守恒方程在燃烧爆炸学中的应用

2016-02-26朱彦奎李亚松

科技视界 2016年3期

朱彦奎　李亚松

【摘要】本文采用具有模拟复杂外形的流体流动及热传导的CFD软件FLUENT，建立了一个绝热式燃烧嘴的二维燃烧空间，选用k-ε湍流模型和有限速率模型对二维空间进行数值模拟，为复杂的燃烧实验作了一些基础的研究工作，可为燃烧实验分析和工程应用提供一种新的研究手段。

【关键词】燃烧爆炸；数学模型；数值模拟；FLUENT

0 引言

可燃气体爆炸是工业生产和生活领域爆炸灾害的主要形式之一，迫切要求能够预测好潜在的气体爆炸的威力和危害，并以此为基础在设计和实际建筑安装中提出合理的方案。气体爆炸是预混燃烧的一种。可燃气体燃烧爆炸的模式大致可以有4种：定压燃烧、爆燃、定容爆炸、爆轰。管道内可燃气体爆炸事故中最常见的形式是爆燃，即火焰阵面相对于未燃气体以亚音速传播，工业可燃气体爆炸事故多足由弱点火（点火能量小于100J）点燃可燃气云引起的。传播形式多为亚音速传播的爆燃波。燃烧率、预混火焰阵面的传播率及障碍物几何形状对爆燃超压都有影响，与之相关的问题是现今研究的主要课题之一。包括实验研究、理论分析、模型的建立及数值模拟等。本文以甲烷燃烧为对象，首先建立了其物理模型和数学模型，并利用商用CFD软件FLUENT对二维热态燃烧空间进行模拟。

1 数值模拟技术的发展概述

A.K.Gupta利用计算机数值模拟的方法研究了高温空气燃烧的火焰状态。利用了非均匀网格系统，引入了传热模型，湍流模型，考虑了体系内的辐射和化学反应。得出了在不同的空气预热温度（1400K和1200K）下，随着含氧浓度（21%，15%，8%，5%，2%）的降低，火焰的最高温度都降低，火焰的体积增大。W.Blasiak，B.Lindblad模拟了具有一个燃料喷嘴的长方体型燃烧室，选用不同的模型（RSM/MPDF模型和k-e/FRDE模型），得出空气预热到1300K，氧气浓度分别为21%，15%，8%，3%时燃烧室的流场、温度场和浓度场图，说明了高温空气燃烧具有温度分布均匀，低污染物排放的优点。并且得出RSM/MPDF模型模拟火焰燃烧的结果比k-e/FRDE模型更接近试验拍摄的结果。

国内具有代表性的是文献中对高温空气燃烧的火焰特性，全辐射式锅炉内火焰流股结构以及换向瞬间炉膛内热工作特性进行了数值模拟，结果与前期的热态实验和日本学者发表的结果相吻合。西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室首先借助Fluent软件平台，应用Eulerian/Lagrangian方法，在3种不同工况下对200MW四角切向燃烧煤粉锅炉炉内的流动、传热以及燃烧进行了数值模拟，得到了炉膛内的速度场、温度场分布，而且对炉内CO、O2、CO2的质量浓度分布给出了趋势图，给出了煤粉颗粒的运动轨迹。清华大学热能工程系由长福等人比较了软件FLUENT提供的不同湍流模型：K-ε模型、RNGK-ε模型、带旋流修正的RNGK-ε模型、Realizable K-ε模型、雷诺应力模型在对四角切向燃烧煤粉锅炉内冷态气相流动进行数值模拟的效果；探讨了为减小数值伪扩散对强旋流动的影响采用的减小网格尺寸和提高差分格式精度等措施的优劣，为理论分析强旋湍流流动和对四角切向燃烧煤粉锅炉内流体流动的工程设计提供了参考依据。同济大学热能工程系金颖等运用FLUENT软件模拟计算了小尺寸下的简单烟气扩散规律，结果与正态分布假设下的高斯烟羽模型验证表明该软件能很好的模拟出烟气扩散问题。法国杜埃矿业研究院工业能源实验室在FLUENT平台上对原型为600MW四角切圆燃烧锅炉进行炉膛内冷态空气动力场模拟，研究了经不同燃烧器送入的空气在炉膛内的流动情况以及炉膛内的速度分布[1]。

2 物理模型及其网格划分

本文所建的物理模型是二维圆筒形燃烧器。在燃烧器的中心有一个小的喷嘴注入甲烷。空气从喷嘴周围进入燃烧器。其质量分数和速度由操作面板输入。圆筒内壁每格0.5m有高为0.1m的挡板。物理模型及尺寸如图1所示：

本物理模型的特点是：燃料喷嘴为绝热材料，壁面初始温度为300K，燃料由喷嘴处高速喷出，并与低速流动的空气混合。壁面上的挡板会使气流产生明显的涡流，在模拟中可以清晰的看到。

本模拟采用FLUENT的前置处理器GAMBIT进行网格划分，由于模型是轴对称结构，可以只对一半模型进行划分，除了周边界和4个长壁面的ratio分别选为0.38和0.55外，其他均为1。喷嘴处的网格放大图如图2所示：

由图2可以看出，网格划分采用的是非结构化网格。网格信息如表1：

1 cell zone，7 face zones。最大网格体积为5.389917e-005m3，最小网格体积为4.484518e-007m3，大于0，可以正常计算。

3 数值模拟结果

计算工程可以生成火焰从发生到喷出燃烧器的动画效果。以下是计算过程中的温度场和压力场随时间的变化图（图3、图4、图5）。

4 结论

本文采用具有模拟复杂外形的流体流动及热传导的CFD软件FLUENT，建立了一个具有高效蓄热式烧嘴的二维燃烧空间；选用k-湍流模型、species transport模型对二维空间进行数值模拟。通过计算结果分析得出以下结论：

（1）计算模型、湍流模型和组分模型的选择对收敛的速度和计算的花费有着直接的影响，因此应该综合考虑，以使计算花费和收敛时间达到能够接受的程度。

（2）FLUENT的计算只是一种数值模拟计算，跟实际实验值存在一定误差。