初始条件对H 2-空气湍流扩散燃烧及NO生成的影响

2022-08-19黄章俊唐志峰何洪浩李鹏飞

动力工程学报 2022年8期

黄章俊，唐志峰，何洪浩，李鹏飞，田红

（1.长沙理工大学能源与动力工程学院，长沙 410114；2.国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，长沙 410007；3.华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，武汉 430074）

氢能作为一种清洁可再生能源，在燃料电池、燃气轮机、氢能源汽车以及航空航天等领域具有很大的发展前景［1-2］，其开发利用有助于缓解能源危机、全球变暖和环境污染问题，受到了高度关注［3-4］，被誉为21世纪最具发展潜力的二次能源［5］。但H2燃烧时绝热温度高，易使空气中的N2在高温下氧化生成NO，阻碍了H2在能源领域的广泛应用［6-7］。因此，有必要对不同入口条件下的H2燃烧过程进行研究，以扩大其应用范围。

众多学者研究了初始温度对H2燃烧特性的影响。Hu等［8］采用实验与数值模拟相结合的方法研究了初始温度对高温高压下H2-空气燃烧过程的影响，发现随着初始温度的升高，整体化学反应增强，火焰层流燃烧速度增大。Liu等［9］研究了不同初始温度下H2-空气预混燃烧特性，结果表明火焰传播速度随初始温度的升高而增大。Bazooyar等［10］研究了空气伴流温度和燃料射流温度对H2-空气扩散燃烧的影响，结果表明空气伴流温度升高会促进NO的生成，而燃料射流温度升高则会抑制NO的生成。

入口速度对H2燃烧过程具有至关重要的影响。张京等［11］研究了不同燃料入口速度对微喷管H2非预混射流火焰燃烧过程的影响，发现当微喷管内径保持不变时，火焰最高温度随燃料入口速度的减小而逐渐降低。Alliche等［12］研究了在不同燃料和空气入口速度下进行H2-空气湍流扩散燃烧时NO的生成特性，结果表明燃料入口速度增大会促进NO的生成，而空气入口速度增大则会使NO生成量减小。Yang等［13］采用实验与数值模拟相结合的方法研究了H2-空气混合气体的入口速度对微喷管内H2-空气预混燃烧特性的影响，结果表明随着H2-空气混合气体入口速度的增大，火焰温度略有降低，火焰向下游移动。

以上研究表明，燃料和空气的初始温度和入口速度均会显著影响H2-空气的燃烧特性，但目前鲜有针对不同空气和燃料初始温度以及不同空气和燃烧入口速度对H2-空气湍流扩散燃烧特性以及NO生成特性的研究。因此，笔者采用有限速率反应模型，耦合13组分34步H2-N2-CO2反应机理模型，经实验验证后，对H2-空气同轴射流的湍流扩散燃烧火焰进行模拟，研究H2-空气发生扩散燃烧时不同燃料和空气初始温度以及入口速度对温度分布和NO生成特性的影响，并利用NO基元反应的平均反应速率，研究了NO的主要生成和消耗路径。

1 研究对象

以德国航空航天中心与斯图加特大学合作研究的H2-空气射流扩散火焰（“H5”火焰）为研究对象［14］。该火焰实验台采用竖直薄壁出口圆管作为燃料喷管，其内直径d为8 mm，所采用的燃料为H2+N2混合气体（两者体积分数均为50%），其以21.7 m／s的速度直喷进入燃烧区，雷诺数Re为6 200。燃料喷管外部同轴布置有内直径dair为140 mm的空气喷管，干燥空气以0.3 m／s的速度从空气喷管进入燃烧区。燃料和空气的初始温度均为298 K。

2 数值模型及计算方法

2.1 计算域网格及边界条件

图1为“H5”火焰的空间计算域网格模型。依据“H5”火焰的轴对称性，确定燃料与空气同轴射流的湍流扩散燃烧空间计算域为圆柱体空间计算域，其对称轴（z轴）与燃料喷管的中心对称轴保持一致，空间坐标原点位于燃料喷管出口中心点，并将燃料从喷管出口截面垂直流入燃烧区的方向作为轴向正方向，r为半径方向。基于确定的圆柱体空间计算域，建立相应的三维几何模型，并应用O型网格剖分和高质量结构化网格，考虑到燃料喷管出口和中心对称轴附近的流动和燃烧反应较为剧烈，对该局部区域进行网格加密。整个计算域网格数为85万，继续增加网格数后的计算结果与当前网格数下的相对误差小于1%，且当前网格已满足无关性验证，因此网格数设为85万。

图1 “H5”火焰的空间计算域网格模型Fig.1 Grid model of the computational domain for flame H5

依据“H5”火焰的实验工况［14］，改变其初始条件，设定的计算工况见表1。模拟时燃料和空气入口边界均设置为速度入口，燃料喷嘴与空气喷嘴之间的隔板设置为与燃料温度保持一致的固定壁温，且由于火焰在开放的空气环境中燃烧，因此将圆柱体空间计算域的侧面边界和出口端面设置为压力出口。

表1 “H5”火焰的计算工况Tab.1 Working conditions of the flame H5

2.2 化学反应机理模型

化学反应机理模型主要包括基元反应及其化学反应速率常数、混合组分的热力学性质和分子输运特性，其中化学反应速率常数k（T）与温度T、指前因子A、活化能EA和气体常数Ru的关系可用阿伦尼乌斯公式［15］表示。

笔者采用13组分34步H2-N2简化反应机理，该反应机理在H2燃烧机理的基础上添加了N2在高温下的反应机理［10，16］。该反应机理在温度为298～3 000 K、当量比为0.25～5.0的范围内具有良好的预测能力，能准确模拟H2-空气的扩散燃烧过程。

2.3 模型及参数设置

在数值模拟过程中，湍流模型采用可实现k-ε模型。该模型满足对雷诺应力的约束条件，在雷诺应力上与真实湍流保持一致，能精确模拟射流扩散过程，因此可以较好地适用于“H5”火焰燃烧过程的湍流流动模拟。可实现k-ε模型的湍动能及耗散率输运方程为［17］：

式中：t为时间，s；ρ为气相密度，kg／m3；x为笛卡尔坐标；k为湍动能，m2／s2；u为时均速度，m／s；μt为湍动黏度，（N·s）／m2；μ为流体动力黏度，（N·s）／m2；σk为湍动能的湍流普朗特数；σε为耗散率的湍流普朗特数；Gk为平均速度梯度引起的湍动能产生项，N／（m2·s）；Gb为浮力引起的湍动能产生项，N／（m2·s）；ε为湍动能的耗散率，m2／s3；YM为可压湍流中脉动扩张项，N／（m2·s）；Sk为湍动能的用户自定义源项，N／（m2·s）；S为变形张量；ν为分子运动黏性系数，m2／s；Sε为耗散率输运方程的用户自定义源项；下标i和j表示无量纲张量指标；C2、Cε1和Cε3均为经验常数；C1为常数。

考虑到P1辐射模型计算效率高且适合“H5”火焰的辐射热传递模拟，因此进行“H5”火焰的燃烧模拟时采用P1辐射模型；同时，考虑到燃烧过程中湍流与化学反应的交互作用，利用动态自适应建表法对化学反应项进行解析和加速，其容差设为0.000 1；采用压力基求解器，基于二阶迎风格式进行输运方程的离散，并利用压力耦合方程组的半隐式方法进行压力与速度的耦合。

3 结果与分析

3.1 模型验证

为了验证模型的准确性，对“H5”火焰实验工况下的H2-空气射流扩散燃烧进行模拟计算，并将火焰中心轴线温度及其主要组分质量分数的模拟结果与实验数据［14］进行对比，如图2所示。由图2可知，火焰中心轴线的温度分布以及H2、O2、H2O和N2质量分数的模拟结果与实验数据吻合较好，能够较为准确地预测NO的峰值质量分数及其变化趋势，验证了该模型预测的准确性。

图2 火焰中心轴线上温度及其主要组分质量分数的模拟结果与实验数据的对比Fig.2 Comparison between simulation results and experimental data of temperature on the central axis of the flame and mass fraction of its main components

3.2 初始温度对H2-空气燃烧过程的影响

图3给出了不同初始温度下火焰中心轴线上峰值温度和NO峰值质量分数的变化曲线。如图3（a）所示，保持燃料初始温度为298 K，当空气初始温度T0，air从298 K升高至398 K时，火焰中心轴线上的峰值温度由2 059 K升高至2 105 K；随着空气初始温度的升高，火焰中心轴线上的NO峰值质量分数由24.5 mg／kg增大至36.8 mg／kg。如图3（b）所示，保持空气初始温度为298 K，随着燃料初始温度T0，fuel从298 K升高至498 K，火焰中心轴线上的峰值温度由2 059 K升高至2 125 K；随着燃料初始温度的升高，火焰中心轴线上的NO峰值质量分数由24.5 mg／kg增大至31.1 mg／kg。

图3 不同初始温度下火焰中心轴线上峰值温度和NO峰值质量分数的变化Fig.3 Variation of peak temperature and peak NO mass fraction on the central axis of flame at different initial temperatures

图4给出了不同初始温度下火焰温度云图和NO质量分数分布云图。鉴于该火焰在结构上具有空间对称性，因此火焰云图左、右两部分分别为温度分布和NO质量分数分布情况。从图4可以看出，H2-空气燃烧时火焰峰值温度出现在中心轴线附近，生成的NO质量分数与火焰温度密切相关，NO质量分数在火焰峰值温度处达到最大；随着空气和燃料初始温度的升高，火焰高温区域扩大，NO质量分数明显增大。

图4 不同初始温度下火焰温度云图（左）和NO质量分数分布云图（右）Fig.4 Flame temperature contours（left）and NO mass fraction contours（right）at different initial conditions

空气和燃料初始温度升高均会使火焰峰值温度升高，NO质量分数增大。火焰峰值温度的升高，一方面是由于随着燃料和空气初始温度升高，活化分子数大幅增加，有效碰撞次数显著增加，从而化学反应速率提高，火焰峰值温度上升；另一方面，H2和空气进入燃烧区域，两者混合后仍需经过预热，混合气体的温度达到H2燃烧的起燃温度后才能进行化学反应，当进气速度一定时，随着H2和空气初始温度逐渐升高，预热H2和空气所消耗的热量逐渐减少，火焰峰值温度上升。此外，火焰峰值温度的上升也进一步促进了热力型NO的生成，导致NO质量分数增大。

3.3 入口速度对H2-空气燃烧过程的影响

图5给出了不同入口速度下火焰中心轴线上的峰值温度和NO峰值质量分数的变化曲线。如图5（a）所示，当空气入口速度从0.2 m／s增大到0.6 m／s时，火焰中心轴线上的峰值温度由2 051 K升高至2 102 K，NO峰值质量分数也由22.1 mg／kg增大至31.3 mg／kg。从图5（b）可以看出，当燃料入口速度从15 m／s增大到75 m／s时，火焰中心轴线上的峰值温度由2 062 K降低至2 039 K，NO峰值质量分数由25.4 mg／kg减小至11.6 mg／kg。

图5 不同入口速度下火焰中心轴线上峰值温度和NO峰值质量分数的变化Fig.5 Variation of peak temperature and peak NO mass fraction on the central axis of flame at different inlet velocities

图6给出了不同入口速度下火焰温度云图和NO质量分数分布云图。从图6（a）可以看出，当空气入口速度由0.2 m／s增大至0.6 m／s时，火焰高温区域扩大，释放的热量增加，火焰峰值温度升高，同时NO质量分数也随着火焰温度的上升而增大。图7（a）为不同空气入口速度下H2O质量分数沿火焰中心轴线的分布曲线。由于H2燃烧后的产物只有H2O，因此可以通过H2O的生成量来表征H2的消耗量。从图7（a）可以看出，随着空气入口速度的增大，参与燃烧的氧气量增加，火焰中心轴线处H2O质量分数逐渐增大，说明有更多的H2在火焰中心轴线附近参与燃烧，从而释放出更多的热量，火焰峰值温度升高。由于火焰峰值温度的升高促进了热力型NO的生成，从而使得NO质量分数增大。

图6 不同入口速度下火焰温度云图（左）和NO质量分数分布云图（右）Fig.6 Flame temperature contours（left）and NO mass fraction contours（right）at different inlet velocities

从图6（b）可以看出，随着燃料入口速度的增大，火焰高温区域缩小，火焰温度下降，同时NO生成区域缩小，NO质量分数降低。图7（b）为不同燃料入口速度下的H2质量分数沿火焰中心轴线的分布曲线。从图7（b）可以看出，当燃料入口速度由15 m／s增大至75 m／s时，燃料射流动能增大，H2在距离入口更远处被消耗完毕，导致火焰长度增加，整个燃烧区域扩大，从而使得燃烧火焰整体上更加均匀，局部高温情况得到缓解；另一方面，空气和H2由喷嘴进入燃烧区域后，两者先接触并混合后才进行点火燃烧，燃料入口速度的增大会导致H2与空气混合不充分，燃烧热效率降低，温度随之下降；同时，燃料入口速度增大导致燃烧过程的反应时间变短，缩短了空气在高温区域的停留时间，减少了热力型NO的生成量。

图7 不同入口速度下H 2 O质量分数和H 2质量分数沿中心轴线的分布Fig.7 Distribution of H2 O and H2 mass fraction along the central axis at different inlet velocities

3.4 NO反应速率

13组分34步H2-N2反应机理中NO的生成反应和消耗反应见表2。对于H2-空气湍流扩散燃烧，反应在整个空间内分布式进行，因此可通过分析NO基元反应的平均反应速率定性地研究NO的主要生成反应和消耗反应。

表2 NO生成和消耗反应Tab.2 Formation reactions and consumption reactions of NO

图8为不同初始条件下NO基元反应的平均反应速率。从图8可以看出，在不同初始条件下基元反应R21、R23和R25的平均反应速率均远低于其他基元反应，因此其对NO生成或消耗的影响可以忽略不计；在不同初始条件下基元反应R22、R31和R32均保持较高的平均反应速率，为主要的NO生成反应，而基元反应R20、R29和R30则为主要的NO消耗反应。

图8 不同初始条件下NO基元反应的平均反应速率Fig.8 Average reaction rate of NO under different initial conditions

4 结论

（1）空气初始温度从298 K上升至398 K时，火焰中心轴线上的峰值温度从2 059 K升高至2 105 K，NO峰值质量分数由24.5 mg／kg增大至36.8 mg／kg；燃料初始温度从298 K上升至498 K时，火焰中心轴线上的峰值温度由2 059 K升高至2 125 K，NO峰值质量分数由24.5 mg／kg增大至31.1 mg／kg。

（2）空气入口速度从0.2 m／s增大至0.6 m／s时，火焰中心轴线上的峰值温度由2 051 K升高至2 102 K，NO峰值质量分数由22.1 mg／kg增大至31.3 mg／kg；随着燃料入口速度由15 m／s增大至75 m／s，火焰中心轴线上的峰值温度由2 062 K降低至2 039 K，NO峰值质量分数由25.4 mg／kg减小至11.6 mg／kg。

（3）在不同初始条件下，基元反应R21、R23和R25的平均反应速率均远低于其他基元反应，对NO生成或消耗的影响可以忽略不计；基元反应R22、R31和R32为主要的NO生成反应，而基元反应R20、R29和R30则为主要的NO消耗反应。