合成氣非預混燃燒的數值模擬

郭培卿+葛冰

摘要： 針對合成氣非預混火焰結構開展數值模擬和試驗驗證，分析天然氣改燒合成氣后燃燒特性的變化規律.結果表明，大渦模擬（Large Eddy Simulation，LES）在速度分布和溫度分布的預測中與試驗結果比較吻合，而在對燃燒過程產物（如OH自由基）預測中則與試驗結果有所差異.采用數值模擬與試驗測量相結合的方法，探討和分析合成氣燃燒特性的變化規律：與天然氣火焰相比，合成氣燃燒時高溫區域更大，火焰穩定性較好；隨著當量比提高，燃燒室熱負荷不斷增大，同時最高回流速度增大，火焰根部受到壓縮，逐漸呈現出推舉火焰特征.

關鍵詞： 合成氣； 燃燒； 火焰結構； 大渦模擬； 平面激光誘導熒光

中圖分類號： TK16； TP391.9文獻標志碼： B

Abstract： The numerical simulation and test validation are used to study syngas nonpremixed flame structure， and the change rule of combustion characteristics of syngas which is instead of natural gas is analyzed. The results indicate that， the velocity and temperature distribution predicted by Large Eddy Simulation（LES） are in good consistency with the test results， but the prediction of substances generated during combustion process such as OH radical prediction is different from the test results. The method of numerical simulation combined with test measurement is used to discuss and analyze the change rule of syngas combustion. It shows that， comparing with natural gas flame， the high temperature zone is enlarged and the flame stability is better； with the increase of equivalence ratio， the heat load of combustion chamber increases， the top back flow velocity increases， and the flame shows pushup characteristic.

Key words： syngas； combustion； flame structure； large eddy simulation； planar laser induced fluorescence

0引言

整體煤氣化聯合循環（Integrated Gasification Combined Cycle， IGCC）是目前世界上公認的煤炭清潔化利用的重要發展方向.在IGCC系統中，燃氣輪機使用煤氣化產生的合成氣，其可燃成分為H2，CO和其他少量高階碳氫化合物，熱值普遍較低.為保持輸出功率一致，與天然氣相比，合成氣燃料流量將大幅提高，因此如何降低NOx排放是合成氣燃氣輪機燃燒室設計面臨的主要難點之一.作為低污染燃燒技術之一的合成氣燃燒正逐步成為相關燃燒領域的研究熱點.[14]隨著計算機計算能力的不斷提高，CFD在燃燒現象研究領域中得到越來越多的應用，其中非預混燃燒物理過程受湍流摻混、分子擴散和化學反應的綜合影響，受試驗數據庫容量、化學反應動力學和燃燒模型等多種限制，通過CFD計算精確求解湍流燃燒過程中間產物的時空分布依然十分困難，但在預測湍流燃燒流場中的主要物理量作為試驗研究的補充和延伸方面，CFD計算發揮極其重要的作用.由于其成本較低并且具備全流場模擬和特殊工況模擬能力等優勢，CFD是開展燃燒現象研究的重要手段之一.本文以合成氣非預混火焰為研究對象開展大渦模擬（Large Eddy Simulation， LES），并利用PIV和OHPLIF等測量數據進行試驗驗證，根據數值模擬與試驗結果，針對合成氣與天然氣燃燒特性開展研究.

1數值模擬方法

LES將湍流瞬時運動通過濾波方法分解為大、小尺度渦2部分，其中大尺度渦在計算中直接求解，然后利用亞網格模型建立與大尺度渦的關系對其小尺度渦進行模擬.主要的亞網格模型包括Smagorinsky亞網格模型[5]和Germano動態亞網格模型[6]等.與直接數值模擬相比，LES計算量大大減少[7]，同時可以精確求解，獲得的大尺度渦湍流運動能夠真實反映湍流運動的主要瞬態特征[8]；另一方面，與傳統雷諾時均模擬方法相比計算量大得多仍是LES應用于實際工程問題的最大障礙[9].

在模擬非預混燃燒時，用概率密度函數（βPDF分布）描述混合分數的脈動性質，根據不同燃料生成對應的PDF分布，應用在相應的燃燒過程計算中，燃料組分見表1.

5結論

利用LES針對合成氣非預混燃燒開展研究，并根據試驗驗證結果，對合成氣燃燒規律進行對比分析，得出以下結論：

（1）LES對燃燒室內流場和溫度場分布的預測與試驗結果較為吻合，Germano亞網格模型對湍流脈動的預測更為精確；

（2）采用簡單化學反應假設的PDF燃燒模型對燃燒中間產物如OH自由基分布的預測與試驗測量結果存在偏差；

（3）隨著當量比的提高，合成氣火焰根部逐漸出現M型分布，形成典型的推舉火焰特征，高溫區向下游移動，火焰根部受到壓縮，旋流燃料與空氣間混合得到加強，最高回流速度增大.

參考文獻：

[1]STRAKEY P， SIDWELL T， ONTKO J. Investigation of the effects of hydrogen addition on lean extinction in a swirl stabilized combustor[J]. Proc Combustion Inst， 2007， 31（2）： 31733180.

[2]CASARSA L， MICHELI D， PEDIRODA V， et al. Investigations of pyrolysis syngas swirl flames in a combustor model[C]// Proc ASME Turbo Expo 2009， GT200959610. Orlando， 2009.

[3]張文興， 穆克進， 王岳， 等. 合成氣甲醇摻燒火焰研究[J]. 熱能動力工程， 2009， 24（2）： 236241.

[4]趙曉燕， 李祥晟， 豐鎮平. 燃氣輪機低熱值合成氣燃燒室內三維湍流流動的數值模擬研究[J]. 動力工程， 2009， 29（4）： 330334.

[5]SMAGORINSKY J S. General circulation experiments with the primitive equations[J]. Mon Weather Rev， 1963， 91（3）： 99164.

[6]GERMANO M， PIOMELLI U， MOIN P， et al. A dynamic subgridscale eddy viscosity model[J]. Phys Fluids A， 1991， 3（7）： 17601765.

[7]LILLY D K. A proposed modification of the Germano subgridscale closure method[J]. Phys Fluids： A， 1992， 4（3）： 633635.

[8]趙堅行. 燃燒的數值模擬[M]. 北京： 科學出版社， 2002.

[9]周力行， 胡礫元， 王方. 湍流燃燒大渦模擬的最近研究進展[J]. 工程熱物理學報， 2006， 27（2）： 331334.

[10]寧晃， 高歌. 燃燒室氣動力學[M]. 2版. 北京： 科學出版社， 1987.

[11]WISSINK J G. DNS of separating， low Reynolds number flow in a turbine cascade with incoming wakes[J]. Int J Heat & Fluid Flow， 2003， 24（4）： 626635.

（3）隨著當量比的提高，合成氣火焰根部逐漸出現M型分布，形成典型的推舉火焰特征，高溫區向下游移動，火焰根部受到壓縮，旋流燃料與空氣間混合得到加強，最高回流速度增大.

參考文獻：

[1]STRAKEY P， SIDWELL T， ONTKO J. Investigation of the effects of hydrogen addition on lean extinction in a swirl stabilized combustor[J]. Proc Combustion Inst， 2007， 31（2）： 31733180.

[2]CASARSA L， MICHELI D， PEDIRODA V， et al. Investigations of pyrolysis syngas swirl flames in a combustor model[C]// Proc ASME Turbo Expo 2009， GT200959610. Orlando， 2009.

[3]張文興， 穆克進， 王岳， 等. 合成氣甲醇摻燒火焰研究[J]. 熱能動力工程， 2009， 24（2）： 236241.

[4]趙曉燕， 李祥晟， 豐鎮平. 燃氣輪機低熱值合成氣燃燒室內三維湍流流動的數值模擬研究[J]. 動力工程， 2009， 29（4）： 330334.

[5]SMAGORINSKY J S. General circulation experiments with the primitive equations[J]. Mon Weather Rev， 1963， 91（3）： 99164.

[6]GERMANO M， PIOMELLI U， MOIN P， et al. A dynamic subgridscale eddy viscosity model[J]. Phys Fluids A， 1991， 3（7）： 17601765.

[7]LILLY D K. A proposed modification of the Germano subgridscale closure method[J]. Phys Fluids： A， 1992， 4（3）： 633635.

[8]趙堅行. 燃燒的數值模擬[M]. 北京： 科學出版社， 2002.

[9]周力行， 胡礫元， 王方. 湍流燃燒大渦模擬的最近研究進展[J]. 工程熱物理學報， 2006， 27（2）： 331334.

[10]寧晃， 高歌. 燃燒室氣動力學[M]. 2版. 北京： 科學出版社， 1987.

[11]WISSINK J G. DNS of separating， low Reynolds number flow in a turbine cascade with incoming wakes[J]. Int J Heat & Fluid Flow， 2003， 24（4）： 626635.

（3）隨著當量比的提高，合成氣火焰根部逐漸出現M型分布，形成典型的推舉火焰特征，高溫區向下游移動，火焰根部受到壓縮，旋流燃料與空氣間混合得到加強，最高回流速度增大.

參考文獻：

[1]STRAKEY P， SIDWELL T， ONTKO J. Investigation of the effects of hydrogen addition on lean extinction in a swirl stabilized combustor[J]. Proc Combustion Inst， 2007， 31（2）： 31733180.

[2]CASARSA L， MICHELI D， PEDIRODA V， et al. Investigations of pyrolysis syngas swirl flames in a combustor model[C]// Proc ASME Turbo Expo 2009， GT200959610. Orlando， 2009.

[3]張文興， 穆克進， 王岳， 等. 合成氣甲醇摻燒火焰研究[J]. 熱能動力工程， 2009， 24（2）： 236241.

[4]趙曉燕， 李祥晟， 豐鎮平. 燃氣輪機低熱值合成氣燃燒室內三維湍流流動的數值模擬研究[J]. 動力工程， 2009， 29（4）： 330334.

[5]SMAGORINSKY J S. General circulation experiments with the primitive equations[J]. Mon Weather Rev， 1963， 91（3）： 99164.

[6]GERMANO M， PIOMELLI U， MOIN P， et al. A dynamic subgridscale eddy viscosity model[J]. Phys Fluids A， 1991， 3（7）： 17601765.

[7]LILLY D K. A proposed modification of the Germano subgridscale closure method[J]. Phys Fluids： A， 1992， 4（3）： 633635.

[8]趙堅行. 燃燒的數值模擬[M]. 北京： 科學出版社， 2002.

[9]周力行， 胡礫元， 王方. 湍流燃燒大渦模擬的最近研究進展[J]. 工程熱物理學報， 2006， 27（2）： 331334.

[10]寧晃， 高歌. 燃燒室氣動力學[M]. 2版. 北京： 科學出版社， 1987.

[11]WISSINK J G. DNS of separating， low Reynolds number flow in a turbine cascade with incoming wakes[J]. Int J Heat & Fluid Flow， 2003， 24（4）： 626635.