孫君建，張立業(yè)，孫桂軍，安振華，王金華，張?猛，黃佐華，孫?晨，楊沐村

【碳中和專欄】

大渦模擬燃燒模型對(duì)氨氣旋流火焰適應(yīng)性研究

孫君建1，張立業(yè)2，孫桂軍2，安振華3，王金華3，張?猛3，黃佐華3，孫?晨4，楊沐村4

(1. 國(guó)家電投集團(tuán)東北電力有限公司，沈陽(yáng) 110181；2. 朝陽(yáng)燕山湖發(fā)電有限公司，朝陽(yáng) 122099；3. 西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049；4. 國(guó)家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 102209)

推廣無(wú)碳燃料是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的重要舉措，氨氣具有基礎(chǔ)設(shè)施完善、安全性高等優(yōu)勢(shì)．?dāng)?shù)值模擬在燃機(jī)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)中承擔(dān)重要作用，燃燒模型對(duì)計(jì)算對(duì)象的適應(yīng)性非常重要，影響計(jì)算精度和效率．本文針對(duì)氨氣旋流火焰，基于OpenFOAM開(kāi)展了氨氣旋流火焰標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)及模擬工作，對(duì)比了FGM燃燒模型和DTF燃燒模型在氨氣旋流火焰燃燒室流場(chǎng)、火焰結(jié)構(gòu)及污染物預(yù)測(cè)等方面的性能．通過(guò)綜合分析，給出了模型選用建議，為氨發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和氨燃燒器仿真計(jì)算提供參考．

氨氣旋流火焰；大渦模擬；模型對(duì)比；FGM燃燒模型；DTF燃燒模型

全球變暖是全人類共同的挑戰(zhàn)，《巴黎協(xié)定》[1]提出“將全球平均氣溫較前工業(yè)化時(shí)期上升幅度控制在2℃以內(nèi)，并努力將溫度上升幅度限制在1.5℃以內(nèi)”．中國(guó)提出了“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)[2]．全球范圍內(nèi)，化石燃料燃燒為主要的CO2排放源，因此，要實(shí)現(xiàn)大幅CO2減排，迫切需要構(gòu)建低碳/無(wú)碳、可持續(xù)的新型現(xiàn)代能源體系．在國(guó)際組織低碳倡議下，氨作為無(wú)碳、清潔“氫”燃料得到了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注和認(rèn)可，并且許多國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始實(shí)施了氨燃料利用的計(jì)劃[3]．氨氣應(yīng)用挑戰(zhàn)主要是如何降低NO排放以及如何穩(wěn)定燃燒，針對(duì)這兩個(gè)挑戰(zhàn)，多個(gè)研究組開(kāi)展了相關(guān)研究．其中，針對(duì)排放研究，數(shù)值模擬具有十分重要的意義，高精度的模擬有助于理解燃燒過(guò)程中復(fù)雜的湍流和化學(xué)反應(yīng)相互作用、研究燃燒機(jī)理，尤其在化學(xué)反應(yīng)路徑、燃燒瞬態(tài)過(guò)程中具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)．

Li等[4]使用chemical reactor networks(CRN)在燃?xì)廨啓C(jī)條件下的氨氣/甲烷燃燒排放做了系統(tǒng)研究，指出了NH-3生成NO的關(guān)鍵反應(yīng)路徑，此外研究了多階段空氣稀釋對(duì)降低氮氧化物排放的作用，分析了駐留時(shí)間等參數(shù)對(duì)排放的影響．Somarathne等[5]針對(duì)氨氣在燃?xì)廨啓C(jī)中的應(yīng)用，使用PaSR燃燒模型進(jìn)行了全面的數(shù)值模擬研究，包括高壓條件下壁面影?響[6]、OH與溫度對(duì)NO排放的影響等[7]．Honzawa?等[8]采用非絕熱火焰面生成流型FGM(flamelet generated manifold)方法對(duì)氨氣/甲烷混合氣旋流火焰的CO和NO排放進(jìn)行了LES模擬研究，指出了冷壁面和輻射對(duì)排放預(yù)測(cè)的影響．Wei等[9]使用動(dòng)態(tài)增厚火焰DTF(dynamic thickened flame)模型的方法對(duì)比了氨氣和甲烷旋流火焰的穩(wěn)定性，分析了兩種火焰在吹熄過(guò)程中的差異，指出了氨氣穩(wěn)定性相對(duì)較低的原因.

燃燒模型的選用對(duì)模擬結(jié)果有著重大的影響，但是目前在氨氣燃燒模擬研究中，還沒(méi)有相關(guān)對(duì)比不同燃燒模型對(duì)氨氣燃燒排放以及穩(wěn)定性的研究，為了闡明模型選用對(duì)模擬結(jié)果的影響，為氨氣旋流燃燒模擬提供模型選用參考，本文結(jié)合課題組現(xiàn)有的模擬技術(shù)，對(duì)比了FGM和DTF兩種燃燒模型，這兩種燃燒模型分別代表了快速化學(xué)反應(yīng)和有限化學(xué)反應(yīng)速率模型，對(duì)氨氣模擬具有典型的參考意義．本文針對(duì)純氨旋流火焰在同一條件下分別開(kāi)展了FGM和DTF 數(shù)值模擬研究，兩種模型均采用同樣的網(wǎng)格、邊界條件、初始值以及計(jì)算設(shè)置等，保證只有燃燒模型選用的不同，對(duì)比了兩模型預(yù)測(cè)的流場(chǎng)、火焰結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)，重點(diǎn)分析了兩模型對(duì)于氨氣燃燒排放的模擬預(yù)測(cè)，最終針對(duì)兩模型對(duì)氨氣旋流火焰模擬的異同做了總結(jié)，提出了在氨氣旋流燃燒模擬中模型選用的建議.

1?目標(biāo)火焰及實(shí)驗(yàn)配置

通過(guò)旋流葉片產(chǎn)生旋流流場(chǎng)是常用穩(wěn)定火焰的手段之一，其原理在于旋流葉片將在燃燒室內(nèi)組織形成回流區(qū)域，回流區(qū)將高溫的燃?xì)廨斶\(yùn)至火焰根部，使得火焰穩(wěn)定在旋流葉片上方[10]．本文通過(guò)圖1(a)所示的燃燒器產(chǎn)生穩(wěn)定燃燒的氨氣旋流火焰，氨氣由液氨儲(chǔ)氣瓶供應(yīng)，為了防止氨氣在管道供應(yīng)的過(guò)程中出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象，管道采用了加熱保溫裝置，氨氣出口溫度維持在25℃狀態(tài)．氨氣旋流燃燒器分預(yù)混段和燃燒器頭部?jī)蓚€(gè)組成部分．燃料和空氣通過(guò)各自管路進(jìn)入燃燒器，氨氣與空氣在燃燒器預(yù)混段進(jìn)行充分預(yù)混，通過(guò)文丘里結(jié)構(gòu)和整流孔板使來(lái)流流場(chǎng)穩(wěn)定并消除壓力波動(dòng)的影響，氨氣/空氣預(yù)混氣體通過(guò)旋流葉片之后進(jìn)入燃燒室，旋流葉片由12個(gè)45°的小葉片組成，葉片的旋流數(shù)通過(guò)式(1)計(jì)算：

本文研究中，旋流數(shù)為0.71．燃燒室為長(zhǎng)、寬均為70mm，高度為180mm的石英玻璃光學(xué)腔，石英玻璃壁面可以為激光診斷提供光學(xué)通路并能直觀地觀測(cè)到燃燒室內(nèi)部的火焰．燃燒室尾端與大氣相通，所有實(shí)驗(yàn)在101kPa的大氣壓下進(jìn)行．目標(biāo)火焰的光學(xué)照片如圖1(b)所示，燃燒室入口平均速度為3m/s，當(dāng)量比為0.8．

本文采用了多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)為對(duì)比FGM和DTF燃燒模型在預(yù)測(cè)氨氣旋流火焰提供數(shù)據(jù)．測(cè)量設(shè)備如圖2所示，其中燃燒室的速度場(chǎng)通過(guò)PIV測(cè)量，火焰OH組分通過(guò)OH-PLIF測(cè)量，排放數(shù)據(jù)通過(guò)Gasmet DX4000煙氣分析儀測(cè)量．圖2為OH-PLIF&PIV系統(tǒng)，其中OH-PLIF系統(tǒng)主要由Nd：YAG激光器(QuantaRay Pro-190)、染料激光器(SirahPRSC-G-3000)以及片光原件、ICCD相機(jī)(LaVision Image ProX)等構(gòu)成．PIV系統(tǒng)主要包含雙脈沖YAG激光器(Litron Nano TRL 325-15 PIV)、片光器、CCD相機(jī)(LaVision Imager LX 2M)和粒子發(fā)生器(LaVision particle seeder)等構(gòu)成．

圖1?燃燒器示意和目標(biāo)火焰光學(xué)照片

圖2?OH-PLIF&PIV激光診斷系統(tǒng)

2?燃燒模型及數(shù)值方法

2.1?FGM模型

FGM模型是典型的小火焰模型，小火焰類模型最初由Peters[11]提出，隨后拓展到湍流非預(yù)混、預(yù)混和部分預(yù)混火焰的研究中．小火焰面燃燒是基于“小尺度的渦不能進(jìn)入火焰面內(nèi)反應(yīng)層”假設(shè)建立的，也就是說(shuō)這個(gè)假設(shè)規(guī)定了湍流作用只會(huì)對(duì)火焰產(chǎn)生彎曲、拉伸等作用，并不會(huì)進(jìn)入反應(yīng)區(qū)影響化學(xué)反應(yīng)．基于這樣的假設(shè)，就可以將湍流作用和化學(xué)反應(yīng)解耦．在本文中，目標(biāo)火焰為預(yù)混氨氣火焰，所以沒(méi)有組分的分層，因此火焰面通過(guò)二維建表的方法計(jì)算，控制變量為：進(jìn)展變量和焓．進(jìn)展變量用于描述從新鮮混合物到燃燒氣體的過(guò)渡，其定義為物種質(zhì)量分?jǐn)?shù)的線性組合，如式(2)所示：

式中：s是物種總數(shù)；是可任意選擇的加權(quán)系數(shù)；Y是物種的質(zhì)量分?jǐn)?shù)．應(yīng)確保從未燃燒混合物到化學(xué)平衡的整個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的單調(diào)分布．在本研究中，＝-100，＝-100，＝-100，＝-100，以及＝0(對(duì)于其他物種)．M是物種的分子量．這種方法可以優(yōu)化化學(xué)分辨率．

為了確定燃燒室壁的熱損失，本研究考慮了焓．采用比焓作為描述能量的控制變量之一，定義為式(3)：

式中：是參考溫度下的生成焓，在當(dāng)前研究中為300K；是物種i在恒壓下的比熱容．使用預(yù)先建表的方法，先行使用Chem 1D[12]求解好化學(xué)反應(yīng)速率等燃燒參數(shù)，將這些參數(shù)映射到進(jìn)展變量γ和焓h中，將火焰面內(nèi)高維度空間的組分濃度分布于某個(gè)低緯度流形附近．圖3展示了以溫度為例的建表?結(jié)果．

FGM所建的數(shù)據(jù)表可以與基于OpenFOAM的FGM求解器耦合．除了動(dòng)量和質(zhì)量方程外，還求解了控制變量的輸運(yùn)方程．采用Smagorinsky模型來(lái)閉合這些方程的非線性項(xiàng)．這樣，控制變量的傳輸方程可以寫(xiě)為式(4)：

在燃燒求解過(guò)程中，火焰面內(nèi)的組分濃度以及溫度可以用進(jìn)展變量和焓表征．這將大為降低計(jì)算量，F(xiàn)GM燃燒模型的最大優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算速度快，因?yàn)樗⒉粚?duì)組分方程進(jìn)行求解，而是通過(guò)查找預(yù)建表獲取化學(xué)反應(yīng)信息，模型詳見(jiàn)筆者之前的工作[13]．

2.2?DTF模型

增厚火焰按照分類屬于有限化學(xué)反應(yīng)速率燃燒模型，該燃燒模型將求解所有的組分和所有的反應(yīng).對(duì)層流預(yù)混火焰來(lái)說(shuō)，火焰厚度一般在0.1～1mm之間，實(shí)際使用的LES網(wǎng)格為0.5mm，而要準(zhǔn)確表述化學(xué)反應(yīng)，需要在火焰面內(nèi)有5～10個(gè)網(wǎng)格[14]，所以化學(xué)反應(yīng)在這種網(wǎng)格中是無(wú)法被直接解析的．DTF模型是將火焰面經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)處理后，其厚度被增加到足夠厚，以至于一般大渦模擬網(wǎng)格可以直接解析火焰面內(nèi)部結(jié)構(gòu)．同時(shí)，它又保證局部的層流火焰速度保持不變．在以往的研究當(dāng)中，褶皺因子取0.5在穩(wěn)態(tài)條件下會(huì)得到滿意的結(jié)果，該經(jīng)驗(yàn)值參考了文獻(xiàn)[15]. Charlette等[15]的建議值0.5是根據(jù)充分發(fā)展的湍流燃燒計(jì)算結(jié)果給出的，符合本文的要求．在增厚區(qū)域的選擇上，本文通過(guò)進(jìn)展變量來(lái)判斷火焰面的位置，進(jìn)行動(dòng)態(tài)增厚．理想的DTF模型應(yīng)滿足對(duì)火焰面內(nèi)部均勻增厚的要求．因此在探測(cè)火焰面位置時(shí)引入雙曲正切函數(shù)tanh()．同樣采用＝16(1－)2探測(cè)火焰面的位置，然后把放入雙正切函數(shù)中，得到式(5)：

式中：為進(jìn)展變量(在模擬中，可以采用溫度定義進(jìn)展變量)；為常數(shù)，控制增厚區(qū)域和非增厚區(qū)域之間的過(guò)渡層厚度．該方法可以對(duì)火焰面內(nèi)部進(jìn)行均勻增厚，理論上可以避免已燃?xì)怏w平衡態(tài)來(lái)臨過(guò)晚的問(wèn)題，同時(shí)又可以像全局增厚火焰模型那樣對(duì)整個(gè)火焰面進(jìn)行有效的增厚．隨時(shí)間和空間變化的增厚系數(shù)采用式(6)表示：

模型詳細(xì)的介紹詳見(jiàn)筆者之前的工作[16]．

2.3?模型設(shè)置

模擬的計(jì)算域及邊界條件如圖4(a)所示，計(jì)算域與實(shí)驗(yàn)保持一致，在模擬中兩模型的算例均使用同樣的邊界條件進(jìn)行計(jì)算，無(wú)滑移的速度邊界條件應(yīng)用于燃燒室壁面和葉片壁面，出口采用非反射壁面以減少回流影響；通過(guò)設(shè)置等溫壁面來(lái)考慮熱損失，實(shí)驗(yàn)測(cè)量在本文研究工況下壁面的平均溫度為480K，其他壁面設(shè)置為絕熱．計(jì)算網(wǎng)格使用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為500萬(wàn)，在火焰根部區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格加密，火焰區(qū)域網(wǎng)格尺寸小于0.4mm，氨氣火焰在目標(biāo)火焰工況下的火焰厚度為1mm左右，該尺寸網(wǎng)格能達(dá)到計(jì)算要求，同時(shí)在筆者之前研究中也證明了該網(wǎng)格的合理性[17]，圖4(b)為網(wǎng)格細(xì)節(jié)．實(shí)驗(yàn)中采用整流孔板和管流剪切產(chǎn)生湍流，模擬中為達(dá)到一致的效果，本文入口湍流通過(guò)LEMOS湍流入口[18-19]發(fā)生器給定，該湍流發(fā)生所需的平均流速、積分長(zhǎng)度和湍流強(qiáng)度均由實(shí)驗(yàn)測(cè)量給定，其中湍流強(qiáng)度進(jìn)行了各項(xiàng)同性假設(shè)，在湍流入口下游預(yù)留了10mm的發(fā)展段，使得入口流場(chǎng)適應(yīng)管路外壁面從而更貼合實(shí)際，隨后旋流由葉片組織．

本文對(duì)比研究的FGM和DTF燃燒模型均基于開(kāi)源平臺(tái)OpenFOAM 2.3.x開(kāi)發(fā)．采用PISO算法求解壓力速度耦合，梯度項(xiàng)和拉普拉斯項(xiàng)采用二階精度的TVD格式離散，瞬態(tài)項(xiàng)使用隱式Euler格式離散，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1×10-6，使得庫(kù)朗數(shù)小于0.4. FGM和DTF均先計(jì)算冷態(tài)流場(chǎng)，待冷態(tài)流場(chǎng)計(jì)算穩(wěn)定后進(jìn)行點(diǎn)火，F(xiàn)GM采用在葉片上方設(shè)置20mm×20mm區(qū)域的進(jìn)展變量＝0.5進(jìn)行點(diǎn)火，DTF采用在葉片上方設(shè)置70mm×35mm區(qū)域溫度＝1500K進(jìn)行點(diǎn)火．因?yàn)椴煌Ｐ退憷捎玫狞c(diǎn)火方式不同，所以后續(xù)分析是基于計(jì)算完全穩(wěn)定后進(jìn)行的.在點(diǎn)火后計(jì)算了10個(gè)流通時(shí)間FTT(flow-through times)，進(jìn)行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)．所有計(jì)算在實(shí)驗(yàn)室高性能計(jì)算集群，浪潮NF5280M5(Intel Xeon-E5，360核心)上完成，F(xiàn)GM使用4000核時(shí)，DTF使用約26000核時(shí)，可見(jiàn)FGM模型計(jì)算效率比TDF模型高很多．兩模型均使用了31組分、243反應(yīng)的氨氣簡(jiǎn)化機(jī)理[20]，該機(jī)理在氨氣模擬中的準(zhǔn)確性已在筆者之前的研究中得到驗(yàn)證[9]．此外筆者通過(guò)一維層流模擬對(duì)比了該機(jī)理與Konnov[21]機(jī)理預(yù)測(cè)主要排放物的結(jié)果，計(jì)算工況為氨氣當(dāng)量比0.8．主要排放的結(jié)果如圖4(c)所示，可以看出31組分機(jī)理可以較好地預(yù)測(cè)純氨氣的排放生成．進(jìn)一步驗(yàn)證了使用該機(jī)理的合理性．

3?結(jié)果與討論

3.1?速度場(chǎng)對(duì)比

在旋流火焰數(shù)值模擬中，速度場(chǎng)的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比是最為基礎(chǔ)且重要的環(huán)節(jié)，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)火焰流場(chǎng)是進(jìn)行各項(xiàng)分析的首要任務(wù)，圖5對(duì)比了FGM和DTF兩種燃燒模型計(jì)算的氨氣旋流火焰速度場(chǎng)，圖5(a)為軸向平均速度和RMS速度，圖5(b)為周向平均速度和RMS速度，黑色點(diǎn)為PIV實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，紅色線和藍(lán)色線分別為FGM及DTF預(yù)測(cè)結(jié)果．對(duì)于軸向平均速度，出口位置處兩種模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果有較大的偏差：一方面是由于出口位置處旋流流場(chǎng)較為復(fù)雜，動(dòng)態(tài)Smagorinsky對(duì)該流場(chǎng)的預(yù)測(cè)有一定的不足；另一方面由于出口位置附近的下壁面在實(shí)驗(yàn)中對(duì)PIV入射片光存在一定的反射，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果也存在一定的誤差．兩方面原因造成出口處模擬與實(shí)驗(yàn)偏差較大．在下游處，兩模型預(yù)測(cè)的軸向速度與實(shí)驗(yàn)較為吻合，F(xiàn)GM整體略高于DTF，同時(shí)在壁面附近比DTF高．兩種模型預(yù)測(cè)的軸向湍流脈動(dòng)速度與實(shí)驗(yàn)吻合程度基本一致．對(duì)于周向平均速度，兩模型均捕捉到了流場(chǎng)特征，但是下游處旋流的程度捕捉不足，周向脈動(dòng)速度在上游處的兩種模型結(jié)果較為一致，F(xiàn)GM與實(shí)驗(yàn)相對(duì)更加吻合一些，但是下游處，DTF與實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)較大偏差，低估了周向湍流脈動(dòng)速度，造成這種現(xiàn)象的原因在于DTF在上游過(guò)大地選擇了反應(yīng)區(qū)域的增厚處理，從而影響了下游的流場(chǎng)脈動(dòng)．

圖6計(jì)算了兩模型軸向和周向速度與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的平均誤差，可以看出在平均速度場(chǎng)上，DTF預(yù)測(cè)相對(duì)更加準(zhǔn)確一些．在湍流脈動(dòng)場(chǎng)上FGM更貼合實(shí)際，而DTF出現(xiàn)較大誤差，尤其是周向脈動(dòng)相對(duì)誤差大于30%．

圖6 DTF和FGM兩種不同模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的平均?誤差

3.2?火焰結(jié)構(gòu)對(duì)比

為對(duì)比兩燃燒模型預(yù)測(cè)火焰結(jié)構(gòu)的差異，圖7(a)進(jìn)行了瞬時(shí)溫度場(chǎng)的對(duì)比，從圖中可以看出FGM計(jì)算的溫度場(chǎng)整體上比DTF計(jì)算的高，F(xiàn)GM模型的溫度場(chǎng)中有大量的高溫氣體(＞1800K)聚集在中心回流區(qū)中，而DTF模型的溫度場(chǎng)中僅有少量存在于火焰的根部，由于缺乏溫度場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，目前還無(wú)法判斷哪個(gè)模型預(yù)測(cè)溫度場(chǎng)更準(zhǔn)確．圖7(b)對(duì)比了OH-PLIF信號(hào)與兩模型預(yù)測(cè)的OH組分場(chǎng)，兩燃燒模型均能夠很好地捕捉OH在場(chǎng)內(nèi)分布的相對(duì)強(qiáng)度，即反應(yīng)區(qū)域OH信號(hào)強(qiáng)度最高，內(nèi)回流區(qū)信號(hào)較弱，外回流區(qū)基本沒(méi)有OH信號(hào)．但是可以看出FGM計(jì)算結(jié)果展示的火焰面褶皺明顯多于DTF計(jì)算的火焰面褶皺，F(xiàn)GM結(jié)果與實(shí)驗(yàn)更為接近，尤其是FGM捕捉到了火焰面上小尺度的褶皺，而DTF只有較大的火焰褶皺，這和DTF增厚反應(yīng)區(qū)域的操作以及定值褶皺因子修正丟失火焰面信息能力的不足有關(guān)．此外可以看出，F(xiàn)GM預(yù)測(cè)到了OH的孤島，該瞬態(tài)特征與實(shí)驗(yàn)高度一致，所以在火焰結(jié)構(gòu)瞬態(tài)特征捕捉上FGM 比DTF更具有優(yōu)勢(shì)．圖7(c)對(duì)比了OH平均場(chǎng)，兩模型OH平均結(jié)果存在較小的差異：其一，F(xiàn)GM計(jì)算平均火焰面較直，而DTF計(jì)算平均火焰面有向內(nèi)凹的形態(tài)，但兩模型計(jì)算平均結(jié)果表示的火焰張角基本一致并與實(shí)驗(yàn)吻合較好；其二，實(shí)驗(yàn)上外回流區(qū)沒(méi)有OH信號(hào)，但FGM平均計(jì)算結(jié)果在外回流區(qū)捕捉到部分OH信號(hào)，DTF的外回流區(qū)基本不存在OH 信號(hào)．

圖7 DTF和FGM兩種不同燃燒模型計(jì)算的瞬態(tài)溫度場(chǎng)、瞬態(tài)OH場(chǎng)和平均OH場(chǎng)對(duì)比

3.3?排放預(yù)測(cè)結(jié)果的對(duì)比

氨氣燃燒應(yīng)用所面臨的重要挑戰(zhàn)之一是由于燃料含N所引起的高NO排放，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)氨氣火焰氮氧化物的排放是氨氣旋流火焰數(shù)值模擬不同于其他燃料模擬的一個(gè)要求．多項(xiàng)研究已經(jīng)表明NO中NO為主要成分，占到總量的90%以上，其次為N2O和NO2．為了對(duì)比驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，本文采用FTIR測(cè)量了燃燒器出口的氮氧化物以及未燃NH3的含量，取樣針?lè)胖迷谌紵鞒隹谏戏?50mm處，如圖8所示．取樣時(shí)，先預(yù)熱主機(jī)和采樣器，當(dāng)儀器達(dá)到工作溫度后進(jìn)行儀器零點(diǎn)標(biāo)定，每次測(cè)量時(shí)保證測(cè)量數(shù)據(jù)隨時(shí)間達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)后保存數(shù)據(jù)，所測(cè)污染物值在40s后維持穩(wěn)定，待穩(wěn)定后統(tǒng)計(jì)20s的數(shù)據(jù)求取平均后作為實(shí)驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行模擬比對(duì)的參照．

圖8?實(shí)驗(yàn)測(cè)量污染區(qū)示意

在模擬中，采用靠近燃燒器出口橫界面處的空間時(shí)間平均污染物(STAE)值[22]來(lái)表示，單位為10-6，與實(shí)驗(yàn)一致．圖9為NH3、NO、N2O和NO2的模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)比，黑色為實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)不確定度，紅色為FGM結(jié)果，藍(lán)色為DTF結(jié)果．在氨氣火焰中，未燃NH3也是需要考慮的排放物之一，因?yàn)槟繕?biāo)火焰工況處于稀燃狀態(tài)，所以NH3的排放較低，兩模型均捕捉到了這個(gè)特征，相比之下，DTF與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為接近且比FGM預(yù)測(cè)結(jié)果低，這表明DTF計(jì)算的燃料消耗率大于FGM．NO為氮氧化物排放的主要組成成分，DTF低估了NO數(shù)值而FGM高估了NO數(shù)值，后文將分析出現(xiàn)這種差異的原因．N2O預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)了較大的偏差，產(chǎn)生這種較大偏差的原因在于模擬所使用的機(jī)理為Konnov氨氣詳細(xì)機(jī)理的簡(jiǎn)化機(jī)理，對(duì)N2O的預(yù)測(cè)不夠準(zhǔn)確．NO2是氮氧化物排放中占比最少的組分，兩模型預(yù)測(cè)結(jié)果接近實(shí)驗(yàn)測(cè)量值. 兩模型均預(yù)測(cè)了氮氧化物中三組分的相對(duì)大小，總體而言，兩模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合，由于DTF求解了所有組分方程，所以對(duì)組分預(yù)測(cè)的精度略高于FGM模型．

圖9?不同模型預(yù)測(cè)排放的STAE值

為了進(jìn)一步分析兩種模型預(yù)測(cè)結(jié)果差異的原因，圖10展示了截面上兩模型計(jì)算以上4種組分的云圖，各圖左半邊是FGM結(jié)果，右半邊是DTF結(jié)果．圖10(a)為NH3，可以看出FGM在下游壁面處還存在部分未燃NH3，這表明DTF的燃料消耗率大于FGM，從上文結(jié)果可以推斷，DTF的NH3結(jié)果更符合實(shí)際，除此之外兩種模型均捕捉到了外回流區(qū)的NH3聚集，這是由于外回流區(qū)組分輸運(yùn)的作用，使得有部分未燃混合氣進(jìn)入外回流區(qū)，外回流區(qū)出現(xiàn)的反應(yīng)也是由該部分未燃?xì)怏w提供燃料進(jìn)行的．圖10(b)為NO組分分布對(duì)比，總體上NO的分布具有一致性，即外回流區(qū)存在一定NO，火焰面位置處NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高而內(nèi)回流區(qū)NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低．同時(shí)可以看出兩種模型預(yù)測(cè)結(jié)果有一定的差異，差異主要體現(xiàn)在兩點(diǎn)：其一，根部質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同，可以看出FGM計(jì)算結(jié)果NO在根部的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與下游差別不大，而DTF在根部以及火焰面區(qū)域有較高的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；其二，DTF內(nèi)回流區(qū)的NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)相較于FGM小很多．以上兩點(diǎn)差異導(dǎo)致了FGM比DTF預(yù)測(cè)NO結(jié)果更高，F(xiàn)GM高估NO排放數(shù)值而DTF低估NO排放數(shù)值．造成DTF內(nèi)回流區(qū)NO較低的原因?qū)⒃谙挛闹蟹治?，由于O2的輸運(yùn)，使得DTF內(nèi)回流區(qū)有相對(duì)較高的氧含量，局部更加貧燃的狀態(tài)導(dǎo)致了NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低．圖10(c)為N2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)場(chǎng)，可以看出N2O主要產(chǎn)生于反應(yīng)區(qū)，在已燃區(qū)基本沒(méi)有N2O分布，未燃區(qū)的N2O為反應(yīng)區(qū)擴(kuò)散，通過(guò)未燃區(qū)無(wú)N2O分布表明N2O是一種燃料依賴型排放物，NH3的含量對(duì)其產(chǎn)生具有十分重要的影響．對(duì)比兩模型預(yù)測(cè)N2O的結(jié)果，可以看出兩模型在N2O總量和分布上較為相近，DTF在外回流區(qū)預(yù)測(cè)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，這與DTF計(jì)算的NH3燃料消耗率較高也是一致的．圖10(d)展示了NO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布，F(xiàn)GM與DTF有較大的差異，前文預(yù)測(cè)總量體現(xiàn)了差異，DTF預(yù)測(cè)值比FGM高，從云圖中也能更直觀地看到差異，F(xiàn)GM只有在反應(yīng)區(qū)和未燃區(qū)有NO2分布，而DTF在整場(chǎng)都有NO2分布，這和兩模型的方法不同有很大的關(guān)系，本文FGM中通過(guò)進(jìn)展變量和焓值來(lái)表征火焰的發(fā)展，兩個(gè)控制變量計(jì)算結(jié)果通過(guò)一維火焰面映射出其余的場(chǎng)數(shù)據(jù)，在一維計(jì)算中，已燃區(qū)是不存在NO2的，所以三維LES計(jì)算中，F(xiàn)GM在中部?jī)?nèi)回流區(qū)也是沒(méi)有NO2分布，而DTF將求解所有的組分方程，不存在過(guò)多的假設(shè)，所以內(nèi)回流區(qū)有NO2組分的出現(xiàn)，使得總量大于FGM計(jì)算結(jié)果，更接近實(shí)際測(cè)量值．

圖10?DTF和FGM兩種不同燃燒模型計(jì)算的組分場(chǎng)對(duì)比

3.4?反應(yīng)路徑分析

氨氣火焰主要污染物NO的生成具有一定的反應(yīng)路徑，從NH3到生成NO遵循一定的規(guī)律，為進(jìn)一步分析兩模型模擬氨氣火焰NO排放效果，論證兩模型預(yù)測(cè)污染物的可靠性，下文進(jìn)行了反應(yīng)路徑的分析．可靠性從基元反應(yīng)和基元組分的角度考慮，需要兩模型準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出關(guān)鍵組分的分布，只有生成NO的關(guān)鍵組分預(yù)測(cè)是準(zhǔn)確的，才能有力地說(shuō)明兩模型預(yù)測(cè)的排放數(shù)值有據(jù)可依．為研究?jī)赡Ｐ湍M氨氣火焰中的主要反應(yīng)路徑和關(guān)鍵組分，首先進(jìn)行零維化學(xué)反應(yīng)路徑計(jì)算，該計(jì)算基于Cantera開(kāi)發(fā)的零維定壓反應(yīng)容器計(jì)算器[23]，設(shè)置初始條件為絕熱條件，初始反應(yīng)溫度為1700K，該反應(yīng)溫度設(shè)置參考了LES計(jì)算中火焰面的溫度數(shù)值．圖11為零維計(jì)算結(jié)果，結(jié)果展示了NO最主要的生成路徑，NH3會(huì)進(jìn)行連續(xù)脫氫反應(yīng)，即NH3→NH2→NH，NH將被氧化為HNO，HNO進(jìn)一步氧化生成NO，同時(shí)，在NH3生成NO的過(guò)程中，OH、O和H也承擔(dān)了重要的角色．此外NH3主要通過(guò)NH2→N2H2→NNH路徑生成N2，在后續(xù)研究中，主要考察NH3-、NH2、NH、HNO以及NO在三維模擬中是否也具有順序的轉(zhuǎn)化路徑．

圖11?NH3反應(yīng)路徑的零維層流分析

圖12(a)表示了NH3、NH2、NH以及NO組分的同步模擬結(jié)果，左側(cè)為FGM模型計(jì)算結(jié)果，右側(cè)為DTF計(jì)算結(jié)果，其中HNO組分由于幾乎完全與NH重合，因此沒(méi)有在圖中表示，黑白色為NH3分布，黃色為NH2分布，紫色為NH分布，棕色為NO分布．從圖中可以看出兩種模型計(jì)算結(jié)果存在明顯的次序，即NH3→NH2→NH，這表明兩模型均能很好地捕捉不同組分之間的轉(zhuǎn)變過(guò)程．對(duì)比兩模型，可以看出在NH2組分場(chǎng)上有較為明顯的區(qū)別，F(xiàn)GM計(jì)算結(jié)果中NH2的分布較廣．圖12(b)為CHEMKIN計(jì)算的1D層流火焰面中從未燃NH3到完全燃燒過(guò)程中各組分的變化情況，可以看出NH2首先增大，隨后NH含量增大，在NH開(kāi)始增大后，NO組分含量增大，上述次序和前文Cantera零維計(jì)算結(jié)果吻合，NO達(dá)峰之后，保持不變，表明NO的相關(guān)反應(yīng)達(dá)到平衡，生成速率和消耗速率相等．此外OH質(zhì)量分?jǐn)?shù)在NH達(dá)峰之后也開(kāi)始急劇增大，隨后逐漸減小，這與LES計(jì)算的OH質(zhì)量分?jǐn)?shù)在火焰面處相對(duì)較高現(xiàn)象一致．

為探究FGM和DTF模型在預(yù)測(cè)氨氣旋流火焰時(shí)火焰面是否也存在和一維火焰類似的結(jié)果，提取了圖12(a)中白色箭頭所示火焰面處的數(shù)據(jù)，提取順序從B到A，共計(jì)8mm長(zhǎng)．總體上來(lái)說(shuō)，F(xiàn)GM和DTF結(jié)果與一維計(jì)算在量級(jí)和組分增減次序上保持了高度一致，但是兩模型計(jì)算結(jié)果與一維計(jì)算結(jié)果保持一致的原因是有差異的．FGM通過(guò)控制變量查一維層流火焰面表得到相應(yīng)的組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)，所以從A到B提取組分?jǐn)?shù)據(jù)所得到的結(jié)果必然與一維計(jì)算結(jié)果類似，差異性主要體現(xiàn)在湍流-火焰作用上，湍流作用使得FGM兩個(gè)控制變量的分布具有不規(guī)律的特性，這種不規(guī)律體現(xiàn)在映射場(chǎng)上就反映了湍流對(duì)組分的影響．DTF計(jì)算的結(jié)果與一維計(jì)算保持一致主要是因?yàn)槟繕?biāo)火焰的湍流強(qiáng)度低，工況處于湍流火焰分區(qū)中的薄反應(yīng)區(qū)，該區(qū)域滿足火焰面假設(shè)，即火焰可以看作完整的面，湍流不會(huì)影響火焰面的內(nèi)部，這種工況下，湍流火焰面與層流火焰面類似，從未燃?xì)獾揭讶即┻^(guò)火焰面時(shí)，組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化是類似的．但如果目標(biāo)模擬火焰的湍流強(qiáng)度過(guò)高時(shí)，F(xiàn)GM模型的火焰面假設(shè)將不再成立，但DTF模型仍然具有模擬該火焰的能力．對(duì)比圖12(c)和圖(d)，可以看出除了上述的一致性外，還存在差異性．兩模型模擬結(jié)果最明顯的差別在于對(duì)于O2組分的模擬結(jié)果，可以看出FGM的O2模擬結(jié)果與一維結(jié)果趨勢(shì)一致，在火焰面靠近已燃區(qū)位置處O2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降到很低，而DTF預(yù)測(cè)的O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)在靠近已燃區(qū)位置處反而有上升，這種變化趨勢(shì)是由于在DTF模擬中，由于內(nèi)回流區(qū)的速度很低，存在大量的回流，使得未燃新鮮氣進(jìn)入回流區(qū)，導(dǎo)致了O2含量不降反增的情況，從而也導(dǎo)致了DTF預(yù)測(cè)內(nèi)回流區(qū)NO濃度較低．此外，兩模型預(yù)測(cè)的火焰面厚度幾乎一致，參照NH表征反應(yīng)區(qū)，F(xiàn)GM火焰厚度為1.9mm，DTF火焰厚度為1.8mm，均比一維計(jì)算結(jié)果火焰面厚度(4mm)薄，這表明了湍流對(duì)火焰面厚度的影響．

4?結(jié)?論

本文采用FGM燃燒模型和DTF燃燒模型對(duì)氨氣旋流火焰開(kāi)展了大渦模擬對(duì)比研究．在相同網(wǎng)格、邊界條件以及初始條件等設(shè)置下，對(duì)同一個(gè)目標(biāo)火焰的燃燒室流場(chǎng)、火焰結(jié)構(gòu)以及排放特性的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了比較分析．

(1)在使用31組分、243反應(yīng)的氨氣簡(jiǎn)化機(jī)理時(shí)，F(xiàn)GM計(jì)算效率比DTF計(jì)算效率高5倍多，因?yàn)镕GM只用求解速度方程和兩個(gè)控制變量方程，而DTF則需要求解速度方程以及所有的31個(gè)組分方程，在工業(yè)應(yīng)用中更高效率的FGM模型更具有優(yōu)勢(shì).

(2)兩種模型在流場(chǎng)預(yù)測(cè)上均有較高的準(zhǔn)確性：平均速度場(chǎng)上，DTF預(yù)測(cè)相對(duì)更加準(zhǔn)確一些；而在湍流脈動(dòng)場(chǎng)上，F(xiàn)GM更貼合實(shí)際，DTF在周向脈動(dòng)出現(xiàn)較大誤差．

(3)在火焰結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方面，兩模型模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)在火焰根部吻合程度較高，尤其是OH信號(hào)和實(shí)驗(yàn)有較高的吻合程度，在火焰鋒面預(yù)測(cè)上FGM更具?優(yōu)勢(shì)．

(4)在污染物預(yù)測(cè)方面，DTF結(jié)果相對(duì)更接近實(shí)驗(yàn)測(cè)量值，F(xiàn)GM較高預(yù)測(cè)了NO的排放，這與FGM存在假設(shè)而DTF是求解所有組分方程有關(guān)．

綜合討論，兩模型均有較高的模擬精度，滿足氨氣旋流火焰模擬需求．DTF因?yàn)榭紤]了所有的組分輸運(yùn)，是一種完全還原物理過(guò)程的方法，所以在組分模擬更具優(yōu)勢(shì)．而FGM采用了預(yù)先建表的方法，只用求解有限的控制變量方程，所以在計(jì)算效率上具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)．在模擬結(jié)果不需要十分精確的組分信息以及各基元反應(yīng)的反應(yīng)速率時(shí)，優(yōu)先推薦使用效率更高的FGM模型，當(dāng)FGM模型計(jì)算不滿足需求時(shí)，可以使用DTF模型．

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Study on Adaptability of Large Eddy Simulation Combustion Model to Ammonia Swirling Flame

Sun Junjian1，Zhang Liye2，Sun Guijun2，An Zhenhua3，Wang Jinhua3，Zhang Meng3，Huang Zuohua3，Sun Chen4，Yang Mucun4

(1. State Power Investment Group Northeast Power Co.，Ltd，Shenyang 110181，China；2. Chaoyang Yanshanhu Power Generation Co.，Ltd，Chaoyang 122099，China；3. State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China；4. State Power Investment Corporation Research Institute Co.，Ltd，Beijing 102209，China)

Promoting the use of carbon free fuel is an effective way to achieve the goal of “carbon peaking，carbon neutrality”. As a carbon free fuel，ammonia gas has advantages such as perfect infrastructure and high safety. Numerical simulation plays an important role in the design and development of gas turbines，and the adaptability of combustion models to the calculation object is important，affecting the calculation accuracy and calculation efficiency. Aimed at the ammonia swirling flame，the standardization experiment and simulation of ammonia swirling flame were carried out based on the open source platform OpenFOAM. The performances of FGM combustion model and DTF combustion model in the flow field，flame structure and pollutant prediction were compared. Finally，through the comprehensive analysis，the suggestions for model selection are given，providing reference for the simulation and calculation of ammonia-fueled engine combustors and ammonia-fueled burners.

ammonia swirling flame；large eddy simulation；model comparison；FGM combustion model；DTF combustion model

TK11

A

1006-8740(2022)03-0261-10

2021-11-05．

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(91841302，51776164)．

孫君建（1973—??），男，高級(jí)工程師，sunjjzw@163.com.

王金華，男，博士，教授，jinhuawang@xjtu.edu.cn.

10.11715/rskxjs.R202111016

(責(zé)任編輯：武立有)