H_2CO湍流預(yù)混火焰面與渦團(tuán)相互作用的直接數(shù)值模擬

1、H_2/CO湍流預(yù)混火焰面與渦團(tuán)相互作用的直接數(shù)值模擬我國作為多煤炭少油少天然氣的國家, 長久以來以煤炭為主體的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)在為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展做出突出貢獻(xiàn)的同時(shí)也對我國的環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的傷害。雖然政府已經(jīng)開始重視調(diào)節(jié)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu), 但是這是個(gè)長期的過程 , 并且煤炭作為廉價(jià)經(jīng)濟(jì)的能源并不會(huì)迅速退出歷史舞臺(tái), 因此在使用煤炭的同時(shí)如何做到高效清潔的利用也成為了當(dāng)務(wù)之急。而煤基多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)可以將煤氣化將其變?yōu)楹铣蓺膺M(jìn)行清潔利用并且副產(chǎn)物可以通過梯級利用來降低成本, 因此這項(xiàng)技術(shù)不失為一條清潔高效燃用煤炭的道路。所制得的合成氣一般都含有一定量的氫氣, 鑒于氫氣極其活潑的化學(xué)特性,如何科學(xué)安全的利用合成氣

2、也成為了一項(xiàng)科學(xué)課題。數(shù)值模擬作為可以深入了解湍流燃燒機(jī)理的手段已經(jīng)得到了廣大研究者的認(rèn)可 , 直接數(shù)值模擬無需對于湍流進(jìn)行任何假設(shè)就可以獲得盡量多的流動(dòng)信息,詳細(xì)機(jī)理反應(yīng)則可以深入了解燃燒反應(yīng)中重要中間產(chǎn)物的詳細(xì)變化, 本文基于低馬赫數(shù)下的納維斯托克斯湍流方程以及詳細(xì)機(jī)理求解燃燒反應(yīng)開發(fā)了一套直接數(shù)值模擬湍流燃燒程序 , 并且通過與湍流火焰面相互作用的實(shí)驗(yàn)解和層流火焰速度對比驗(yàn)證證明了程序在進(jìn)行湍流燃燒計(jì)算上的準(zhǔn)確性。本文借用該程序?qū)τ诤唵魏铣蓺?H₂/CO湍流預(yù)混燃燒在諸多情況下的火焰面特性進(jìn)行了研究。首先使用譜方法對于不同當(dāng)量比和不同湍流數(shù)下

3、處于小火焰區(qū)湍流燃燒的二維火焰面與各向同性湍流的相互作用情況進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn), 在經(jīng)過一個(gè)特征湍流時(shí)間尺度 后貧燃工況出現(xiàn)了回火現(xiàn)象, 湍流對于其火焰面產(chǎn)生了明顯的擠壓并且火焰面的傳播速度大于其層流火焰速度。而富燃工況火焰面雖然劇烈褶皺但是其火焰面?zhèn)鞑ッ娣e變化率的概率分布以零值線成軸對稱 , 這說明火焰面在場中的平均位置不會(huì)發(fā)生變化?；鹧婷骈L度與當(dāng)量比相關(guān)性不大但是與湍流數(shù)成正相關(guān)?；鹧婷嫔?OH大多富集在火焰面的凸面, 在凹面的分布較少。 其次通過二維配對渦通過火焰面對于不同合成氣比例與不同稀釋氣比例下的火焰面局部熄火情況進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn) , 隨著 H<sub>2<

4、/sub>在合成氣中比例降低或是稀釋氣比例增加,湍流渦團(tuán)的運(yùn)動(dòng)與火焰面的相互作用明顯變強(qiáng), 體現(xiàn)為渦團(tuán)脫離時(shí)間變長, 渦團(tuán)形態(tài)發(fā)生明顯變化 , 但是相互作用的改變對于H₂比例降低更為敏感。而配對渦脫離時(shí)造成的熄火現(xiàn)象實(shí)質(zhì)上只是H₂組分化學(xué)速率迅速降低 ,CO組分的燃燒并不會(huì)停止 , 只是會(huì)因?yàn)?H₂基本不燃燒導(dǎo)致了局部溫度偏低從而CO燃燒變慢。而配對渦脫離一段時(shí)間后, 高 H₂比例或低稀釋氣比例的火焰面會(huì)因

5、為擴(kuò)散 - 熱力效應(yīng)變?yōu)椴环€(wěn)定的細(xì)胞火焰。在對熄火特性進(jìn)行研究的同時(shí),也使用三維定容封閉法針對合成氣湍流情況下不同當(dāng)量比、壓力、等離子體濃度以及稀釋氣比例下的自著火特性做了一定的探討。研究發(fā)現(xiàn) , 自著火延遲與當(dāng)量比關(guān)系不大, 但是加大壓力和添加等離子體會(huì)顯著減小著火延遲 , 壓力通過增大化學(xué)反應(yīng)速率對著火延遲產(chǎn)生影響而等離子體則通過分解產(chǎn)生O自由基使反應(yīng)更容易進(jìn)行。 添加稀釋氣則可以適當(dāng)增大著火延遲。而在針對于特定火焰面進(jìn)行了一系列研究后, 最后針對于添加O₃后的貧燃合成氣湍流預(yù)混的近場自由燃燒射流進(jìn)行了三維模擬。研究發(fā)現(xiàn) ,O₃在軸向 8D 9D位置開始影響整個(gè)場的組分場以及溫度場 , 燃料明顯加快消耗并且溫度有所升高, 但是近場產(chǎn)物中只促進(jìn)了CO₂的生成 , 對 H₂O影響不大。而從火焰面沿時(shí)間的變化曲線上看來,O₃會(huì)增大點(diǎn)火時(shí)期的火焰面面積 , 以及促進(jìn)合成氣燃燒的點(diǎn)火過程, 使燃燒更早發(fā)生。而從統(tǒng)計(jì)量的概率密度