地面火炬燃燒數(shù)值模擬研究

地面火炬燃燒數(shù)值模擬研究

1地面火炬燃燒模擬學(xué)的應(yīng)用由于其安全性能高、維護(hù)方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，多孔地面燃燒廣泛應(yīng)用于人類的事務(wù)中。但是,在燃燒時(shí)火炬氣沒有充分燃燒,有黑煙析出,污染環(huán)境隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和模擬燃燒學(xué)現(xiàn)在已經(jīng)能夠分析許多實(shí)際燃燒問題。通過數(shù)值模擬方法,能便捷、準(zhǔn)確得到地面火炬燃燒器的火焰結(jié)構(gòu)、多組分?jǐn)U散、碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)等的詳細(xì)信息。為降低碳煙排放,對不同出口形狀的地面火炬燃燒器進(jìn)行數(shù)值模擬,分析不同結(jié)構(gòu)燃燒器火焰溫度的分布規(guī)律,以及碳煙濃度隨燃燒器軸向的分布特征,找到析出碳煙最少的地面火炬燃燒器。2數(shù)學(xué)模型2.1基本組成基本控制方程組由連續(xù)方程、動(dòng)量方程、組分方程、能量方程組成,基本方程組的通用形式為:式中:t—時(shí)間;x2.2湍流燃燒模型地面燃燒器處理火炬氣屬于自由射流擴(kuò)散燃燒,采用剪切應(yīng)力輸運(yùn)k-ω湍流模型,簡稱SSTk-ω湍流模型,SSTK-ω流動(dòng)方程:式中:t—時(shí)間;x2.3煙灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)的解在雙步模型tesnermodel中,Fluent解兩個(gè)標(biāo)量輸運(yùn)方程,解出標(biāo)準(zhǔn)化后的基本粒子濃度和煙灰質(zhì)量分?jǐn)?shù),用來預(yù)測基本粒子的生成和粒子表面煙灰的生成。基本粒子濃度方程:式中:t—時(shí)間;ρ—流體密度;v—粒子燃燒的質(zhì)量當(dāng)量數(shù);u式中:t—時(shí)間;ρ—流體密度;v—煙灰燃燒的質(zhì)量當(dāng)量數(shù);u2.4“材料”與“防治“治碳”的危險(xiǎn)因素在燃燒過程中,隨著碳?xì)浠衔锓肿又械奶荚訑?shù)的增加,發(fā)生“缺氧析碳”的可能性也隨之增加。此反應(yīng)稱為“析碳”:火焰中碳煙顆粒的生成、氧化和聚合形成肉眼可看到的黑煙,產(chǎn)生黑煙的根本原因是燃燒不充分。3數(shù)值模擬3.1燃燒結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的確定多點(diǎn)式地面火炬星形燃燒器如圖1所示。排氣管道內(nèi)的丙烷氣體從燃燒器下端入口輸入,進(jìn)入燃燒器內(nèi)腔,從燃燒器小孔出口輸出與空氣混合,在空氣中點(diǎn)燃,進(jìn)行燃燒。為探究燃燒器出口對碳煙排放的影響,在同等入口流量的情況下,出口面積相同,改變出口的形狀。出口形狀依次為正三角形,正四邊形,正五邊形,正六邊形,正七邊形,正八邊形,圓形。由于丙烷氣體流經(jīng)部位結(jié)構(gòu)復(fù)雜,尺度變化較大,此處采用四面體網(wǎng)格,其余部位盡可能采用六面體網(wǎng)格。保證計(jì)算精度的同時(shí)適當(dāng)精減網(wǎng)格數(shù)目,以最經(jīng)濟(jì)的網(wǎng)格得到足夠精確的結(jié)果。網(wǎng)格劃分,如圖2所示。3.2降低湍流強(qiáng)度和水力直徑在非預(yù)混燃燒中,燃料和氧化劑以相異流進(jìn)入反應(yīng)區(qū)。燃料氣體是丙烷氣體,燃料入口為質(zhì)量流量入口,為0.78kg/s。溫度為313K,并給定湍流強(qiáng)度和水力直徑。計(jì)算域的其他壁面用壓力入口,給定湍流強(qiáng)度和水力直徑,并說明氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。3.3碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)的確定通過對不同出口燃燒器進(jìn)行燃燒數(shù)值模擬,得到各個(gè)燃燒器的溫度場和碳煙分布圖。根據(jù)溫度場繪制各燃燒器沿中心軸線的火焰溫度變化曲線,如圖3所示。由圖得,在6.5m附近,各燃燒器火焰溫度最高,而此處的碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈下降趨勢,說明高溫有助于碳煙的氧化反應(yīng)。根據(jù)各個(gè)燃燒器的碳煙分布圖,繪制沿中心軸線的碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線,如圖4所示。由圖得,各燃燒器的碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢,說明碳煙形成是成核,表面增長和凝聚、聚集和氧化等一系列過程。所以不必深究碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最大值,重點(diǎn)研究析出碳煙的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。通過丙烷擴(kuò)散燃燒實(shí)驗(yàn),測得火焰外焰的溫度為(1500~1600)K。外焰溫度作為衡量火焰高度的標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)圖3得出各個(gè)燃燒器模型的火焰高度在(11~12)m之間。即在12m處有碳煙析出。如圖4所示,12m處圓形出口燃燒器的碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大,為0.0011,而正三角形出口燃燒器的碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小,為0.00045。對比圖5(a)和圖5(b)中標(biāo)線處的碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù),標(biāo)線的高度為12m,直觀發(fā)現(xiàn)析出碳煙量的減少。正三角形出口地面火炬的速度矢量圖,如圖6所示。分析速度矢量圖發(fā)現(xiàn),從圓形出口射出的氣流比從三角形出口射出的氣流擴(kuò)散的要快,所以正三角形出口地面火炬的射流剛性比圓形出口地面火炬的射流剛性要好,前者的湍流強(qiáng)度比后者要高。由于三角形出口的氣流擴(kuò)散的較慢,其氣流間隙比圓形出口的氣流間隙要大,空氣更易被其卷吸。而且當(dāng)出口面積相等時(shí),圓的周長最小,正八邊形,正七邊形,正六邊形,正五邊形,正四邊形,正三角形的周長依次增加,正三角形出口的射流將卷吸更多邊界氣流。所以正三角形出口燃燒器的射流卷吸空氣最多,燃燒充分,碳煙排放濃度最低。正三角出口燃燒器沿中心軸線碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線在各碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線下方,如圖4所示。4火炬高度測定由于實(shí)驗(yàn)條件有限,丙烷的質(zhì)量流量不足0.78kg/s。根據(jù)相似性原理,將圓形出口和正三角形出口的地面火炬縮小為原來的1/6,在無風(fēng)條件下,點(diǎn)火使丙烷在空氣中擴(kuò)散燃燒,調(diào)節(jié)氣體流量計(jì)使入口處丙烷的質(zhì)量流量為0.13kg/s。待燃燒穩(wěn)定后,測得各自的火焰高度,觀察不同燃燒器析出碳煙的情況。圓形和正三角形出口地面火炬的燃燒,如圖7所示。利用手持式激光測距儀測得圓形和正三角形出口地面火炬的火焰高度分別為1.9m、1.95m。實(shí)驗(yàn)條件有限,無法測得析出碳煙的質(zhì)量分?jǐn)?shù),但肉眼可以觀察到圓形出口地面火炬火焰上方的碳煙,如圖7(a)所示;而正三角形出口地面火炬火焰上方的碳煙不太明顯,如圖7(b)所示。根據(jù)相似性,擴(kuò)大6倍的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果相一致,驗(yàn)證了模擬結(jié)果的正確性。5正三角形出口燃油/燃燒流量對燃燒特性的影響(1)燃燒器出口形狀的合理改進(jìn),使丙烷與空氣混合,燃燒以及化學(xué)反應(yīng)均有明顯改善。(2)在