兩相分別選取計算方法,利用simple方法[4]在歐拉坐標系內計算氣相速度場[5]、溫度場、濃度場、壓力場,在拉格朗日網格系統(tǒng)內采用離散相模型進行液滴相速度、粒徑、溫度、軌跡變化,并將拉格朗日系統(tǒng)內計算得到的液滴相結果經過轉化作用于氣相歐拉網格系統(tǒng)內,最終利用PSIC(particle source in cell)方法完成氣液耦合[6]。

燃燒器的工作涉及射流、燃燒、摻混、蒸發(fā)等多個過程,仿真中先進行冷態(tài)流場計算,之后依次計入燃燒和噴霧流場計算,最終得到摻混燃燒物理場解。三維仿真中先依據(jù)燃燒器構型進行結構化網格劃分,得到粗收斂結果后對依據(jù)選擇物理量梯度對網格進行自適應細化處理[7],再在該網格系統(tǒng)內進行仿真計算獲得最終解。仿真針對的邊界條件為質量入口和壓力出口參數(shù),冷卻水噴嘴選用Pressure-Swriling atomizer類型,并設置噴嘴相關的結構參數(shù)和工況參數(shù)。本文計算中湍流燃燒模型采用渦耗散模型,其中氫氧燃燒采用單步反應,由于沒有中間產物,依據(jù)常用熱物性參數(shù)計算得到的燃氣溫度偏高[8],采用 Rose 和 Cooper[9]等建議對各物質比熱隨溫度變化系數(shù)進行修正。

4 計算結果及分析

1)含濕氫氧摻混燃燒過程分析

含濕氫氧摻混燃燒過程為含濕氫氣和氧氣進入燃燒器進行燃燒,在摻混點噴入冷卻水噴霧對燃氣進行摻混降溫后排出燃燒器,燃燒器沿軸向中心截面燃氣溫度分布如圖3所示。氫氧燃燒主火焰區(qū)溫度高達2800 K,而通過冷卻水噴霧摻混降溫后主流燃氣溫度降至1200 K左右。

圖3 氫氧摻混燃燒氣相溫度分布Fig.3 Gas phase temperature distribution of high humidity oxy-hydrogen combustion

燃燒室作為動力系統(tǒng)一環(huán),系統(tǒng)的運行對燃燒室出口的工質有嚴格的要求,在燃燒室中有摻混冷卻過程時,為使系統(tǒng)運行安全必須保證出口摻混水噴霧液滴蒸發(fā)完全。本論文計算中冷卻水噴霧采取壓力驅動傘狀噴霧形式,噴霧液滴的速度變化如圖4所示。噴嘴出口液滴速度為25 m/s左右,逆向運動的液滴速度逐漸減小,如在逆向運動過程中未蒸發(fā)完全則折返順流運動;順流的液滴噴嘴出口速度比蒸汽主流高,由于液滴和蒸汽之間的粘性作用導致液滴速度逐漸降低直至達到與主流蒸汽速度相同。冷卻水噴霧液滴的溫度變化如圖5所示。由圖可知,當液滴出噴嘴后溫度逐漸升高直至飽和溫度后保持不變。

圖4 冷卻水液滴三維速度分布Fig.4 Three-dimensional velocity distribution of cooling water droplets

圖5 冷卻水液滴三維溫度分布Fig.5 Three-dimensional temperature distribution of cooling water droplets

由圖4和圖5可知,相對主流逆向運動液滴大多在未達到穩(wěn)定溫度 (飽和溫度)前即蒸發(fā)完全,說明液滴的蒸發(fā)過程較強,這是由于逆向運動的液滴與主流之間的相對速度較大,對流換熱作用較強,且由燃燒器內氣相速度矢量分布圖6可知在噴嘴的兩側有2個渦,靠近頭部火焰區(qū)的渦將火焰區(qū)附近的高溫燃氣帶至冷卻水噴嘴附近加熱噴霧液滴,靠近噴嘴下游也有渦旋將下游燃氣帶至噴嘴附近加熱液滴,上游渦旋帶回的燃氣溫度較高,因此上游逆向運動液滴接觸燃氣溫度較高,下游渦旋帶至噴嘴附近的燃氣為上游噴霧冷卻過的燃氣因此溫度較低,所以綜合以上因素逆流運動的液滴蒸發(fā)作用較強,蒸發(fā)距離短,順流運動的液滴蒸發(fā)距離長,因此需采取措施控制加強順流液滴的蒸發(fā)過程,如將傘狀噴嘴深入燃燒器一定距離,并以一定角度逆向噴射,或者設計優(yōu)化燃燒器結構參數(shù)和噴嘴布置形式加強順流液滴蒸發(fā)。

圖6 氫氧摻混燃燒氣相速度矢量圖Fig.6 Gas phase velocity vector distribution of high humidity oxy-hydrogen combustion

2)入口含濕量對火焰結構的影響

針對H2入口含濕量為0%,40%,75%(質量分數(shù))進行仿真計算,得到純氫氧燃燒及各含濕工況下的氫氧燃燒中心截面氣相溫度分布如圖7~圖9所示。由圖可知,燃燒器入口含濕量增加,燃燒后的燃氣溫度降低,燃燒區(qū)域逐漸減小,由后文燃燒反應區(qū)結構圖也可以得出此結論。入口蒸汽溫度低于燃燒后燃氣溫度,在射流燃燒過程中水蒸氣吸熱,導致燃燒后燃氣溫度降低,隨著入口含濕量的增加,燃燒后燃氣溫度不斷降低,燃燒區(qū)域不斷減小,當含濕達到一值時導致無反應區(qū)火焰熄滅。

圖7 純氫氧燃燒氣相溫度分布Fig.7 Gas phase temperature distribution of oxy-hydrogen combustion

圖8 氫氧燃燒入口含濕40%氣相溫度分布Fig.8 Gas phase temperature distribution of humidity oxy-hydrogen combustion with entrance moisture 40%

圖9 氫氧燃燒入口含濕75%氣相溫度分布Fig.9 Gas phase temperature distribution of humidity oxy-hydrogen combustion with entrance moisture 75%

各工況的氫氧燃燒反應區(qū)結構如圖10~圖12所示。由圖可知,隨著含濕量的增大反應區(qū)逐漸減小,當含濕量增大到一定量值時無反應區(qū)而導致火焰熄滅,這是由于入口加入的水蒸汽吸收燃燒產生的熱量,當燃燒產生熱量不足以提供各種散熱及水蒸汽吸熱時火焰將熄滅。

圖10 純氫氧燃燒湍流反應速率分布Fig.10 The turbulent reaction rate distribution of oxy-hydrogen combustion

圖11 入口含濕40%湍流反應速率分布Fig.11 The turbulent reaction rate distribution of humidity oxy-hydrogen combustion with entrance moisture 40%

圖12 入口含濕75%湍流反應速率分布Fig.12 The turbulent reaction rate distribution of humidity oxy-hydrogen combustion with entrance moisture 75%

3)摻混點對火焰結構的影響

在距入口不同點處加入摻混對于燃燒器內的各物理量分布有很大的影響,針對摻混點距入口0.3 m,0.10 m,0.05 m的工況進行仿真計算,得到燃燒器溫度分布如圖13~圖15所示。由圖13可知,在燃氣速度較均勻的射流燃燒區(qū)外摻入冷卻水噴霧時,燃燒器中前段燃氣溫度依然保持3000 K左右的高溫,燃燒器下游主流速度較均勻燃氣速度較低,所以傘狀噴霧液滴逆向運動距離相對更長,摻入點距燃燒器出口很近,冷卻水噴霧液滴至出口時可能蒸發(fā)不完全。由于在此工況下燃燒器中摻混對高溫區(qū)無影響且出口液滴可能蒸發(fā)不完全,因此此種摻混方式不可取。

距燃燒器入口0.10 m摻入冷卻水時燃燒器內燃氣溫度分布如圖14所示,經過含濕氫氧的射流燃燒及摻混蒸發(fā)等過程,燃氣溫度最終降至1200 K左右。

圖13 距入口300 mm處摻混氫氧摻混燃燒氣相溫度分布Fig.13 Gas phase temperature distribution of high humidity oxy-hydrogen combustion with blending displacement away from the entrance of 300 mm

圖14 距入口100 mm處摻混氫氧摻混燃燒氣相溫度分布Fig.14 Gas phase temperature distribution of high humidity oxy-hydrogen combustion with blending displacement away from the entrance of 100 mm

圖15為在距燃燒器入口0.05 m摻入冷卻水時燃燒器內燃氣溫度分布,燃燒器內經過含濕氫氧的射流燃燒及摻混蒸發(fā)等過程,燃氣溫度最終降至1200 K左右,出口溫度與圖14結果一致,此工況下頭部附近燃氣溫度只有500 K左右。

圖15 距入口50 mm處摻混氫氧摻混燃燒氣相溫度分布Fig.15 Gas phase temperature distribution of high humidity oxy-hydrogen combustion with blending displacement away from the entrance of 50 mm

燃燒器內燃料穩(wěn)定燃燒和保證燃燒效率的關鍵是燃燒區(qū)周圍形成的渦旋回流將下游高溫燃氣帶至頭部附近加熱入口燃料和重新參加燃燒反應,過于靠近頭部摻入冷卻水噴霧會破壞燃氣回流渦結構,使火焰穩(wěn)定燃燒發(fā)生困難,并無法保證燃燒效率,且過于靠近頭部摻入冷卻水噴霧會使燃燒器入口段溫度很低,噴霧高速射流也有可能會嚴重影響燃燒器入口燃料射流結構導致燃料無法點燃或穩(wěn)定燃燒。

因此建議在燃燒區(qū)域中后部加入摻混,這樣首先可以保證入口射流周圍的燃氣回流可以穩(wěn)定點燃入口燃料,其次中后部加入傘狀噴霧可以對燃燒后的高溫燃氣在燃燒區(qū)下游進行摻混降溫,且逆向射流可以冷卻燃燒器入口近壁面區(qū)域,防止入口附近壁面過熱。因此在本文仿真工況下,摻混點與燃燒器入口距離宜選取0.10 m左右。

5 結語

1)本文通過三維仿真研究含濕氫氧燃燒器中摻混燃燒過程,獲得燃燒器中氣相各物理量分布和液滴運動變化過程,分析摻混燃燒過程中氣液兩相的變化過程。

2)通過對不同的燃燒器入口含濕工況和冷卻水摻混工況進行仿真計算,發(fā)現(xiàn)氫氧燃燒氫氣入口含濕會導致火焰區(qū)變小,隨著含濕量的繼續(xù)增加,入口蒸汽吸熱量增加,火焰穩(wěn)定性降低直至熄滅;摻混點在燃燒反應區(qū)外,冷卻水摻混對上游高溫燃氣無影響,摻混點過于靠近頭部會破壞頭部回流結構并使頭部處于低溫影響火焰穩(wěn)定燃燒,經分析摻混點宜選取在燃燒區(qū)域中后部,既保證火焰周圍回流場使火焰穩(wěn)定燃燒,又能對上下游高溫燃氣都進行摻混降溫。

[1]周力行.湍流兩相流動與燃燒的數(shù)值模擬[M].北京:清華大學出版社,1991.

[2]溫正,石良辰,任毅如.FLUENT流體計算應用教程[M].北京:清華大學出版社,2009.

[3]芮守禎,邢玉明,梁材,等.準一維超音速氣液兩相流數(shù)值模擬[J],熱能動力工程,2011,26(4):393 -396.RUI Shou-zhen,XING Yu-ming,LIANG cai,et al.Onedimensional numerical simulation of supersonic vapor-liquid two-phase flow[J].Power Engineering,2011,26(4):393 -396.

[4]PATANKAR S V.Numerical heat transfer and fluid flow[M].1984.

[5]王福軍.計算流體力學分析 -CFD軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2004.

[6]趙堅行.燃燒的數(shù)值模擬[M].北京:科學出版社,2002.

[7]江帆,黃鵬.Fluent高級應用與實例分析[M].北京:清華大學出版社,2008.

[8]FINCROPERA D P,DEWITT T L.BERGMAN A S.葛新石,葉宏,譯,Lavine fundamentals of heat and mass transfer(Six Edition)[M].北京:化學工業(yè)出版社,2007.

[9]ROSE J W,COOPER J R.Technical data on fuel[M].Scottish Academic Press,Edinburgh,1977.

猜你喜歡
氫氧氣相燃燒器
大推力氫氧發(fā)動機完成今年首次試車
氫氧燃料電池演示實驗的改進
自制液壓儲氣式氫氧燃料電池
氣相色譜法測定飲用水中甲草胺和乙草胺
650MW超臨界鍋爐低氮燃燒器改造后的主要問題與優(yōu)化調整
化學氣相沉積法合成金剛石的研究進展
數(shù)值模擬研究燃燒器重要參數(shù)的影響
微波處理-氣相色譜法測定洋蔥中氟蟲腈殘留
NTFB低氮燃燒器介紹
淺談燃燒系統(tǒng)改造的效果