合成气非预混燃烧的数值模拟

郭培卿+葛冰

摘要： 针对合成气非预混火焰结构开展数值模拟和试验验证，分析天然气改烧合成气后燃烧特性的变化规律.结果表明，大涡模拟（Large Eddy Simulation，LES）在速度分布和温度分布的预测中与试验结果比较吻合，而在对燃烧过程产物（如OH自由基）预测中则与试验结果有所差异.采用数值模拟与试验测量相结合的方法，探讨和分析合成气燃烧特性的变化规律：与天然气火焰相比，合成气燃烧时高温区域更大，火焰稳定性较好；随着当量比提高，燃烧室热负荷不断增大，同时最高回流速度增大，火焰根部受到压缩，逐渐呈现出推举火焰特征.

关键词： 合成气； 燃烧； 火焰结构； 大涡模拟； 平面激光诱导荧光

中图分类号： TK16； TP391.9文献标志码： 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

整体煤气化联合循环（Integrated Gasification Combined Cycle， IGCC）是目前世界上公认的煤炭清洁化利用的重要发展方向.在IGCC系统中，燃气轮机使用煤气化产生的合成气，其可燃成分为H2，CO和其他少量高阶碳氢化合物，热值普遍较低.为保持输出功率一致，与天然气相比，合成气燃料流量将大幅提高，因此如何降低NOx排放是合成气燃气轮机燃烧室设计面临的主要难点之一.作为低污染燃烧技术之一的合成气燃烧正逐步成为相关燃烧领域的研究热点.[14]随着计算机计算能力的不断提高，CFD在燃烧现象研究领域中得到越来越多的应用，其中非预混燃烧物理过程受湍流掺混、分子扩散和化学反应的综合影响，受试验数据库容量、化学反应动力学和燃烧模型等多种限制，通过CFD计算精确求解湍流燃烧过程中间产物的时空分布依然十分困难，但在预测湍流燃烧流场中的主要物理量作为试验研究的补充和延伸方面，CFD计算发挥极其重要的作用.由于其成本较低并且具备全流场模拟和特殊工况模拟能力等优势，CFD是开展燃烧现象研究的重要手段之一.本文以合成气非预混火焰为研究对象开展大涡模拟（Large Eddy Simulation， LES），并利用PIV和OHPLIF等测量数据进行试验验证，根据数值模拟与试验结果，针对合成气与天然气燃烧特性开展研究.

1数值模拟方法

LES将湍流瞬时运动通过滤波方法分解为大、小尺度涡2部分，其中大尺度涡在计算中直接求解，然后利用亚网格模型建立与大尺度涡的关系对其小尺度涡进行模拟.主要的亚网格模型包括Smagorinsky亚网格模型[5]和Germano动态亚网格模型[6]等.与直接数值模拟相比，LES计算量大大减少[7]，同时可以精确求解，获得的大尺度涡湍流运动能够真实反映湍流运动的主要瞬态特征[8]；另一方面，与传统雷诺时均模拟方法相比计算量大得多仍是LES应用于实际工程问题的最大障碍[9].

在模拟非预混燃烧时，用概率密度函数（βPDF分布）描述混合分数的脉动性质，根据不同燃料生成对应的PDF分布，应用在相应的燃烧过程计算中，燃料组分见表1.

5结论

利用LES针对合成气非预混燃烧开展研究，并根据试验验证结果，对合成气燃烧规律进行对比分析，得出以下结论：

（1）LES对燃烧室内流场和温度场分布的预测与试验结果较为吻合，Germano亚网格模型对湍流脉动的预测更为精确；

（2）采用简单化学反应假设的PDF燃烧模型对燃烧中间产物如OH自由基分布的预测与试验测量结果存在偏差；

（3）随着当量比的提高，合成气火焰根部逐渐出现M型分布，形成典型的推举火焰特征，高温区向下游移动，火焰根部受到压缩，旋流燃料与空气间混合得到加强，最高回流速度增大.

参考文献：

[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]张文兴， 穆克进， 王岳， 等. 合成气甲醇掺烧火焰研究[J]. 热能动力工程， 2009， 24（2）： 236241.

[4]赵晓燕， 李祥晟， 丰镇平. 燃气轮机低热值合成气燃烧室内三维湍流流动的数值模拟研究[J]. 动力工程， 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]赵坚行. 燃烧的数值模拟[M]. 北京： 科学出版社， 2002.

[9]周力行， 胡砾元， 王方. 湍流燃烧大涡模拟的最近研究进展[J]. 工程热物理学报， 2006， 27（2）： 331334.

[10]宁晃， 高歌. 燃烧室气动力学[M]. 2版. 北京： 科学出版社， 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）随着当量比的提高，合成气火焰根部逐渐出现M型分布，形成典型的推举火焰特征，高温区向下游移动，火焰根部受到压缩，旋流燃料与空气间混合得到加强，最高回流速度增大.

参考文献：

[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]张文兴， 穆克进， 王岳， 等. 合成气甲醇掺烧火焰研究[J]. 热能动力工程， 2009， 24（2）： 236241.

[4]赵晓燕， 李祥晟， 丰镇平. 燃气轮机低热值合成气燃烧室内三维湍流流动的数值模拟研究[J]. 动力工程， 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]赵坚行. 燃烧的数值模拟[M]. 北京： 科学出版社， 2002.

[9]周力行， 胡砾元， 王方. 湍流燃烧大涡模拟的最近研究进展[J]. 工程热物理学报， 2006， 27（2）： 331334.

[10]宁晃， 高歌. 燃烧室气动力学[M]. 2版. 北京： 科学出版社， 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）随着当量比的提高，合成气火焰根部逐渐出现M型分布，形成典型的推举火焰特征，高温区向下游移动，火焰根部受到压缩，旋流燃料与空气间混合得到加强，最高回流速度增大.

参考文献：

[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]张文兴， 穆克进， 王岳， 等. 合成气甲醇掺烧火焰研究[J]. 热能动力工程， 2009， 24（2）： 236241.

[4]赵晓燕， 李祥晟， 丰镇平. 燃气轮机低热值合成气燃烧室内三维湍流流动的数值模拟研究[J]. 动力工程， 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]赵坚行. 燃烧的数值模拟[M]. 北京： 科学出版社， 2002.

[9]周力行， 胡砾元， 王方. 湍流燃烧大涡模拟的最近研究进展[J]. 工程热物理学报， 2006， 27（2）： 331334.

[10]宁晃， 高歌. 燃烧室气动力学[M]. 2版. 北京： 科学出版社， 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.