PDF《预混天然气小尺度燃烧特性的 CFD 研究》

1 期2006 年1月热能动力工程JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERGY AND POWER Vol.

21 ,No.

1 Jan. ,

2006 在模拟计算中 ,混合气体密度由不可压缩理想 气体定律求得 ,混合气体的动力粘性系数、 比热及导 热系数由各个组分性能参数加权平均得到 ,混合气 体中各个组分的比热表示为温度的函数.基于甲烷 均相燃烧反应机理 ,其一阶不可逆反应速率表达式 为[6] : RCH

4 = 2.

119 *

10 11 exp - 2.

027 *

10 8 RT * [CH4 ] 0.

2 [O2 ] 1.

3 (1) 式中 : R ― 通用气体常数 ,JΠ (kmol・ K) ;

RCH

4 ― 甲烷的化学反应速率 ,kmolΠ (m

3 ・ s) ;

[CH4 ] 0.

2 [O2 ] 1.

3 ― 反应物浓度函数表达式. 边界条件如表

1 所示 ,其中进口混合气体以稳 定的速度进入 ,层流态流动 (雷诺数 Re <

10) .为了 在出口处有更好的收敛速度 ,使用压力出口类型来 定义出口处的静压.在墙壁和流体的交界面处 ,忽 略了径向的扩散通量.交界面处的热流量由傅立叶 导热定律和对流换热表达式共同决定.假定墙壁的 左右两个面为绝热面 ,墙壁的导热系数和墙壁外部 的热流密度作为独立的参数来研究体系内的燃烧特 性. 表1燃烧室边界条件 参数值 进口速度(轴向)Π m・ s -

1 0.

5 进口甲烷质量分数 0.

052 进口氧气质量分数 0.

21 进气温度Π K

300 燃烧室直径Π mm 1.

2 燃烧室壁厚Π μ m

50 2.

2 模型方程 燃烧体系内混合气体为层流流动 ,描述该流动 状态的方程有质量守恒、 动量守恒、 组分及能量守 恒 ,结合甲烷一阶均相化学反应 (见式 (1) ) ,其二维 稳态轴对称方程简化为 : 连续方程 :

9 9x (ρ u) +

1 r 9( rpv) 9r =

0 (2) 动量方程 :

9 9x (ρ uu) +

1 r

9 9r ( ruv) = - 9p 9x +

9 9x (μ9u 9x ) +

1 r

9 9r ( r μ 9u 9r ) (3)

9 9x (ρ uv) +

1 r

9 9r ( rvv) = - 9p 9r +

9 9x (μ 9v 9x ) +

1 r

9 9r ( r μ 9v 9r ) (4) 组分方程 :

9 9x (ρ uyi ) +

1 r

9 9r ( r ρ vyi ) =

9 9x (ρ Di ,m 9yi 9x ) +

1 r

9 9r ( r ρ Di ,m 9yi 9r ) + Ri Mi (5) 混合气体的能量方程 :

9 9x (ρ hu) +

1 r

9 9r ( r ρ hv) =

9 9x (λ f 9T 9x ) +

1 r

9 9r ( r λ f * 9T 9r ) + ∑ i [

9 9x ( hi ρ Di ,m 9yi 9x ) +

1 r

9 9r ( rhi ρ Di ,m 9yi 9r ) ] - ∑ i hi Mi Ri (6) 固体能量方程 :

9 9x ( kw 9T 9x ) +

1 r

9 9r ( rkw 9T 9r ) =

0 (7) 其中 : Mi ― 组分的摩尔质量 ,kgΠ kmol ;

λ f = 995.

6 + 0.

096 T ,JΠ (kg・ K) (图1~图5中) ;

kw = 1.

692 - 0.

001 93 T + 3.

196 *

10 6 T

2 ;

μ= ∑ i μ i yi ;

λ f = ∑ i λ i yi ;

DAB = 1.

858 *

10 -

3 T 3Π

2 (1Π MA + 1Π MB ) 1Π

2 p σ

2 ABΩD

3 模拟结果及分析 3.

1 小尺度燃烧特性 为了取得理想的模拟结果 ,网格划分时采用变 节点划分方法 ,将模拟区域分别划分成

25 546 (图2下部虚线表示) 、

20 000 (图2中间用点表示) 和13 455个(图2上部线条表示) 节点.由图

2 可以发 现 ,当网格节点数为

13 455 时 ,轴线上温度分布图 并不能明显发现起燃点 ;

当网格节点数增加到

20 000 甚至稍大的时候 ,模拟结果明显发现起燃点 (屈 折点) 在温度

1 100 K附近.同时在相同条件的蜂窝 陶瓷载体中测得的轴线温度见图

2 ,对比可以发现 当节点为

20 000 时 ,图形基本与之相似 (尽管温度 值有差别 ,其是由于保温不够理想及陶瓷载体高温 时产生辐射而造成........