王 平, 余 倩, 王寶同, 徐 亮

(1. 江蘇大學(xué) 能源研究院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2. 江蘇大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

按燃料和空氣的混合方式,可將燃燒分為預(yù)混燃燒、非預(yù)混燃燒和部分預(yù)混燃燒.部分預(yù)混燃燒現(xiàn)象在工程實(shí)際中廣泛存在,但目前能夠較好計(jì)算部分預(yù)混火焰的燃燒模型卻不多,對它的研究有待進(jìn)一步深入,尤其是在部分預(yù)混燃燒的大渦模擬(LES)研究方面[1].

燃燒界關(guān)于部分預(yù)混燃燒裝置的理論分析和試驗(yàn)研究也早已開展,并取得很大的突破,其中之一就是對PRECCINSTA燃燒裝置開展的研究.PRECCINSTA模型燃燒器有詳細(xì)、豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù),可用來檢驗(yàn)亞網(wǎng)格燃燒模型的性能.眾多學(xué)者對該模型進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬研究.文獻(xiàn)[2]采用了火焰增厚模型和完全可壓縮LES方法對其進(jìn)行了當(dāng)量比為0.83的預(yù)混合火焰計(jì)算.文獻(xiàn)[3-4]對當(dāng)量比為0.83的狀態(tài)也進(jìn)行了LES計(jì)算.文獻(xiàn)[5]采用不同模型對當(dāng)量比為0.83和0.75的狀態(tài)進(jìn)行了LES的計(jì)算模擬.文獻(xiàn)[6-7]使用LESOCC2C程序?qū)RECCINSTA進(jìn)行了當(dāng)量比為0.75和0.83的預(yù)混合火焰計(jì)算,詳細(xì)分析了湍流火焰結(jié)構(gòu).發(fā)現(xiàn)前期大部分研究集中在預(yù)混合燃燒模式上,對小孔射流引起的部分預(yù)混燃燒狀態(tài)研究甚少,對其中的燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象也沒能開展充分研究.

動(dòng)態(tài)火焰增厚(DTF)模型是一種應(yīng)用比較廣泛的亞網(wǎng)格燃燒模型,可以計(jì)算預(yù)混、部分預(yù)混[8]和非預(yù)混火焰,具有一定的網(wǎng)格獨(dú)立性.由于火焰鋒面很薄,DTF模型通過改變化學(xué)反應(yīng)速率指前因子常數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)人為增加火焰厚度[9],使其可以被LES網(wǎng)格求解.然而,DTF模型需要求解組分輸運(yùn)方程,其中的反應(yīng)源項(xiàng)需通過阿累尼烏斯公式計(jì)算.為了控制計(jì)算量,DTF模型通常僅考慮極少步的簡化反應(yīng)機(jī)理,如:一步反應(yīng)機(jī)理[10]、二步反應(yīng)機(jī)理[11]等.一般而言,二步反應(yīng)機(jī)理比較常用,但其適用的當(dāng)量比波動(dòng)范圍不寬,約為[0.50,1.00],當(dāng)量比波動(dòng)超出此范圍,計(jì)算誤差會大大增加;采用更多步反應(yīng)機(jī)理可提高計(jì)算精度,但其計(jì)算量也大大增加.

筆者采用DTF模型對該燃燒器中的部分預(yù)混火焰開展進(jìn)一步研究.對甲烷和空氣的冷態(tài)混合現(xiàn)象進(jìn)行LES計(jì)算,考慮燃料由小孔射入并與主流空氣相混合現(xiàn)象,深入分析小孔射流所引起的當(dāng)量比分布的不均勻性,著重從數(shù)值計(jì)算角度研究甲烷/空氣部分預(yù)混現(xiàn)象,探求不同條件下混合氣進(jìn)入燃燒室前在錐形通道出口處當(dāng)量比的波動(dòng)范圍,為下一步開展湍流部分預(yù)混火焰計(jì)算及選擇合適的反應(yīng)機(jī)理提供理論依據(jù).

1 計(jì)算設(shè)置

1.1 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分

PRECCINSTA模型燃燒裝置基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,計(jì)算所用的網(wǎng)格在原有的PRECCINSTA燃燒室網(wǎng)格的基礎(chǔ)上加以修改得到[7].在原有的計(jì)算域里沒有考慮燃料小孔射流問題,為此在原有網(wǎng)格的12個(gè)旋轉(zhuǎn)通道上游處各增加一個(gè)直徑為1 mm、長為6 mm的入流管道(圖2a,b),實(shí)現(xiàn)與試驗(yàn)情況一致的混合模式.計(jì)算域由12個(gè)旋轉(zhuǎn)通道、錐形通道和12個(gè)射流小孔等構(gòu)成,將下游燃燒室排除在外.

圖1 PRECCINSTA模型燃燒器幾何圖

圖2 模型燃燒器網(wǎng)格圖

在小孔射流斷面采用O型分塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,計(jì)算域被分隔成360塊,網(wǎng)格數(shù)達(dá)到120萬個(gè).為了開展網(wǎng)格精度研究,對錐形通道部位的網(wǎng)格塊進(jìn)行局部加密(沿徑向、周向)得到網(wǎng)格數(shù)為180萬個(gè)的新網(wǎng)格,這2種網(wǎng)格分別簡記為“1.2 M網(wǎng)格”和“1.8 M網(wǎng)格”.

1.2 邊界條件設(shè)定

通過計(jì)算得到2種工況下(溫度T=320 K, 全局當(dāng)量比φc=0.70和T=325 K,φc=0.83)甲烷和空氣進(jìn)入各自入口通道的速度,如表1所示.邊界條件設(shè)置參考文獻(xiàn)[6],對于固體邊界,采用絕熱壁面條件,出口處采用對流出口邊界條件.

表1 2種工況下甲烷、空氣入口速度

1.3 數(shù)值方法

采用流場計(jì)算程序LESOCC2C對PRECCINSTA旋轉(zhuǎn)混合室進(jìn)行LES計(jì)算,LESOCC2C通過求解低馬赫數(shù)可壓縮N-S方程[12],利用分塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格處理復(fù)雜計(jì)算域問題,同時(shí)通過MPI技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模多核心并行計(jì)算.采用密度可變動(dòng)力Smagorinsky模型來確定SGS(subgrid scale)模型動(dòng)量方程中的渦流黏性,并采用梯度擴(kuò)散模型得到SGS標(biāo)量通量.

2 計(jì)算結(jié)果及分析

燃燒室前端旋轉(zhuǎn)混合室如圖3所示.

圖3 燃燒室前端旋轉(zhuǎn)混合室

著重研究燃燒室前端錐形通道圖3a出口處當(dāng)量比波動(dòng),圖3b顯示了錐形通道部分軸向(I方向)、周向(J方向)和徑向(K方向)的切面.在I方向有3層:p1,p2和p3.p1面為錐形通道出口面;在J方向選取了0°,90°,180°和270°這4個(gè)切面;在K方向有R1,R2和R3這3個(gè)位置.在每個(gè)p層上,分別沿R1,R2和R3的3個(gè)圓周方向統(tǒng)計(jì)分析當(dāng)量比波動(dòng)情況;I方向和J方向的切面間形成了12條交線,對每條交線上當(dāng)量比進(jìn)行對比分析,來研究甲烷和空氣的混合情況.

全局當(dāng)量比為0.83,1.8 M網(wǎng)格下混合室內(nèi)甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.053的瞬時(shí)等值面如圖4所示,圖4從宏觀角度展示了甲烷小孔射流現(xiàn)象.由圖4可以看出:無論是周向還是徑向甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均存在強(qiáng)烈的不均勻分布,說明在錐形通道內(nèi)混合氣當(dāng)量比波動(dòng)很大,甲烷與空氣的混合均勻度不高.

圖4 甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)瞬時(shí)等值面

2.1 入流通道瞬時(shí)流場分析

在全局當(dāng)量比φc分別為0.70和0.83時(shí),進(jìn)行1.2 M網(wǎng)格和1.8 M網(wǎng)格計(jì)算.1.8 M網(wǎng)格旋轉(zhuǎn)通道內(nèi)甲烷瞬時(shí)質(zhì)量分?jǐn)?shù)w等值面圖如圖5所示,甲烷小孔射流現(xiàn)象明顯,受主空氣流的影響,混合氣體中甲烷有由內(nèi)向外逐漸擴(kuò)散且貼壁輸運(yùn)的趨勢.

圖5 1.8 M網(wǎng)格旋轉(zhuǎn)通道內(nèi)甲烷瞬時(shí)質(zhì)量分?jǐn)?shù)等值面圖

12個(gè)旋轉(zhuǎn)通道內(nèi)沿Oyz切面甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)瞬時(shí)分布如圖6所示.

圖6 1.8 M網(wǎng)格Oyz切面甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)瞬時(shí)分布

對比圖6a,b可以看出:在2種當(dāng)量比下,甲烷與空氣的部分預(yù)混合趨勢基本一致;甲烷通過小孔射入空氣流后,湍流效應(yīng)明顯加劇;甲烷氣體均有沿流動(dòng)方向傾向于沿通道右側(cè)壁面擴(kuò)散的趨勢,且每個(gè)通道內(nèi)運(yùn)動(dòng)態(tài)勢大致相同.

2.2 錐形通道流場分析

當(dāng)量比平均值φm和瞬時(shí)值φ的分布分別如圖7,8所示.對應(yīng)的空間位置為圖3b中的90°和270°切面,簡稱為縱切面.從圖7可以看出:隨著網(wǎng)格的加密,預(yù)測得到的平均當(dāng)量比分布略均勻,但在錐形通道流場末端都未能達(dá)到均勻分布,且中間高外面低.1.8 M網(wǎng)格下計(jì)算得到的當(dāng)量比瞬時(shí)分布如圖8所示,無論是φc=0.83還是φc=0.70狀態(tài),兩者的當(dāng)量比均呈現(xiàn)了劇烈的變化.隨著混合時(shí)間的增加(混合氣從上游到下游),φ的波動(dòng)逐漸趨緩,但在錐形通道出口處依然沒有達(dá)到均一分布.

將每個(gè)縱切面與p1,p2和p3這3個(gè)面做交線,記為A1,A2和A3.φc=0.70及φc=0.83錐形通道0°切面內(nèi)當(dāng)量比沿徑向波動(dòng)的對比分別如圖9,10所示，r為徑向距離，當(dāng)量比沿徑向分布波動(dòng)范圍很大,1.2 M網(wǎng)格預(yù)測的波動(dòng)范圍略大于1.8 M網(wǎng)格.從圖9a, 10a可以看出:從A3到A2再到A1,隨著混合時(shí)間的增加,φ的波動(dòng)幅度不斷減小.從圖9b,10b可以看出:φm的變化幅度要平緩得多,在該流場中,甲烷和空氣的混合過程是強(qiáng)瞬態(tài)過程,如果利用雷諾平均(RANS)方法則難以準(zhǔn)確描述這個(gè)過程.

圖7 φc=0.83錐形通道縱切面當(dāng)量比平均值分布圖

圖8 1.8 M網(wǎng)格錐形通道縱切面當(dāng)量比瞬時(shí)值分布圖

圖9 φc=0.70錐形通道0°切面內(nèi)當(dāng)量比沿徑向波動(dòng)的對比

圖10 φc=0.83錐形通道0°切面內(nèi)當(dāng)量比沿徑向波動(dòng)的對比

2.3 錐形通道出口面流場分析

甲烷/空氣混合后,從錐形通道出口進(jìn)入下游燃燒室,并點(diǎn)火燃燒,因此研究錐形通道出口面的當(dāng)量比變化,對了解下游部分預(yù)混合燃燒有重要意義.錐形通道出口面當(dāng)量比的瞬時(shí)值和平均值分布云圖如圖11-14所示.從圖11,12可以看出:φc=0.83時(shí),2種網(wǎng)格預(yù)測所得當(dāng)量比瞬時(shí)值波動(dòng)范圍非常接近,且當(dāng)量比平均值波動(dòng)范圍也比較吻合,φc=0.70的亦是如此.綜觀圖11-14可得結(jié)論:采用1.8 M網(wǎng)格計(jì)算得到的當(dāng)量比與1.2 M網(wǎng)格計(jì)算的結(jié)果相比略顯平滑、均勻,但兩者的結(jié)果在出口面均呈現(xiàn)外面小中間高的不均勻分布現(xiàn)象.

圖11 φc=0.83錐形通道出口面當(dāng)量比瞬時(shí)值分布

圖12 φc=0.83錐形通道出口面當(dāng)量比平均值分布

圖13 φc=0.70錐形通道出口面當(dāng)量比瞬時(shí)值分布

圖14 φc=0.70錐形通道出口面當(dāng)量比平均值分布

為了研究錐形通道環(huán)周方向當(dāng)量比波動(dòng)情況,在錐形通道出口面沿R1,R2及R3這3個(gè)不同直徑圓周上取當(dāng)量比瞬時(shí)值和時(shí)間平均值,繪制周向當(dāng)量比波動(dòng)分布圖.錐形通道出口面沿R2環(huán)周方向的當(dāng)量比波動(dòng)情況如圖15,16所示,θ為位置角度.從圖15,16可以看出:當(dāng)量比平均值變化很平緩,但其瞬時(shí)值呈現(xiàn)劇烈的波動(dòng);對φc=0.83狀態(tài)由粗、細(xì)網(wǎng)格計(jì)算得到的當(dāng)量比瞬時(shí)值變化范圍分別是[0.60,1.15]和[0.59,1.01];而對φc=0.70狀態(tài),其粗、細(xì)網(wǎng)格結(jié)果分別是[0.39,1.00]和[0.41,0.99].

圖15 φc=0.83錐形通道出口面沿R2周向當(dāng)量比分布

圖16 φc=0.70錐形通道出口面沿R2周向當(dāng)量比分布

3 結(jié) 論

1) 分別對全局當(dāng)量比為0.83和0.70的PRECCINSTA 燃燒器小孔燃料射流及甲烷/空氣混合流動(dòng)問題進(jìn)行了大渦模擬計(jì)算,結(jié)果表明:不論是全局當(dāng)量比為0.83還是0.70的狀態(tài),其當(dāng)量比瞬時(shí)值呈現(xiàn)劇烈的波動(dòng),在錐形通道出口處,其波動(dòng)范圍分別接近于[0.59,1.15]和[0.40,1.00];采用1.2 M和1.8 M網(wǎng)格計(jì)算所得當(dāng)量比波動(dòng)范圍很接近,可認(rèn)為網(wǎng)格精度已經(jīng)達(dá)到計(jì)算要求,計(jì)算結(jié)果可靠.

2) 全局當(dāng)量比為0.83時(shí),由于當(dāng)量比的波動(dòng)范圍均在可燃界限以內(nèi),采用完全預(yù)混燃燒模式計(jì)算此PRECCINSTA模型燃燒器,其計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值差別不大,可以接受;但對全局當(dāng)量比為0.70來說,當(dāng)量比波動(dòng)超出可燃界限,甚至導(dǎo)致在燃燒過程產(chǎn)生熱聲振蕩現(xiàn)象,如果依然采用完全預(yù)混燃燒模式來計(jì)算,則難以捕捉此燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象,因此必須采用合適的部分預(yù)混燃燒模型和簡化反應(yīng)機(jī)理才能處理.

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