H2-CO湍流預混火焰面與渦團相互作用的直接數(shù)值模擬.pdf

1、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結構在為經(jīng)濟社會發(fā)展做出突出貢獻的同時也對我國的環(huán)境產(chǎn)生了嚴重的傷害。雖然政府已經(jīng)開始重視調節(jié)優(yōu)化能源結構，但是這是個長期的過程，并且煤炭作為廉價經(jīng)濟的能源并不會迅速退出歷史舞臺，因此在使用煤炭的同時如何做到高效清潔的利用也成為了當務之急。而煤基多聯(lián)產(chǎn)技術可以將煤氣化將其變?yōu)楹铣蓺膺M行清潔利用并且副產(chǎn)物可以通過梯級利用來降低成本，因此這項技術不失為一條清潔高效燃用煤炭的道路

2、。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特性，如何科學安全的利用合成氣也成為了一項科學課題。數(shù)值模擬作為可以深入了解湍流燃燒機理的手段已經(jīng)得到了廣大研究者的認可，直接數(shù)值模擬無需對于湍流進行任何假設就可以獲得盡量多的流動信息，詳細機理反應則可以深入了解燃燒反應中重要中間產(chǎn)物的詳細變化，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機理求解燃燒反應開發(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

3、驗解和層流火焰速度對比驗證證明了程序在進行湍流燃燒計算上的準確性。本文借用該程序對于簡單合成氣H2/CO湍流預混燃燒在諸多情況下的火焰面特性進行了研究。
　　本研究主要內容包括：⑴使用譜方法對于不同當量比和不同湍流數(shù)下處于小火焰區(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行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過一個特征湍流時間尺度τ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

4、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發(fā)生變化。火焰面長度與當量比相關性不大但是與湍流數(shù)成正相關。火焰面上OH大多富集在火焰面的凸面，在凹面的分布較少。⑵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行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，隨著H2在合成氣中比例降低或是稀釋氣比例增加，湍流渦團的運動與火焰面的相互作用明顯變強，體現(xiàn)為渦團脫離時間變長，渦團

5、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。而配對渦脫離時造成的熄火現(xiàn)象實質上只是H2組分化學速率迅速降低，CO組分的燃燒并不會停止，只是會因為 H2基本不燃燒導致了局部溫度偏低從而 CO燃燒變慢。而配對渦脫離一段時間后，高 H2比例或低稀釋氣比例的火焰面會因為擴散-熱力效應變?yōu)椴环€(wěn)定的細胞火焰。⑶使用三維定容封閉法針對合成氣湍流情況下不同當量比、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)

6、，自著火延遲與當量比關系不大，但是加大壓力和添加等離子體會顯著減小著火延遲，壓力通過增大化學反應速率對著火延遲產(chǎn)生影響而等離子體則通過分解產(chǎn)生 O自由基使反應更容易進行。添加稀釋氣則可以適當增大著火延遲。⑷針對于添加 O3后的貧燃合成氣湍流預混的近場自由燃燒射流進行了三維模擬。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)物中只促進了CO2的生成，對H2O影響不大。而從火