甲烷旋流预混燃烧的数值模拟研讨.pdf

中国工程热物理学会 燃烧学 学术会议论文 编号：084177 甲烷旋流预混燃烧的数值模拟研究 * 杨朝乐，林伟荣，原 鲲 ，于溯源 清华大学核能与新能源技术研究院，北京 100084 * (Tel：010E-mail: kyuan@tsinghua.edu.cn) 摘要：本文采用数值模拟手段，对甲烷旋流射流预混火焰进行了研究，重点考察了射流出口旋流数、 反应当量比和射流出口速度对火焰形貌，以及NOx 和 CO 排放的影响。研究结果包括：NOx 和 CO 的 排放随着当量比的降低而下降；旋流可使 CO 排放大幅下降，但主要发生在弱旋工况；对于弱旋流火 焰，预混射流速度的提高增加了 CO 排放，而在中强旋工况下，情况正好相反。本研究结果为以后的 实验设计和开展提供了理论指导。 关键词：预混，旋流，燃烧 0 前言 随着我国社会经济的快速发展，对包括天然气在内的清洁能源的需求正逐年上涨。 目前我国天然气占一次能源消费比重不到3.5%，尚不足国际水平（25%左右）的 1/7。 但年度消费量增长迅速，近年来每年增幅在 10%以上。 天然气已经成为一些城市客车的重要交通燃料，也成为北方许多城市冬季采暖的首 选燃料。与燃煤相比，天然气没有二氧化硫和粉尘排放，被称为清洁燃料，但是在氮氧 化物（NOx ）减排方面效果有限。天然气主要成分为甲烷，其燃烧产生的 NOx 污染正 逐渐引起人们关注。 天然气燃烧产生氮氧化物的机理主要是热力型氮和快 速型氮，其中快速型氮的生成过程相对复杂，但热力型氮是 最主要的生成产物，而且排放水平和火焰温度高度相关。采 用贫燃料预混火焰，可以大幅度降低火焰温度，从而将 NOx 排放控制在很低的水平[1] 。预混火焰越接近贫燃极限，NOx 排放越低。但是在接近贫燃极限的工况下，如何使预混火焰 得到稳定成为问题的瓶颈。 作为一种稳定火焰的方式，旋流燃烧的火焰稳定能力已 得到实践检验[2] ，传统上还主要用来稳定扩散火焰。旋流燃 图 1 旋流预混火焰示意图 烧的主要功能包括：1）在火焰中心形成回流区以实现火焰稳 [3]对 定；2 ）强化燃气混合以提高燃烧效率；3 ）缩短火焰长度以节省燃烧室尺寸。文献 甲烷一空气湍流扩散燃烧和NO 生成进行了数值计算，并与实验研究结果进行了对比。 本文采用数值模拟手段，对甲烷旋流射流预混火焰进行了研究，重点考察了射流出 口旋流数、反应当量比和射流出口速度对火焰形貌，以及NOx 和 CO 排放的影响。如 图 1，在直径 50mm 的烧嘴内，甲烷和空气经过旋流预混，射入开放空间进行燃烧。火 焰的旋流来自预混气。预混气在射入开放空间时，带有一定程度的旋转，切向速度沿径 向线性增加，具备刚体旋转的特征，属于典型的兰金涡入口条件。普遍认为，旋流数小 于 0.6 为弱旋，大于 0.6 为强旋。 1 数学模型和数值模拟方法 对旋流流动采用带旋流修正的 k- ε模型，对湍流燃烧采用涡耗散模型进行模拟，对 辐射换热采用离散坐标（DO ）模型进行描述。 对甲烷燃烧采用简化的双步简化机理： CH +1.5O →CO+2H O d [CO ] 11 0.7 0.8 ⎛2 ×105 ⎞ （1） 4 2 2 5.012=×10 [CH ] [O ] exp ⎜ ⎟ 4 2