熔融铝水蒸气浸没射流反应数值仿真

徐 升, 伊 寅, 史小锋, 宗 潇, 韩新波

熔融铝水蒸气浸没射流反应数值仿真

徐 升, 伊 寅, 史小锋, 宗 潇, 韩新波

(中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077)

熔融铝水蒸气浸没射流反应可作为氢氧闭式循环动力系统的新型制氢方法, 能够提高制氢速率和氢气发生器的稳定可控性, 但反应具有高温、不透明和局部流动状态复杂等特点, 难以通过常规方法对其流场进行观测。为探究其流场特性, 文中使用Fluent非预混燃烧模型对该反应进行了数值仿真。通过理想混合物密度计算方法对概率密度函数查询表的精度进行了提升, 使数值模型能更准确地模拟气液反应, 得到了熔融铝水蒸气浸没射流反应流场的参数分布以及不同水蒸气入口速度条件下流场温度分布和水蒸气核心区的变化规律。研究结果表明, 文中数值模型能够较合理地模拟射流燃烧反应; 熔融铝水蒸气反应射流流场由水蒸气核心区和混合产物区组成, 其中水蒸气核心区在射流区域中占据的空间远小于混合产物区; 当水蒸气入口速度增加时, 高温区最高温度增高且体积增大、水蒸气核心区长度增长。研究结果将为进一步研究熔融铝水蒸气浸没射流反应和设计氢气发生器提供参考。

氢氧闭式循环动力系统; 熔融铝; 浸没射流; 非预混燃烧; 核心区

0 引言

氢氧闭式循环动力系统是一种新型的水下热动力系统, 其主要通过氢气和氧气的燃烧提供热量, 具有能量密度高、无排放物、噪音低等优点, 可提高水下航行器的航行速度、航行深度及隐蔽性。熔融铝水蒸气浸没射流反应形式为将水蒸气高速注入熔融态的金属铝中, 为典型的气液浸没射流反应, 具有反应高效、稳定可控等优点, 可作为氢氧闭式循环动力系统中氢气发生器的核心反应, 具有良好的发展和应用前景。

在铝水反应研究领域, 目前对固态铝与液态水反应的相关研究较多, 而对熔融铝与液态水或水蒸气反应的研究还处于初步阶段。Milani等[10]对熔融铝射流与水蒸气射流的相互作用进行了实验研究和数值仿真, 采用热成像仪对熔融铝射流的蒸汽夹带进行了定性分析。施伟等[11]通过Visual Basic语言编程仿真计算了高温铝水反应器中的熔融铝与液态水的反应和传热过程, 模拟了反应器的运行状态, 并对冷却水出口温度、壁面最高温度和制氢速率进行了分析。

熔融铝水蒸气浸没射流反应流场的局部流动状态复杂, 温度和密度变化剧烈, 目前国内外相关的研究成果较少, 缺少通用、高效的数值模型。文中使用Fluent非预混燃烧模型, 用假定形状的概率密度函数模拟湍流和化学的相互作用, 对熔融铝水蒸气浸没射流反应进行了仿真研究, 得到了熔融铝水蒸气浸没射流反应流场参数分布和水蒸气核心区长度变化等规律。研究结果可为进一步研究熔融铝水蒸气浸没射流反应和设计氢气发生器提供理论参考。

1 反应物理模型

1.1 熔融铝水蒸气浸没射流反应

铝水反应为放热反应, 在射流中将出现铝液蒸发和铝蒸气冷凝现象。但熔池初始温度较低时, 反应射流中的最高温度仅略高于金属铝沸点(2790 K), 将不出现或仅出现短暂且迅速冷凝的少量铝蒸气。若忽略铝相变现象, 熔融铝水蒸气浸没射流反应的物理模型如图1所示。

在水蒸气核心区中, 水蒸气与熔融铝迅速反应, 放出大量热量并生成产物。伴随湍流影响, 产物与熔融铝共同形成混合产物区。以上过程都发生在喷嘴上方较小区域内, 对整个金属熔池的影响较小, 反应启动后将长时间保持近乎稳态的反应状态, 外部的金属铝熔池组分基本保持不变。

图1 熔融铝水蒸气浸没射流反应物理模型

1.2 水蒸气核心区长度

熔融铝水蒸气射流反应中, 水蒸气作为氧化剂, 由喷嘴口高速注入液态金属熔池。在物理模型中, 将水蒸气消耗过程所占据的最大轴向距离称为水蒸气核心区长度。水蒸气核心区长度表征了水蒸气在反应器内部的消耗过程, 是描述熔融铝水蒸气反应特性和反应器运行状态的重要参数。

2 数值模型和边界条件

数值计算采用了基于压力的分离求解器, 对于高速射流流场设置了双精度计算数据类型, 采用SIMPLE算法进行求解, 设置轴负方向为重力方向。除连续性方程外, 其余方程残差均小于3×10–3, 其中能量方程残差小于10–6, 流场中不动观测点处的温度、压力、速度基本不变, 且出口质量流率基本稳定时认为迭代计算收敛。

2.1 非预混燃烧模型

前人应用于预测液态金属燃料中浸没射流燃烧的局部均质流模型是基于流场局部热力学平衡假设[1], Fluent非预混燃烧模型与局部均质流模型的假设基本相符。热化学计算中, 文中从NIST网站查找了多种组分的热力学数据作为可靠输入。

反应中水蒸气为氧化剂, 熔融铝为燃料, 采用单混合分数条件。混合分数定义为

式中:Z为元素的质量分数; 下标代表为氧化剂入口值; 下标fuel为燃料入口值。

混合分数的计算方程为

式中:H为平均焓;k为湍流热导率;c为热容;S代表由于辐射、与壁面的热传递及与分散相的热交换引起的源项。

非绝热、单混合分数系统中标量的均值为

Fluent非预混燃烧模型在非绝热、单混合分数条件下的求解过程如图2所示。

2.2 基本假设

1) 假设熔融铝水蒸气反应为快速化学反应。熔融铝中水蒸气射流反应为气液两相、湍流混合、剧烈放热的自发反应, 反应速度极快, 流场中各处接近平衡状态。

2) 忽略熔融铝相变过程。文中设定的反应物初始温度较低, 在非绝热条件下, 反应高温区最高温度不超过3 000 K。同时金属铝熔池初始温度与其沸点之间存在较大过冷度(大于1 500 K),即使出现少量的铝蒸气, 也会在与熔池金属接触后迅速冷凝, 因此忽略铝相变过程不会造成较大误差。

图2 非预混燃烧模型求解过程示意图

2.3 边界条件

仿真中将水蒸气入口设置为速度入口, 其入口速度分别设置为120 m/s、203.4 m/s和280 m/s; 反应器出口为压力出口, 压力为环境压力; 壁面温度设置为金属铝熔池初始温度; 几何模型对称面设置为对称边界条件。具体边界条件如表1所示。

表1 边界条件

3 模型验证

3.1 几何模型和网格划分

构建熔融铝水蒸气反应器的流体域几何模型, 其中直喷管的高度为20 mm、内径为2 mm、外径为4 mm。几何模型为圆柱体, 其直径和高度均为500 mm, 以模拟无限大熔池环境。由于几何模型以中心截面对称, 为降低网格数量并加快计算速度, 文中绘制了流体域的1/2几何模型。将几何模型的轴向方向设为方向、中心点设为原点, 并为几何模型划分了结构化网格, 如图3所示。

图3 几何模型和网格

3.2 网格无关性验证

使用计算流体力学软件ICEM CFD为流体域几何模型分别划分了57 668、397 836和748 222个单元数量的结构化网格。对3种网格在Fluent中采用相同设置进行试算, 对比结果如图4所示, 57 668单元数与其他2个单元数网格的计算结果差异较大, 而397836单元数和748222单元数网格的计算结果相近。为在获得较高精度的同时节省计算资源, 文中选择397836个单元数量的网格进行后续数值计算。

图4 中心轴线上温度的网格无关性验证结果

3.3 数值模型验证

经典组分输运模型可以用以准确地模拟射流燃烧反应[13-14]。将文中采用的非预混燃烧模型与经典组分输运模型分别用于模拟单步甲烷-空气射流反应, 得出的模型验证结果如图5和图6所示。可以看出, 数值模型与经典组分输运模型所得到的结果符合情况较好。

除经典的甲烷-空气射流燃烧反应外, 将文中数值模型用于模拟CH4/H2/N2混合气在空气中射流燃烧的DLR-A火焰[15-17]。数值模型计算结果与实验数据的对比曲线如图7所示, 可以看出, 计算值和实验值在轴向位置为0.5 m以内时有较明显的误差, 这是由于数值仿真边界条件与实验条件无法完全吻合, 同时实验测量过程存在少量误差导致。总体来看, 温度的计算值和实验值在中心轴线上的分布趋势基本一致, 计算结果与实验数据符合情况较好。综上, 可认为文中所使用的数值模型能够较准确地模拟射流燃烧反应。

图5 中心轴线上温度的模型验证结果

图6 中心轴线上速度的模型验证结果

图7 混合气燃烧流场中心轴线上温度分布对比

4 仿真结果及分析

4.1 流场参数分布

以下为水蒸气入口速度为203.4 m/s条件下的流场仿真结果。可以看出, 熔融铝水蒸气浸没射流反应区仅仅存在于喷嘴前方较小区域内, 其动量和热量迅速弥散, 如图8和图9所示。气液两相具有较大的密度差异, 入口水蒸气所具有的动能在接触熔融铝后, 发生动量交换, 水蒸气速度迅速降低。热量的弥散与铝熔池的初始温度有关, 反应区产生的大量热量在导热性良好的铝熔池中被迅速传导。

图8 浸没射流反应流场中心截面上温度分布

图9 浸没射流反应流场中心截面上速度分布

高速水蒸气浸没射流在喷嘴附近产生较大湍流强度, 使水蒸气与熔融铝混合和反应加剧。如图10所示, 入口水蒸气在较小范围内迅速耗尽, 水蒸气核心区长度较短。水蒸气被消耗的同时, 在射流中产生了大量氢气, 如图11所示。随后氢气在反应区外层聚集, 向反应器出口扩散。综上,射流反应流场仿真结果符合图1中描述的熔融铝水蒸气浸没射流反应物理模型。

4.2 流场温度分布

对比不同水蒸气入口速度条件下流体域中心截面和轴线上的温度分布, 可以看出, 水蒸气入口速度增加时, 射流中最高温度增高、高温区距离喷嘴更远且体积更大, 如图12和图13所示。高温区体积增大使高温区中心的热损失减小, 具有更高的温度, 但射流高温区有所后移, 这与射流局部当量比有关。入口水蒸气速度增加引起水蒸气质量流量增加, 将使得喷嘴附近的混合分数减小。

图10 浸没射流反应流场中心截面上水蒸气浓度分布

图11 浸没射流反应流场中心截面上氢气浓度分布

4.3 水蒸气核心区

如图14和图15所示, 水蒸气入口速度越大, 水蒸气核心区长度越长。这是由于相同初始温度下, 宏观化学反应速率基本保持不变, 当水蒸气入口流量增加, 反应达到稳态时, 完全消耗水蒸气需要更大的气液接触面积进行反应。结合温度场变化可以看出射流高温区的最高温度和体积、水蒸气核心区长度均随水蒸气入口速度的增加而增加, 其数值可能存在关联, 这是因为水蒸气的消耗过程反映了喷嘴上方流场的混合分数分布,即局部的当量比, 而当量比决定了包括温度在内的流场状态参数。

图12 不同入口速度下中心截面上温度分布对比

图13 不同入口速度下中心轴线上温度分布对比

图14 不同入口速度下中心截面上水蒸气核心区对比

图15 不同入口速度下中心轴线上水蒸气浓度对比

5 结束语

使用非预混燃烧模型对熔融铝水蒸气浸没射流反应进行三维数值研究, 获得其流场参数分布, 并分析改变水蒸气入口速度对流场温度分布和水蒸气核心区的影响, 可以得出文中使用的数值模型能够较准确地模拟射流燃烧反应, 仿真得到的熔融铝水蒸气浸没射流反应流场结构与其物理模型一致。

熔融铝水蒸气反应射流结构由水蒸气核心区和混合产物区组成, 其中水蒸气核心区在宏观射流区域中占据的空间远小于混合产物区。射流高温区的最高温度和体积、水蒸气核心区长度均随水蒸气入口速度的增加而增加, 其数值可能存在关联, 可作为进一步研究熔融铝水蒸气浸没射流反应的重要切入点。

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Numerical Simulation on Submerged Jet Reaction of Molten Aluminum and Water Vapor

XU Sheng, YI Yin, SHI Xiao-feng, ZONG Xiao, HAN Xin-bo

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

The submerged jet reaction of molten aluminum and water vapor can be used as a new method of hydrogen generation in hydrogen-oxygen closed cycle power system, and can improve the rate of hydrogen generation and the stability and controllability of hydrogen generator. However, this reaction has the characteristics of high temperature, opacity and complex local flow state, so it is difficult to observe the flow field through conventional methods. In order to explore the flow field characteristics of the reaction, this paper uses the non-premixed combustion model in the software Fluent to conduct a numerical simulation on this reaction. The accuracy of probability density function(PDF) query table is improved by the ideal mixture density calculation method, so that the numerical model can simulate the gas-liquid reaction more accurately, and can obtain the parameter distribution of the reaction jet flow field of molten aluminum and water vapor, the variation law of the temperature distribution of flow field and the water vapor core region under different inlet velocities of water vapor. The results show that the numerical model used in this paper can simulate jet combustion reaction reasonably; The flow field of molten aluminum-water vapor reaction jet is composed of water vapor core region and mixed product region, where the water vapor core region occupies much less space in the jet region than the mixed product region; When the inlet velocity of water vapor increases, the highest temperature and volume of the high temperature region rise, and the length of the water vapor core region increases. This research may provide a reference for further study on submerged jet reaction of molten aluminum and water vapor and the design of hydrogen generator.

hydrogen-oxygen closed cycle power system; molten aluminum; submerged jet; non-premixed combustion; core region

TJ630.32; TK121

A

2096-3920(2020)02-0187-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.011

2018-12-06;

2019-01-04.

国家自然科学基金项目(61403306); 中国博士后科学基金资助项目(2018M633600).

徐 升(1993-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为能源动力推进技术.

徐升, 伊寅, 史小锋, 等. 熔融铝水蒸气浸没射流反应数值仿真[J]. 水下无人系统学报, 2020, 28(2): 187-193.

(责任编辑: 许 妍)