不同環境條件下輕油燃燒器火焰結構特性數值分析

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(中國石油大學(華東) 化學工程學院，山東 青島 266580)

在交通、國防、電力等各行各業中，輕油燃燒器因其燃燒效率高、污染物排放量小等優點而被廣泛使用。對于特殊環境下的輕油燃燒研究主要有：瑞士的Wieser等[1]曾在二十世紀九十年代在400 m到3 000 m不同的海拔高度范圍進行了固體和液體燃燒實驗，研究表明隨著壓力的降低，油燃燒速率隨之下降；Wieser等的燃燒實驗屬于低壓全尺寸實驗，是以實驗數據為基礎的實驗現象的分析。而低壓小尺寸實驗，最有代表性的是Most等[2]進行的變壓力(重力)的燃燒實驗，該研究以變氣壓下的射流擴散火焰為研究對象，對不同環境下氣壓對火焰幾何形狀、火焰高度以及輻射量的影響進行了研究；上海交通大學周見廣等[3]通過數值模擬和實驗來研究壓力溫度對燃燒室參數的影響，研究表明隨著壓力、溫度的升高，燃燒室內的溫度隨之而增大；北京交通大學馬玉坡[4]研究了低溫環境下的自然射流條件下燃料氣液相空間分布狀況隨時間的變化關系，并提出了噴霧表征參數隨環境參數的變化關系式。

目前國內外的燃燒機均是針對標準大氣壓，常溫使用而設計的，在低壓、低溫等特殊環境條件下無法使用，即便能夠使用，其點火困難、燃燒效率低、污染嚴重、產生有害氣體較多，而且不能夠提供所需要的燃燒溫度，燃燒機的工作穩定性較差[5-6]。中國科學技術大學王強[7]對不同環境條件下的擴散射流火焰進行了研究，從火焰結構的角度分析并解釋了低壓低溫環境下柴油燃燒性能差的機理；王智偉[8]以所研制的高原燃油暖風機為研究對象進行了現場冷熱態測試，考察了燃燒器的工作性能，分析了運行參數、過剩空氣系數、大氣壓力等對機燃燒機熱效率的影響。基于目前研究現狀，以噴霧燃燒理論為前提，研究了特殊環境下燃燒室溫度場分布以及火焰結構特性，為改善燃燒器燃器燃燒性能提供依據。首先對所建模型進行特殊環境下熱態研究，在考慮氣流相對速度的基礎上對燃燒室內燃燒過程進行模擬，分析火焰結構以及溫度場特性；利用DPM模型對液滴燃燒進行模擬，以輕柴油作為燃料，研究其燃燒特性。

1 數學描述

液滴的蒸發與燃燒理論是液體霧化、燃燒的重要基礎。液滴在燃燒室內具體燃燒過程為：燃料油液滴被電火花點火，在空氣中蒸發轉變為油蒸汽，油蒸汽與空氣的混合氣被點燃，形成了一層包圍液滴的高溫燃燒區，即所謂的火焰前鋒[9-12]。液滴的燃燒過程可分為相對靜止環境下液滴的燃燒和強迫氣流下的液滴燃燒[13]。當氣流與液滴的相對速度較小時，可以近似認為液滴在相對靜止的環境中進行蒸發燃燒。然而在實際燃燒過程中，由于高溫對流環境以及液滴蒸發、燃燒特性，變成了一個復雜的兩相流動與燃燒問題。本問題變成了非穩態下的二維兩相燃燒問題，液滴表面的控制方程需滿足質量、動量、能量以及相平衡即[14]：

(1)

(2)

vg,θ=vl,θ；

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：v為液滴豎直方向速度；T為溫度；p為壓力；ρ為密度；Y為質量分數；D為擴散系數；r為液滴半徑；μ為動力粘度；λ為導熱系數；L為液滴汽化潛熱。其中下角標：l代表液相；g代表氣相；n和θ分別代表法線方向以及圓周方向；o代表氧化劑；f代表燃料油；s代表球形液滴液表面。

2 模擬計算

2.1 模型建立與網格劃分

根據輕油燃燒器結構特征以及工作特點建立了輕油燃燒器三維物理模型，幾何模型將燃燒室設定為圓筒形，燃料油由燃燒頭的噴嘴噴射進入燃燒室與來自燃燒筒的空氣相互擴散混合燃燒。燃燒室總長度為1 000 mm，圓筒形煙囪長度150 mm，煙囪直徑250 mm，模型按比例1∶1建立物理模型如圖1所示。

模型的關鍵在于燃燒筒底部的燃燒頭的建立，本模型的燃燒頭的內部結構如圖2所示。

圖1 燃燒室模型圖Fig.1 The combustion chamber model diagram

圖3 三維網格劃分圖Fig.3 Three-dimensional grid graph

為劃分出高質量的網格以便導入Fluent中進行精確的模擬，一般采用將燃燒室分為幾個不同區域進行網格劃分的方法。但是，具有相同分界面相鄰的不同區域之間的流動仍然是可以相互傳遞的。在靠近燃料從噴口噴射出的區域，網格劃分要進行加密處理。最終網格劃分模型如圖3所示。

2.2 Fluent數學模型選取

在模擬時選取合理的物理模型是精確求解的關鍵，根據燃料在燃燒器內實際燃燒情況以及計算方便，模擬采用的各種模型[15]為：湍流模型選取標準k-ε模型；輻射模型選取DO模型；霧化模型選取壓力-旋流霧化模型；燃燒模型選用非預混燃燒模型；另外，在湍流流場中，流體的湍流脈動會引起顆粒的擴散，采用隨機軌道模型，考慮湍流對顆粒的隨機性的影響。

2.3 邊界條件設置

入口設置為空氣入口和燃料入口，且均為質量流量入口，在設置入口邊界條件時需計算得到參數湍流強度I和水力直徑DH，其確定式為[16]：

(7)

式中：Re——根據水力直徑計算得到的雷諾數；V——入口流速，m/s；υ——空氣運動粘度，m2/s。

已知空氣入口流量為0.013 767 2 kg/s，入口為環形，內徑為18 mm，外徑為75 mm，水力直徑DH=57 mm，由此便可求得不同環境下的入口流速V，進而得到湍流強度。在不同環境壓力以及不同環境溫度下，得到的湍流強度數值如表1及表2所示。

在不同環境下的空氣入口條件如表1和2所示，燃料入口條件為：燃料種類，輕柴油(C12H23)；質量流量為0.000 722 2 kg/s。

表1 外界溫度為273 K條件下各參數值Tab.1 Different parameter values under the certain ambient temperature of 273 K

表2 外界壓力為0.1 MPa條件下各參數值Tab.2 Different parameter values under the certain ambient pressure of 0.1 MPa

3 計算結果分析

3.1 模型有效性驗證

研究對象為輕油燃燒器，輕油中烴類組分主要為C12～C24，計算過程中采用平均分子式C12H23，為驗證模型的有效性，與相同條件下的研究結果[17]進行了比較。文獻[17]已給出了不同環境壓力和不同環境溫度下的火焰溫度場以及火焰長度的變化曲線，模擬驗證時取其中一組作為對比，模擬驗證時取環境壓力P=0.08 MPa，環境溫度T=283 K，將所得到的結果與實驗結果作對比。

3.1.1 溫度場對比

對所建模型進行溫度場的模擬分析，可以得到溫度云圖如圖4(a)所示。

圖4 溫度場分布對比Fig.4 Comparison of temperature field distribution between simulation and experiment

從圖4模擬的溫度云圖上可以明顯看出，在火焰中心軸面上存在著兩個火焰鋒面并且都具有一次反應區和二次反應區。模擬時火焰的最高溫度約為1 816 K,實驗最高溫度由文獻[17]可得大約為1 650 K，兩者相差不大并且所在位置大致相同，因此對實際燃燒時火焰溫度場的模擬大致可以反應燃燒器實際工作過程。

3.1.2 火焰長度對比

化學當量法定義火焰長度是以當量混合分數來定義火焰鋒面。在燃料油由噴口噴出時燃料混合分數最大，即f最大。隨著反應進行，f值逐漸減小，當f值達到燃料油的化學當量混合分數時，燃料消耗殆盡，此時便可計算得到火焰長度。本文采用C12H23，fs=0.064 2。模型模擬得到的火焰宏觀長度以及混合分數測火焰長度圖分別如圖5所示。

文獻[17]在實際實驗中測得的火焰長度的變化如圖6所示。可知，實際情況下火焰長度在490 mm左右上下波動，由圖5可以讀出火焰長度大約為525 mm，已知燃燒筒伸入燃燒室內的高度為42 mm，最終計算模擬得到的火焰高度為477 mm。實驗數值與模擬數值相差很小，誤差在允許范圍內，所以本模型模擬結果與實驗結果大致吻合。

圖5 火焰長度對比Fig.5 Comparison of the flame length

圖6 0.08 MPa下火焰長度變化曲線Fig.6 The flame length change curve under the pressure of 0.08 MPa

綜合溫度場與火焰長度的對比分析可知模擬值與實驗值大致吻合，驗證了該模型的合理性。

3.2 數值模擬方案的確定

在特定環境壓力與特定環境溫度下的模擬方案表3和表4所示。

3.3 環境因素對火焰溫度影響

3.3.1 同一工況下溫度場對比

如表3～4所示，分別以環境溫度T=273 K，環境壓力P=0.1 MPa為例進行特定工況下不同截面處溫度的分析。選取三維模型中x=0的橫截面，截面上的溫度變化如圖7所示，是燃燒室內整個空間內的溫度變化過程。從整體來看，火焰中心和邊緣處的溫度明顯高于其他位置的溫度，這是由噴嘴噴射出的空心錐形膜形狀的液滴群所決定的。在火焰邊緣處為富氧區，液滴與氧化劑接觸面積更大，燃料燃燒更充分，因此溫度最高；在中心處為貧氧區，雖有大量燃料油卻由于氧化劑不足而無法充分燃燒，所以溫度低于火焰邊緣處溫度。在靠近噴嘴處的y=200 mm位置處，溫度明顯低于其他位置的溫度值。這是由于在靠近噴嘴位置處，霧化產生的大量溫度較低的液滴蒸發時對附近區域起到降溫的作用，從而導致該位置處的溫度較低。

表3 T=273 K時，環境壓力取值Tab.3 The ambient pressure values under the temperature of 273 K

表4 P=0.1 MPa時，環境溫度取值Tab.4 The ambient temperature values under the pressure of 0.1 MPa

3.3.2 不同工況下模擬結果對比

取y=400 mm處截面為分析對象，研究該截面處在不同工況下的溫度場分布。

由圖8可以看出，火焰最高溫度隨著環境溫度的降低而呈現遞減趨勢。這主要是因為隨著溫度的降低，燃料的化學反應速率逐漸遞減，液滴燃燒速率逐漸減緩導致火焰溫度逐漸降低。另外，不同工況下的火焰及燃燒室內的溫度變化規律大體相同，并且不同工況下的差距不是很大。對于火焰區域，中心以及邊緣處的溫度較高；非火焰處溫度降低幅度較大，在壁面處溫度降到最低點。這是因為越靠近壁面散熱越快，溫度降低幅度越大，靠近壁面處的溫度分布較均勻。

3.4 環境因素對火焰長度影響

3.4.1 溫度對火焰長度的影響

在不同工況下模擬得到的火焰當量長度如圖9所示。

圖7 x=0截面溫度模擬結果

圖8 不同工況下y=400 mm截面溫度模擬結果Fig.8 Temperature simulation results of the cross section of y=0 under different working conditions

圖9 不同工況下火焰長度模擬云圖Fig.9 The simulation results of the flame length under different working conditions

由圖9各工況下的火焰云圖發現，隨著環境溫度的增加，除了火焰長度減小之外，寬度在逐漸增加。這是因為環境溫度較高時，在火焰根部燃料油液滴分布較為密集產生大量的燃料油蒸汽，使得燃料與氧氣的摩爾分數為化學當量比的位置相對外移，從而導致火焰直徑增大，對比圖9組圖可明顯發現此趨勢。

由火焰長度云圖(圖9)以及火焰長度變化曲線(圖10)可以看出，環境溫度越低則火焰長度越長，火焰長度隨著環境溫度的增加而呈減小趨勢。當環境溫度較低時，燃料油粘度增大霧化性能變差，噴嘴霧化出的油滴粒徑較大，因此將會導致液滴蒸發速率大大降低，直至蒸發燃燒完畢液滴將會運動更長的路徑，從而使火焰長度明顯變長。

圖10 不同溫度下火焰長度變化Fig.10 The flame length changing rules under different working conditions

3.4.2 壓力對火焰長度的影響

在不同工況下模擬得到的火焰當量長度如圖10所示。不同環境壓力下輕油燃燒器火焰長度云圖如圖11所示，火焰長度變化曲線如圖12所示。

由圖11可以看出，火焰長度隨外界壓力的增加而逐漸減小。對比圖11和圖12可知，溫度對火焰長度的影響幅度不大，壓力對火焰長度的影響起到了決定性的作用。因此，忽略溫度的影響，建立火焰長度與外界壓力的函數關系式為：L=3×106P3-728 571P2+47 667P-470.29。并且，當壓力降低時，燃料燃燒化學反應速率降低，液滴蒸發燃燒完全需經歷更多的時間和路徑。此外，壓力降低時，分子碰撞可能性的減少將會使得相同質量的燃料燃燒時需要與更多的氧氣相接觸，再加上在低壓下空氣中氧含量的降低，都會使火焰外觀表現為體積膨脹，火焰長度增加。

圖11 不同工況下火焰長度模擬云圖Fig.11 The simulation results of the flame length under different working conditions

圖12 不同壓力下火焰長度變化Fig.12 The flame length changing rules under different working conditions

4 結論

以所建燃燒室模型為研究對象，采用數值模擬的方法對不同特殊環境條件下的液滴群燃燒進行了研究，分析模擬結果得到燃燒室內溫度場分布、火焰長度并得出以下結論：

1) 燃燒室內溫度隨著外界溫度的升高而增大，在某一特定工況下分析燃燒室不同截面處的溫度得到：隨著截面與燃燒頭距離的增大，截面處的最高溫度逐漸增大，并且截面處的最高溫度出現在火焰中心及火焰邊緣處，非火焰處的溫度則急劇下降。通過對某一截面溫度大小的分析得到火焰溫度大小以火焰中心呈軸對稱分布。

2) 對于火焰區域，中心以及邊緣處的溫度較高；非火焰處溫度降低幅度較大，壁面處溫度降到最低點。

3) 火焰長度隨著壓力的降低而增大，建立了火焰長度與外界壓力的函數關系式：L=3×106P3-728 571P2+476 67P-470.29；火焰寬度隨著環境溫度的增加逐漸增加，隨著環境壓力的降低而逐漸減小。

4) 隨著外界溫度的增加，火焰形態逐漸由長而細過渡為短而粗；而隨著外界壓力的增加，火焰形態則逐漸由長而粗過渡為短而細。

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