徐 升, 伊 寅, 史小鋒, 宗 瀟, 韓新波

熔融鋁水蒸氣浸沒射流反應(yīng)數(shù)值仿真

徐 升, 伊 寅, 史小鋒, 宗 瀟, 韓新波

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

熔融鋁水蒸氣浸沒射流反應(yīng)可作為氫氧閉式循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)的新型制氫方法, 能夠提高制氫速率和氫氣發(fā)生器的穩(wěn)定可控性, 但反應(yīng)具有高溫、不透明和局部流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜等特點(diǎn), 難以通過常規(guī)方法對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行觀測(cè)。為探究其流場(chǎng)特性, 文中使用Fluent非預(yù)混燃燒模型對(duì)該反應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值仿真。通過理想混合物密度計(jì)算方法對(duì)概率密度函數(shù)查詢表的精度進(jìn)行了提升, 使數(shù)值模型能更準(zhǔn)確地模擬氣液反應(yīng), 得到了熔融鋁水蒸氣浸沒射流反應(yīng)流場(chǎng)的參數(shù)分布以及不同水蒸氣入口速度條件下流場(chǎng)溫度分布和水蒸氣核心區(qū)的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明, 文中數(shù)值模型能夠較合理地模擬射流燃燒反應(yīng); 熔融鋁水蒸氣反應(yīng)射流流場(chǎng)由水蒸氣核心區(qū)和混合產(chǎn)物區(qū)組成, 其中水蒸氣核心區(qū)在射流區(qū)域中占據(jù)的空間遠(yuǎn)小于混合產(chǎn)物區(qū); 當(dāng)水蒸氣入口速度增加時(shí), 高溫區(qū)最高溫度增高且體積增大、水蒸氣核心區(qū)長(zhǎng)度增長(zhǎng)。研究結(jié)果將為進(jìn)一步研究熔融鋁水蒸氣浸沒射流反應(yīng)和設(shè)計(jì)氫氣發(fā)生器提供參考。

氫氧閉式循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng); 熔融鋁; 浸沒射流; 非預(yù)混燃燒; 核心區(qū)

0 引言

氫氧閉式循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)是一種新型的水下熱動(dòng)力系統(tǒng), 其主要通過氫氣和氧氣的燃燒提供熱量, 具有能量密度高、無排放物、噪音低等優(yōu)點(diǎn), 可提高水下航行器的航行速度、航行深度及隱蔽性。熔融鋁水蒸氣浸沒射流反應(yīng)形式為將水蒸氣高速注入熔融態(tài)的金屬鋁中, 為典型的氣液浸沒射流反應(yīng), 具有反應(yīng)高效、穩(wěn)定可控等優(yōu)點(diǎn), 可作為氫氧閉式循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)中氫氣發(fā)生器的核心反應(yīng), 具有良好的發(fā)展和應(yīng)用前景。

在鋁水反應(yīng)研究領(lǐng)域, 目前對(duì)固態(tài)鋁與液態(tài)水反應(yīng)的相關(guān)研究較多, 而對(duì)熔融鋁與液態(tài)水或水蒸氣反應(yīng)的研究還處于初步階段。Milani等[10]對(duì)熔融鋁射流與水蒸氣射流的相互作用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值仿真, 采用熱成像儀對(duì)熔融鋁射流的蒸汽夾帶進(jìn)行了定性分析。施偉等[11]通過Visual Basic語(yǔ)言編程仿真計(jì)算了高溫鋁水反應(yīng)器中的熔融鋁與液態(tài)水的反應(yīng)和傳熱過程, 模擬了反應(yīng)器的運(yùn)行狀態(tài), 并對(duì)冷卻水出口溫度、壁面最高溫度和制氫速率進(jìn)行了分析。

熔融鋁水蒸氣浸沒射流反應(yīng)流場(chǎng)的局部流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜, 溫度和密度變化劇烈, 目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究成果較少, 缺少通用、高效的數(shù)值模型。文中使用Fluent非預(yù)混燃燒模型, 用假定形狀的概率密度函數(shù)模擬湍流和化學(xué)的相互作用, 對(duì)熔融鋁水蒸氣浸沒射流反應(yīng)進(jìn)行了仿真研究, 得到了熔融鋁水蒸氣浸沒射流反應(yīng)流場(chǎng)參數(shù)分布和水蒸氣核心區(qū)長(zhǎng)度變化等規(guī)律。研究結(jié)果可為進(jìn)一步研究熔融鋁水蒸氣浸沒射流反應(yīng)和設(shè)計(jì)氫氣發(fā)生器提供理論參考。

1 反應(yīng)物理模型

1.1 熔融鋁水蒸氣浸沒射流反應(yīng)

鋁水反應(yīng)為放熱反應(yīng), 在射流中將出現(xiàn)鋁液蒸發(fā)和鋁蒸氣冷凝現(xiàn)象。但熔池初始溫度較低時(shí), 反應(yīng)射流中的最高溫度僅略高于金屬鋁沸點(diǎn)(2790 K), 將不出現(xiàn)或僅出現(xiàn)短暫且迅速冷凝的少量鋁蒸氣。若忽略鋁相變現(xiàn)象, 熔融鋁水蒸氣浸沒射流反應(yīng)的物理模型如圖1所示。

在水蒸氣核心區(qū)中, 水蒸氣與熔融鋁迅速反應(yīng), 放出大量熱量并生成產(chǎn)物。伴隨湍流影響, 產(chǎn)物與熔融鋁共同形成混合產(chǎn)物區(qū)。以上過程都發(fā)生在噴嘴上方較小區(qū)域內(nèi), 對(duì)整個(gè)金屬熔池的影響較小, 反應(yīng)啟動(dòng)后將長(zhǎng)時(shí)間保持近乎穩(wěn)態(tài)的反應(yīng)狀態(tài), 外部的金屬鋁熔池組分基本保持不變。

圖1 熔融鋁水蒸氣浸沒射流反應(yīng)物理模型

1.2 水蒸氣核心區(qū)長(zhǎng)度

熔融鋁水蒸氣射流反應(yīng)中, 水蒸氣作為氧化劑, 由噴嘴口高速注入液態(tài)金屬熔池。在物理模型中, 將水蒸氣消耗過程所占據(jù)的最大軸向距離稱為水蒸氣核心區(qū)長(zhǎng)度。水蒸氣核心區(qū)長(zhǎng)度表征了水蒸氣在反應(yīng)器內(nèi)部的消耗過程, 是描述熔融鋁水蒸氣反應(yīng)特性和反應(yīng)器運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)。

2 數(shù)值模型和邊界條件

數(shù)值計(jì)算采用了基于壓力的分離求解器, 對(duì)于高速射流流場(chǎng)設(shè)置了雙精度計(jì)算數(shù)據(jù)類型, 采用SIMPLE算法進(jìn)行求解, 設(shè)置軸負(fù)方向?yàn)橹亓Ψ较?。除連續(xù)性方程外, 其余方程殘差均小于3×10–3, 其中能量方程殘差小于10–6, 流場(chǎng)中不動(dòng)觀測(cè)點(diǎn)處的溫度、壓力、速度基本不變, 且出口質(zhì)量流率基本穩(wěn)定時(shí)認(rèn)為迭代計(jì)算收斂。

2.1 非預(yù)混燃燒模型

前人應(yīng)用于預(yù)測(cè)液態(tài)金屬燃料中浸沒射流燃燒的局部均質(zhì)流模型是基于流場(chǎng)局部熱力學(xué)平衡假設(shè)[1], Fluent非預(yù)混燃燒模型與局部均質(zhì)流模型的假設(shè)基本相符。熱化學(xué)計(jì)算中, 文中從NIST網(wǎng)站查找了多種組分的熱力學(xué)數(shù)據(jù)作為可靠輸入。

反應(yīng)中水蒸氣為氧化劑, 熔融鋁為燃料, 采用單混合分?jǐn)?shù)條件?；旌戏?jǐn)?shù)定義為

式中:Z為元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù); 下標(biāo)代表為氧化劑入口值; 下標(biāo)fuel為燃料入口值。

混合分?jǐn)?shù)的計(jì)算方程為

式中:H為平均焓;k為湍流熱導(dǎo)率;c為熱容;S代表由于輻射、與壁面的熱傳遞及與分散相的熱交換引起的源項(xiàng)。

非絕熱、單混合分?jǐn)?shù)系統(tǒng)中標(biāo)量的均值為

Fluent非預(yù)混燃燒模型在非絕熱、單混合分?jǐn)?shù)條件下的求解過程如圖2所示。

2.2 基本假設(shè)

1) 假設(shè)熔融鋁水蒸氣反應(yīng)為快速化學(xué)反應(yīng)。熔融鋁中水蒸氣射流反應(yīng)為氣液兩相、湍流混合、劇烈放熱的自發(fā)反應(yīng), 反應(yīng)速度極快, 流場(chǎng)中各處接近平衡狀態(tài)。

2) 忽略熔融鋁相變過程。文中設(shè)定的反應(yīng)物初始溫度較低, 在非絕熱條件下, 反應(yīng)高溫區(qū)最高溫度不超過3 000 K。同時(shí)金屬鋁熔池初始溫度與其沸點(diǎn)之間存在較大過冷度(大于1 500 K),即使出現(xiàn)少量的鋁蒸氣, 也會(huì)在與熔池金屬接觸后迅速冷凝, 因此忽略鋁相變過程不會(huì)造成較大誤差。

圖2 非預(yù)混燃燒模型求解過程示意圖

2.3 邊界條件

仿真中將水蒸氣入口設(shè)置為速度入口, 其入口速度分別設(shè)置為120 m/s、203.4 m/s和280 m/s; 反應(yīng)器出口為壓力出口, 壓力為環(huán)境壓力; 壁面溫度設(shè)置為金屬鋁熔池初始溫度; 幾何模型對(duì)稱面設(shè)置為對(duì)稱邊界條件。具體邊界條件如表1所示。

表1 邊界條件

3 模型驗(yàn)證

3.1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

構(gòu)建熔融鋁水蒸氣反應(yīng)器的流體域幾何模型, 其中直噴管的高度為20 mm、內(nèi)徑為2 mm、外徑為4 mm。幾何模型為圓柱體, 其直徑和高度均為500 mm, 以模擬無限大熔池環(huán)境。由于幾何模型以中心截面對(duì)稱, 為降低網(wǎng)格數(shù)量并加快計(jì)算速度, 文中繪制了流體域的1/2幾何模型。將幾何模型的軸向方向設(shè)為方向、中心點(diǎn)設(shè)為原點(diǎn), 并為幾何模型劃分了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格, 如圖3所示。

圖3 幾何模型和網(wǎng)格

3.2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

使用計(jì)算流體力學(xué)軟件ICEM CFD為流體域幾何模型分別劃分了57 668、397 836和748 222個(gè)單元數(shù)量的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。對(duì)3種網(wǎng)格在Fluent中采用相同設(shè)置進(jìn)行試算, 對(duì)比結(jié)果如圖4所示, 57 668單元數(shù)與其他2個(gè)單元數(shù)網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果差異較大, 而397836單元數(shù)和748222單元數(shù)網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果相近。為在獲得較高精度的同時(shí)節(jié)省計(jì)算資源, 文中選擇397836個(gè)單元數(shù)量的網(wǎng)格進(jìn)行后續(xù)數(shù)值計(jì)算。

圖4 中心軸線上溫度的網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果

3.3 數(shù)值模型驗(yàn)證

經(jīng)典組分輸運(yùn)模型可以用以準(zhǔn)確地模擬射流燃燒反應(yīng)[13-14]。將文中采用的非預(yù)混燃燒模型與經(jīng)典組分輸運(yùn)模型分別用于模擬單步甲烷-空氣射流反應(yīng), 得出的模型驗(yàn)證結(jié)果如圖5和圖6所示。可以看出, 數(shù)值模型與經(jīng)典組分輸運(yùn)模型所得到的結(jié)果符合情況較好。

除經(jīng)典的甲烷-空氣射流燃燒反應(yīng)外, 將文中數(shù)值模型用于模擬CH4/H2/N2混合氣在空氣中射流燃燒的DLR-A火焰[15-17]。數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比曲線如圖7所示, 可以看出, 計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值在軸向位置為0.5 m以內(nèi)時(shí)有較明顯的誤差, 這是由于數(shù)值仿真邊界條件與實(shí)驗(yàn)條件無法完全吻合, 同時(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)量過程存在少量誤差導(dǎo)致?？傮w來看, 溫度的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值在中心軸線上的分布趨勢(shì)基本一致, 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合情況較好。綜上, 可認(rèn)為文中所使用的數(shù)值模型能夠較準(zhǔn)確地模擬射流燃燒反應(yīng)。

圖5 中心軸線上溫度的模型驗(yàn)證結(jié)果

圖6 中心軸線上速度的模型驗(yàn)證結(jié)果

圖7 混合氣燃燒流場(chǎng)中心軸線上溫度分布對(duì)比

4 仿真結(jié)果及分析

4.1 流場(chǎng)參數(shù)分布

以下為水蒸氣入口速度為203.4 m/s條件下的流場(chǎng)仿真結(jié)果。可以看出, 熔融鋁水蒸氣浸沒射流反應(yīng)區(qū)僅僅存在于噴嘴前方較小區(qū)域內(nèi), 其動(dòng)量和熱量迅速?gòu)浬? 如圖8和圖9所示。氣液兩相具有較大的密度差異, 入口水蒸氣所具有的動(dòng)能在接觸熔融鋁后, 發(fā)生動(dòng)量交換, 水蒸氣速度迅速降低。熱量的彌散與鋁熔池的初始溫度有關(guān), 反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生的大量熱量在導(dǎo)熱性良好的鋁熔池中被迅速傳導(dǎo)。

圖8 浸沒射流反應(yīng)流場(chǎng)中心截面上溫度分布

圖9 浸沒射流反應(yīng)流場(chǎng)中心截面上速度分布

高速水蒸氣浸沒射流在噴嘴附近產(chǎn)生較大湍流強(qiáng)度, 使水蒸氣與熔融鋁混合和反應(yīng)加劇。如圖10所示, 入口水蒸氣在較小范圍內(nèi)迅速耗盡, 水蒸氣核心區(qū)長(zhǎng)度較短。水蒸氣被消耗的同時(shí), 在射流中產(chǎn)生了大量氫氣, 如圖11所示。隨后氫氣在反應(yīng)區(qū)外層聚集, 向反應(yīng)器出口擴(kuò)散。綜上,射流反應(yīng)流場(chǎng)仿真結(jié)果符合圖1中描述的熔融鋁水蒸氣浸沒射流反應(yīng)物理模型。

4.2 流場(chǎng)溫度分布

對(duì)比不同水蒸氣入口速度條件下流體域中心截面和軸線上的溫度分布, 可以看出, 水蒸氣入口速度增加時(shí), 射流中最高溫度增高、高溫區(qū)距離噴嘴更遠(yuǎn)且體積更大, 如圖12和圖13所示。高溫區(qū)體積增大使高溫區(qū)中心的熱損失減小, 具有更高的溫度, 但射流高溫區(qū)有所后移, 這與射流局部當(dāng)量比有關(guān)。入口水蒸氣速度增加引起水蒸氣質(zhì)量流量增加, 將使得噴嘴附近的混合分?jǐn)?shù)減小。

圖10 浸沒射流反應(yīng)流場(chǎng)中心截面上水蒸氣濃度分布

圖11 浸沒射流反應(yīng)流場(chǎng)中心截面上氫氣濃度分布

4.3 水蒸氣核心區(qū)

如圖14和圖15所示, 水蒸氣入口速度越大, 水蒸氣核心區(qū)長(zhǎng)度越長(zhǎng)。這是由于相同初始溫度下, 宏觀化學(xué)反應(yīng)速率基本保持不變, 當(dāng)水蒸氣入口流量增加, 反應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí), 完全消耗水蒸氣需要更大的氣液接觸面積進(jìn)行反應(yīng)。結(jié)合溫度場(chǎng)變化可以看出射流高溫區(qū)的最高溫度和體積、水蒸氣核心區(qū)長(zhǎng)度均隨水蒸氣入口速度的增加而增加, 其數(shù)值可能存在關(guān)聯(lián), 這是因?yàn)樗魵獾南倪^程反映了噴嘴上方流場(chǎng)的混合分?jǐn)?shù)分布,即局部的當(dāng)量比, 而當(dāng)量比決定了包括溫度在內(nèi)的流場(chǎng)狀態(tài)參數(shù)。

圖12 不同入口速度下中心截面上溫度分布對(duì)比

圖13 不同入口速度下中心軸線上溫度分布對(duì)比

圖14 不同入口速度下中心截面上水蒸氣核心區(qū)對(duì)比

圖15 不同入口速度下中心軸線上水蒸氣濃度對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

使用非預(yù)混燃燒模型對(duì)熔融鋁水蒸氣浸沒射流反應(yīng)進(jìn)行三維數(shù)值研究, 獲得其流場(chǎng)參數(shù)分布, 并分析改變水蒸氣入口速度對(duì)流場(chǎng)溫度分布和水蒸氣核心區(qū)的影響, 可以得出文中使用的數(shù)值模型能夠較準(zhǔn)確地模擬射流燃燒反應(yīng), 仿真得到的熔融鋁水蒸氣浸沒射流反應(yīng)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與其物理模型一致。

熔融鋁水蒸氣反應(yīng)射流結(jié)構(gòu)由水蒸氣核心區(qū)和混合產(chǎn)物區(qū)組成, 其中水蒸氣核心區(qū)在宏觀射流區(qū)域中占據(jù)的空間遠(yuǎn)小于混合產(chǎn)物區(qū)。射流高溫區(qū)的最高溫度和體積、水蒸氣核心區(qū)長(zhǎng)度均隨水蒸氣入口速度的增加而增加, 其數(shù)值可能存在關(guān)聯(lián), 可作為進(jìn)一步研究熔融鋁水蒸氣浸沒射流反應(yīng)的重要切入點(diǎn)。

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Numerical Simulation on Submerged Jet Reaction of Molten Aluminum and Water Vapor

XU Sheng, YI Yin, SHI Xiao-feng, ZONG Xiao, HAN Xin-bo

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

The submerged jet reaction of molten aluminum and water vapor can be used as a new method of hydrogen generation in hydrogen-oxygen closed cycle power system, and can improve the rate of hydrogen generation and the stability and controllability of hydrogen generator. However, this reaction has the characteristics of high temperature, opacity and complex local flow state, so it is difficult to observe the flow field through conventional methods. In order to explore the flow field characteristics of the reaction, this paper uses the non-premixed combustion model in the software Fluent to conduct a numerical simulation on this reaction. The accuracy of probability density function(PDF) query table is improved by the ideal mixture density calculation method, so that the numerical model can simulate the gas-liquid reaction more accurately, and can obtain the parameter distribution of the reaction jet flow field of molten aluminum and water vapor, the variation law of the temperature distribution of flow field and the water vapor core region under different inlet velocities of water vapor. The results show that the numerical model used in this paper can simulate jet combustion reaction reasonably; The flow field of molten aluminum-water vapor reaction jet is composed of water vapor core region and mixed product region, where the water vapor core region occupies much less space in the jet region than the mixed product region; When the inlet velocity of water vapor increases, the highest temperature and volume of the high temperature region rise, and the length of the water vapor core region increases. This research may provide a reference for further study on submerged jet reaction of molten aluminum and water vapor and the design of hydrogen generator.

hydrogen-oxygen closed cycle power system; molten aluminum; submerged jet; non-premixed combustion; core region

TJ630.32; TK121

A

2096-3920(2020)02-0187-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.011

2018-12-06;

2019-01-04.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61403306); 中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2018M633600).

徐 升(1993-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)槟茉磩?dòng)力推進(jìn)技術(shù).

徐升, 伊寅, 史小鋒, 等. 熔融鋁水蒸氣浸沒射流反應(yīng)數(shù)值仿真[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2020, 28(2): 187-193.

(責(zé)任編輯: 許 妍)