宋 穎, 邱 翔, 劉宇陸

(上海大學(xué)上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所,上海 200072)

矩形彎管中非預(yù)混湍流燃燒的數(shù)值模擬

宋 穎, 邱 翔, 劉宇陸

(上海大學(xué)上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所,上海 200072)

對(duì) C3H8/空氣在彎管燃燒器中的非預(yù)混湍流燃燒進(jìn)行數(shù)值模擬,湍流模型采用 RNG k-ε模型,燃燒模型采用守恒標(biāo)量的概率密度函數(shù) (probability density function,PDF)模型,輻射模型為離散坐標(biāo) (discrete ordinate,DO)模型,壓力和速度項(xiàng)的耦合采用 SIMPLE算法.在燃料丙烷入口速度不變的情況下,改變空氣入口的速度,進(jìn)行 5種工況的模擬.模擬結(jié)果表明:隨著入口空氣速度的增大,燃料和氧化劑分子混合更均勻,燃燒速率升高,燃料濃度迅速減小,溫度場(chǎng)高溫區(qū)提前,火焰空間速度場(chǎng)整體速度增加,湍流強(qiáng)度增強(qiáng),徑向壓力梯度增大.由此,可以通過(guò)控制空氣入口的速度,控制火焰空間速度場(chǎng)速度的大小以及燃燒進(jìn)行的程度.考慮到提高燃燒效率的問(wèn)題,在保證燃料充分燃燒的情況下,盡量減少空氣入口的速度,以達(dá)到工業(yè)目的.

湍流燃燒;彎管流動(dòng);非預(yù)混;湍流模型

Abstract:Numerical simulationsof the propane/air non-premixed combustion in a curved duct are carried out using the RNG k-εturbulentmodel.The combustion model and the radiation model are the conserved scalar probability density function (PDF)model and discrete ordinates(DO)model respectively.Coupling of pressure and velocity uses the SIMPLE algorithm.Based on velocity of the propane at the entrance of the same circumstance,we change velocity of air intake under five conditions.The simulation results show that,w ith increase of air velocity,fuel and oxidizer molecules are mixed more evenly,combustion rate,overall velocity in the velocity field of the flame space,turbulent intensity,and radial p ressure gradient are all increased.Therefore,in order to control the velocity field of the flame space and the extent of combustion,we can control the speed of air intake.To improve combustion efficiency,we can minimize the intake air speed while ensuring full combustion to meet the industrial requirements.

Key words:turbulent combustion;curved duct flow;non-premixed;turbulentmodel

燃燒是受流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)控制的極 其復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程.對(duì)燃燒本質(zhì)和燃燒規(guī)律的認(rèn)識(shí),在最近一二百年,特別是近幾十年才有了較大的發(fā)展[1].20世紀(jì) 50年代末到 60年代,馮卡門首先提出用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)來(lái)研究燃燒,形成了“化學(xué)流體力學(xué)”分支;70年代,Spalding等[2]將計(jì)算流體力學(xué)方法應(yīng)用于燃燒研究,形成了“計(jì)算燃燒學(xué)”.計(jì)算燃燒學(xué)[3]現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于氣體燃料燃燒、液霧燃燒[4]、煤粉燃燒的研究.燃燒的應(yīng)用已經(jīng)遍及航空、能源、動(dòng)力、冶金、石油、化工、交通等各個(gè)領(lǐng)域,而其中的湍流燃燒問(wèn)題已成為能源、動(dòng)力、航空航天等工程領(lǐng)域的常見(jiàn)問(wèn)題.近年來(lái),湍流燃燒現(xiàn)象成為研究的前沿與熱點(diǎn)之一[5].

在實(shí)際燃燒中,湍流能夠增強(qiáng)反應(yīng)物的動(dòng)量、質(zhì)量和能量傳輸,湍流脈動(dòng)可以提高反應(yīng)速率,而非預(yù)混燃燒 (即燃料和氧化劑從不同的入口進(jìn)入燃燒室進(jìn)行反應(yīng))能夠避免預(yù)混燃燒時(shí)燃燒速度快、不易控制等缺點(diǎn).在工業(yè)燃燒裝置中,湍流非預(yù)混燃燒應(yīng)用較多,如鍋爐燃燒器、燃?xì)鉁u輪機(jī)、工業(yè)熔爐等,這些燃燒器的流道或壁面通常是彎曲的,燃燒往往發(fā)生在流場(chǎng)極不均勻的情況下.Tagawa等[6-7]對(duì)丙烷和空氣在彎管燃燒器中的非預(yù)混湍流燃燒進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,分析了某一徑向的燃燒流動(dòng)特征、溫度場(chǎng)的湍流特性,但未對(duì)組分濃度進(jìn)行研究;孟寧等[8]應(yīng)用概率密度函數(shù) (p robability density function,PDF)方法對(duì) CH4射流火焰組分濃度進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了CO,CO2以及 H2O在徑向的濃度分布;郭治民等[9]用簡(jiǎn)化的、聯(lián)合的 PDF模型對(duì) CH4擴(kuò)散燃燒進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了組分濃度的分布,研究結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值符合較好.本工作除了對(duì) Tagawa的實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行數(shù)值模擬之外,還考慮到燃燒火焰以及火焰斷面的溫度和組分分布都是確定空間加熱速度、燃燒設(shè)備效率[10-11]等的重要因素,所以對(duì)不同工況下的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和組分濃度等進(jìn)行了研究,進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)彎管中燃燒流動(dòng)特征問(wèn)題的認(rèn)識(shí),為工業(yè)燃燒過(guò)程提供參考.

1 數(shù)值模擬

1.1 幾何模型的選擇

本工作參考 Tagawa等[6]彎管燃燒器中非預(yù)混湍流燃燒實(shí)驗(yàn)裝置,對(duì)如圖1所示的三維彎管燃燒器中的非預(yù)混湍流燃燒進(jìn)行數(shù)值模擬,研究 z=0截面的計(jì)算結(jié)果,z=0截面如圖2所示.

如圖1所示,矩形截面的彎管燃燒器,內(nèi)環(huán)和外環(huán)的半徑分別為 75和 155 mm,左右兩個(gè)空氣入口寬度都為 37.5 mm,燃料入口處于入口的中心位置,寬度為 5 mm,出口寬度為 80 mm,燃燒器的厚度為50 mm.

圖2 矩形截面彎管燃燒器 z=0截面Fig.2 Section z=0 of the combustion chamber

1.2 參數(shù)的設(shè)置

本工作數(shù)值模擬 C3H8和空氣的燃燒過(guò)程.C3H8和空氣 (21%O2和 79%N2)分別從燃料入口和氧化劑入口進(jìn)入燃燒室進(jìn)行燃燒.燃料和空氣的入口溫度均為 Tin=300 K,環(huán)境溫度為 T0=300 K.混合物的熱特性,包括密度ρ、導(dǎo)熱系數(shù) kc、動(dòng)力粘度μ和比熱 cp,通過(guò)組分混合定律計(jì)算得到,其中密度通過(guò)不可壓理想氣體定律計(jì)算,導(dǎo)熱系數(shù)和動(dòng)力粘度均通過(guò)理想氣體混合定律計(jì)算,混合物的比熱通過(guò)混合定律計(jì)算.

1.3 湍流流動(dòng)模型

在彎曲壁面流動(dòng)或彎曲流線流動(dòng)的情況下,湍流是各向異性的,粘度系數(shù)μt為各向異性的張量,因此 ,Yakhot等[12]提 出 了 RNG k-ε模 型.RNG k-ε模型通過(guò)修正湍動(dòng)粘度,考慮了平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)及旋流流動(dòng)情況;通過(guò)在ε方程中增加一項(xiàng)可反映主流的時(shí)均應(yīng)變率 Eij,使得該模型不僅與流動(dòng)情況有關(guān),而且在同一問(wèn)題中還是空間坐標(biāo)的函數(shù).RNG k-ε模型可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng),所以本工作的湍流模型選擇 RNG k-ε模型,其中模型的 k方程和ε方程分別為

式(1)和 (2)中的常數(shù)為理論推導(dǎo)得出的精確值,其中

1.4 燃燒的控制微分方程與燃燒模型的選擇

燃燒過(guò)程是復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程,涉及物質(zhì)不滅定律、牛頓第二定律、能量轉(zhuǎn)換和守恒定律、組分轉(zhuǎn)換和平衡定律等.控制燃燒過(guò)程的基本方程組,由連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程和組分方程組成.上述方程可用通用方程式來(lái)表示,即

式中,各項(xiàng)依次為瞬態(tài)項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng),其中 φ為通用變量 (可表示速度、溫度和組分等),Γφ為變量 φ的擴(kuò)散系數(shù),Sφ為氣相源項(xiàng).

本工作的燃燒模型選用非預(yù)混燃燒守恒標(biāo)量的PDF模型[13-14].PDF模型假定反應(yīng)是受混合速率所控制,即反應(yīng)已達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài),每個(gè)單元內(nèi)的組分及其性質(zhì)由燃料和氧化劑的湍流混合強(qiáng)度所控制,涉及到的化學(xué)反應(yīng)體系由化學(xué)平衡計(jì)算來(lái)處理.PDF方法不直接求解組分和能量的輸運(yùn)方程,而是通過(guò)求解混合分?jǐn)?shù)及其均方值的輸運(yùn)方程獲得組分和溫度場(chǎng);可以預(yù)測(cè)中間組分的濃度,考慮流動(dòng)中的耗散現(xiàn)象以及化學(xué)反應(yīng)與湍流之間的相互作用,不需要求解大量的組分和能量的輸運(yùn)方程,縮短了計(jì)算時(shí)間.

1.5 火焰?zhèn)鳠徇^(guò)程與輻射模型的選擇

火焰?zhèn)鳠釋?duì)燃燒的流動(dòng)過(guò)程、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程有很大的影響,即火焰?zhèn)鳠釋?duì)燃燒過(guò)程有強(qiáng)烈的反饋?zhàn)饔?火焰?zhèn)鳠徇^(guò)程數(shù)值計(jì)算所用的基本方程是能量方程,即

式中,左邊為焓 cpT的流動(dòng)項(xiàng),右邊第一項(xiàng)為擴(kuò)散項(xiàng)(即導(dǎo)熱項(xiàng)),第二項(xiàng)為源項(xiàng) SQ.SQ包括化學(xué)反應(yīng)釋熱率 Q和輻射換熱率 QR,即

燃燒室中火焰?zhèn)鳠岬妮椛鋼Q熱[15]十分強(qiáng)烈,輻射換熱項(xiàng) QR通常大于流動(dòng)項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng).常用的工程燃燒設(shè)備的火焰?zhèn)鳠嶂?輻射換熱約占 90%,起主要作用.

火焰輻射換熱數(shù)值計(jì)算方法多種多樣,本工作選擇 DO(discrete ordinates)模型[16].DO模型對(duì)于任何的光學(xué)深度都適用,允許使用灰?guī)Ｐ陀?jì)算非灰體輻射,因此,對(duì)于具有局部熱源的問(wèn)題,DO模型是較好的輻射計(jì)算方法.

1.6 網(wǎng)格及求解

將三維計(jì)算區(qū)域劃分為 1 240 000個(gè)六面體網(wǎng)格,圖3和圖4分別給出了 z=0截面網(wǎng)格分布和速度入口截面網(wǎng)格分布.由于燃料燃燒區(qū)域流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和組分場(chǎng)的變化較大,所以采用漸進(jìn)網(wǎng)格在這部分進(jìn)行了加密,并對(duì)壁面處網(wǎng)格也進(jìn)行了加密.

流體進(jìn)口采用速度入口邊界條件,出口采用壓力出口邊界條件,壁面處采用無(wú)滑移邊界條件,壁面為絕熱壁面.離散方程中的對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)差分格式,壓力和速度的耦合方式為 SIMPLE算法[17],對(duì)近壁網(wǎng)格點(diǎn)用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)[18]進(jìn)行處理.

圖3 z=0截面網(wǎng)格分布Fig.3 Gr id of section z=0

圖4 速度入口截面網(wǎng)格分布Fig.4 Gr id of veloc ity in let

2 計(jì)算結(jié)果與分析

本工作針對(duì) 5種燃燒工況進(jìn)行數(shù)值模擬,各種工況的數(shù)據(jù)見(jiàn)表 1.C3H8與空氣的化學(xué)反應(yīng)采用2C3H8+3O2=6CO+8H2,2CO+O2=2CO2,2H2+O2=2H2O.工況 I和文獻(xiàn) [6]中的燃燒實(shí)驗(yàn)條件相同,等溫流場(chǎng)參數(shù)與工況 I相對(duì)應(yīng).對(duì)于這 5種工況,氧氣都是過(guò)量的,燃燒室內(nèi)有足夠的 O2和 C3H8反應(yīng);燃料的入口速度不變,通過(guò)改變空氣的入口速度,分析不同工況下燃燒的進(jìn)行程度,分析速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和組分濃度場(chǎng)的變化;取 z=0截面進(jìn)行研究,Re數(shù)基于空氣入口水力直徑計(jì)算得出.

表 1 5種燃燒工況的入口速度Table 1 Velocity of inlet for cond itionsⅠ toⅤ

2.1 速度場(chǎng)

圖5為 z=0截面上工況 V數(shù)值模擬的 (用“□”表示)、與入口成 60°的平均速度的分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果(用“■”表示)的比較.從峰值、峰值出現(xiàn)的位置以及整個(gè)圖形的變化趨勢(shì)可以看出,圖5(a)所示的流向平均速度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合;而由于采用比較簡(jiǎn)單的 C3H8與空氣兩步反應(yīng),圖5(b)所示的徑向平均速度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的吻合沒(méi)有那么精確,但整體分布趨勢(shì)跟實(shí)驗(yàn)結(jié)果還是比較一致的.從流向速度的分布圖可以看出,流向速度在燃料燃燒的區(qū)域明顯增大,這說(shuō)明由于燃燒過(guò)程對(duì)湍流的影響,燃燒區(qū)域溫度迅速升高,流場(chǎng)壓力增大,湍流流動(dòng)的速度增大;而由于彎管曲率的存在使得流場(chǎng)受到離心力的作用存在二次流[19-21],在燃燒和曲率的共同作用下,徑向速度呈現(xiàn)如圖5(b)所示的分布.

圖5 工況 V 60°平均速度Fig.5 D istr ibustion of mean velocity in rad ial d irection 60°of cond ition Ⅴ

圖6 60°徑向,工況 I與等溫工況湍流強(qiáng)度分布Fig.6 D istr ibutions of turbulent inten sity in rad ial d irection 60°of cond ition I and isothermal cond ition

圖6為工況 I與等溫流場(chǎng)在 z=0截面 60°徑向湍流強(qiáng)度的比較.可以看出,由于燃燒的存在,湍流強(qiáng)度在燃燒區(qū)域有所增加.圖7為工況 I與等溫流場(chǎng)在z=0截面90°徑向速度大小的比較,可以看出,由于燃燒的存在,流場(chǎng)速度有很顯著的增大.圖8為工況 I不同徑向湍流強(qiáng)度分布圖,其中 A,B,C,D,E分別代表 45°,60°,90°,120°,135°徑向的湍流強(qiáng)度.在燃燒的影響下,湍流強(qiáng)度在燃燒區(qū)域逐漸增大,由于彎管曲率的存在,湍流強(qiáng)度呈現(xiàn)非對(duì)稱分布.隨著空氣入口 Re數(shù)的增加,燃料與氧化劑之間的分子混合更快、更均勻,燃燒速率越來(lái)越大,燃燒的增強(qiáng)也使得湍流強(qiáng)度增加.從圖9可以看出,燃燒存在的區(qū)域,湍流強(qiáng)度有比較明顯地增加.

圖7 90°徑向,工況 I與等溫工況速度分布Fig.7 D istr ibution s of veloc ity in rad ial d irection 90°of cond ition Iand isothermal cond ition

圖8 工況 I不同徑向湍流強(qiáng)度分布Fig.8 D istr ibution s of turbulence in ten sity in d ifferen t rad ial d irections of cond ition I

2.2 壓力場(chǎng)

圖10為工況 I與等溫流場(chǎng) 60°徑向的壓力分布.可以看出,彎管曲率的存在使流場(chǎng)受到離心力的作用,壓力分布從彎管內(nèi)側(cè)到彎管外側(cè)逐漸增大.由于燃燒的存在,壓力場(chǎng)的壓力整體增大,而在燃燒區(qū)域,徑向的壓力梯度出現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)折,使得內(nèi)側(cè)的壓力梯度比外側(cè)的壓力梯度大.從圖11可以看出,隨著空氣入口速度的增大,z=0截面60°徑向壓力分布呈現(xiàn)一種最大壓力增大,最小壓力變小的變化,徑向壓力梯度的變化越來(lái)越大,而由于燃燒的增強(qiáng),燃燒區(qū)域梯度的轉(zhuǎn)折也更明顯.

圖9 不同工況 90°徑向湍流強(qiáng)度分布Fig.9 D istr ibution s of turbulence in ten sity in rad ial d irection 90°of cond itions I to V

圖10 60°徑向,工況 I與等溫工況壓力分布Fig.10 D istr ibutions of pressure in rad ial d irection 60°of cond ition Iand isothermal cond ition

圖11 不同工況下 60°徑向壓力分布Fig.11 D istr ibutions of pressure in rad ial d irection 60°of cond itions I to V

2.3 溫度場(chǎng)

湍流燃燒的溫度場(chǎng)受到速度場(chǎng)的影響,因?yàn)榭諝馊肟谒俣鹊脑黾?提供了更多的氧氣,燃料與氧氣的充分混合,增加了相互反應(yīng)的機(jī)率,燃燒速率增大,反應(yīng)區(qū)域相應(yīng)溫度增加;而空氣流量的增大又會(huì)從流場(chǎng)帶走更多的熱量,所以空氣入口速度對(duì)整個(gè)溫度場(chǎng)的影響是比較復(fù)雜的.由圖12可知,隨著空氣入口速度的增加,保持燃料入口速度不變,z=0截面 60°徑向溫度在燃燒區(qū)域呈增加狀態(tài).將燃燒區(qū)域局部放大,可以看出,在中間區(qū)域速度較小時(shí)出現(xiàn)了溫度低于兩邊溫度的情況,這主要是因?yàn)樗俣容^小,中心區(qū)域氧氣不足,燃燒和放熱不充分造成的.當(dāng)速度達(dá)到 7.7 m/s時(shí),中心區(qū)域的溫度不低于兩邊的溫度,這與圖11所示 CO濃度的分布呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系.圖11也可反映燃燒火焰的相對(duì)長(zhǎng)度.隨著空氣入口速度的增大,火焰長(zhǎng)度越來(lái)越短.圖13為工況 I z=0截面不同徑向溫度分布圖.由溫度的分布可以看出,隨著燃燒的進(jìn)行,燃燒越來(lái)越充分,反應(yīng)區(qū)域溫度逐漸升高;而由于彎管曲率的存在使得火焰面變彎曲,徑向溫度的分布也變的不對(duì)稱,并且隨著燃燒在彎管內(nèi)的發(fā)展,徑向溫度分布將越來(lái)越不對(duì)稱.由以上分析可以得出,隨著空氣入口 Re數(shù)的增大,燃燒速率增大,火焰長(zhǎng)度變短,溫度場(chǎng)的高溫區(qū)域前移,如圖14和圖15所示.

圖12 不同工況 60°徑向溫度分布及局部放大Fig.12 D istr ibutions of temperature in rad ial d irection 60°of cond ition s I to V

2.4 濃度場(chǎng)

圖16為工況 V z=0截面 C3H8的濃度分布 (濃度指摩爾分?jǐn)?shù)).C3H8在 z=0截面上與入口成 60°的徑向濃度幾乎為 0,此時(shí)可認(rèn)為 C3H8燃燒完畢.由圖17可以看出,在 60°徑向時(shí),C3H8幾乎燃燒完畢不再發(fā)光,這是實(shí)驗(yàn)選取此徑向測(cè)量的原因,數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果[6]基本吻合.

圖13 工況 I不同徑向溫度分布Fig.13 D istr ibution s of tem perature in d ifferen t rad ial d irection s of cond ition I

圖14 工況 I z=0截面溫度分布Fig.14 D istr ibution of temperature in section z=0 of cond ition I

圖15 工況 V z=0截面溫度分布Fig.15 D istr ibution of temperature in section z=0 of cond ition V

圖18為工況 I在 60°徑向時(shí)各個(gè)組分的濃度,可以看出燃燒進(jìn)行的程度與狀態(tài).在理想情況下,燃燒區(qū)可視為無(wú)限薄的反應(yīng)區(qū)[22](即幾何火焰面),該表面對(duì)氧和燃料都是不可滲透的,即在火焰面的燃料側(cè)不存在氧氣,在氧氣側(cè)不存在燃料,這一結(jié)論可由圖18清楚看到.又因?yàn)槿剂现行膮^(qū)域氧氣不足使得燃燒不充分,燃燒首先生成 CO和 H2,使得 CO2和H2O在中心區(qū)域濃度變小,具體結(jié)果如圖19所示.可以看出,隨著空氣入口速度的增加,氧氣量增大,燃燒速率也逐漸增大,充分燃燒的燃料增多,CO濃度變小,因此,隨著空氣入口速度的增加,燃燒區(qū)域同一位置處的 CO濃度越來(lái)越小.

圖16 工況 V C3H8濃度分布Fig.16 D istr ibution of the C3H8mole fraction of cond ition V

圖17 工況 V 60°徑向 C3H8濃度分布Fig.17 D istr ibution of the C3H8m ole fraction in rad ial d irection 60°of cond ition V

圖18 工況 I 60°徑向的濃度分布Fig.18 D istr ibution of mole fraction in rad ial d irection 60°of cond ition I

3 結(jié)論與討論

本工作采用非預(yù)混燃燒守恒標(biāo)量的PDF模型對(duì)矩形截面彎管燃燒器中的非預(yù)混湍流燃燒進(jìn)行數(shù)值模擬.對(duì)比了燃燒流場(chǎng)與等溫流場(chǎng),并在燃料 C3H8速度不變的情況下,通過(guò)改變空氣入口的速度,進(jìn)行了 5種工況的模擬,并對(duì)以下問(wèn)題進(jìn)行了研究討論.

圖19 不同工況下 60°徑向的 CO濃度分布Fig.19 D istr ibutions of the CO m ole fraction in rad ial d irection 60°of cond itions I to V

(1)燃燒對(duì)流場(chǎng)的影響.

湍流燃燒是由湍流的流場(chǎng)性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)共同作用的.由于復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)的存在,燃燒在燃燒區(qū)域?qū)?duì)湍流場(chǎng)產(chǎn)生很大的影響,使得湍流增強(qiáng).由于燃燒放熱,燃燒區(qū)域溫度迅速升高,流場(chǎng)壓力增大,并且在燃燒區(qū)域徑向壓力會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小的突變,造成徑向壓力梯度的改變.燃燒使得流場(chǎng)的速度增大,尤其燃燒區(qū)域增大得更顯著,這與壓力的增大密切相關(guān).

(2)空氣入口 Re數(shù)增大對(duì)流場(chǎng)及燃燒的影響.

在燃料速度不變的情況下,隨著空氣入口 Re數(shù)的增大,氧氣量變大,燃料和氧氣分子接觸幾率增加,混合更均勻,反應(yīng)幾率和燃燒速率增大,燃料濃度迅速減小,不充分反應(yīng)變少,同一位置 CO的濃度變小.火焰空間速度場(chǎng)整體速度增加,徑向壓力梯度變大,燃燒區(qū)域的梯度轉(zhuǎn)折更明顯,湍流強(qiáng)度增大.速度場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)的影響是比較復(fù)雜的,隨著空氣入口 Re數(shù)增大,反應(yīng)增強(qiáng),相應(yīng)反應(yīng)溫度升高,而空氣流量的增大又會(huì)從流場(chǎng)帶走更多的熱量,反應(yīng)的增強(qiáng)使得火焰長(zhǎng)度變短,溫度場(chǎng)高溫區(qū)域提前.

(3)關(guān)于燃燒效率的討論.

所謂提高燃燒效率,就是讓適量的燃料和適量的空氣組成最佳比例進(jìn)行燃燒.根據(jù)工業(yè)上提高燃燒效率的要求,本工作選取的 5種工況均為氧氣過(guò)量,燃料燃燒完畢.因?yàn)槿艨諝饬坎蛔?、燃料未充分燃燒而造成的能量損失是非常大的,這與節(jié)約能源、提高能源利用率是相違背的.空氣中有 79%的氮?dú)?這些氮?dú)獠粎⑴c燃燒,但在燃燒過(guò)程中被加熱、吸取了能量,然后從煙道中被排到大氣中去.這些能量的損耗是不可避免的,但卻可以減到最低,如能在保證燃料充分燃燒的前提下,最大程度地減少空氣的輸入量,則這種形式的損耗將減至最低.

從研究結(jié)果可見(jiàn),可以通過(guò)控制空氣入口的速度,來(lái)控制火焰空間速度場(chǎng)速度的大小、燃燒進(jìn)行的程度以及溫度的分布,并考慮到提高燃燒效率的問(wèn)題,在保證燃料充分燃燒的情況下,盡量減小空氣入口的速度,以達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的需求.

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(編輯:孟慶勛)

Numer ical Sim ulation of Non-prem ixed Turbulen t Com bustion in Curved Rectangular Duct

SONG Ying, QIU Xiang, L IU Yu-lu
(Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China)

O 357

A

1007-2861(2010)04-0415-08

10.3969/j.issn.1007-2861.2010.04.017

2009-07-22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(10772110)

劉宇陸 (1959～),男,教授,博士生導(dǎo)師,博士,研究方向?yàn)橥牧?、環(huán)境流體力學(xué).E-mail:ylliu@shu.edu.cn