高育科, 彭 博, 胡 巍, 韓新波, 李洪偉, 萬榮華

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氫氧加濕燃燒過程一維數(shù)值仿真

高育科, 彭 博, 胡 巍, 韓新波, 李洪偉, 萬榮華

(中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710075)

針對氫氧燃燒中間加濕過程, 建立了燃燒摻混及水蒸氣流中冷卻水液滴蒸發(fā)的數(shù)學模型, 采用歐拉-拉格朗日方法對燃燒器中氫氧加濕燃燒及冷卻水噴霧蒸發(fā)過程進行了一維(1D)數(shù)值仿真, 得到了燃燒器內(nèi)蒸汽壓力、溫度等物理量分布及冷卻水液滴的運動變化過程, 并針對含濕量不同的氫氧入口條件及冷卻水工況進行了計算, 分析了各參數(shù)變化對摻混燃燒過程的影響, 為氫氧加濕燃燒過程分析和燃燒室的初步設(shè)計提供參考。

氫氧加濕燃燒; 數(shù)值仿真; 燃燒器; 噴霧

0 引言

以氫氧為燃料的燃燒室中氫氧燃燒產(chǎn)生高溫高壓燃氣, 為了運行安全和得到符合要求的輸出蒸汽工質(zhì), 常通過噴入冷卻水來保護燃燒室和調(diào)節(jié)輸出工質(zhì)參數(shù), 另外在某些應(yīng)用領(lǐng)域, 氫氧進入燃燒室時可能含有一定濕度, 所以其中的過程涉及一定濕度條件下的含濕氫氧射流燃燒、蒸汽流中冷卻水液滴蒸發(fā)等過程。本文通過對氫氧加濕燃燒過程和蒸汽流中冷卻水液滴的運動變化過程的分析, 建立了氫氧加濕燃燒的氣相流動和液滴運動變化過程的數(shù)學物理模型, 采用simple算法進行氣相燃燒流動計算, 基于軌道模型計算液相蒸發(fā)過程, 通過氣液耦合, 計算得到燃燒器中各物理量分布及液滴運動變化過程, 并針對不同工況進行仿真計算, 研究各參數(shù)對摻混燃燒過程的影響。

1 工作原理

仿真針對的燃燒器構(gòu)型如圖1所示, 含濕氫氧射流進入燃燒器, 燃燒產(chǎn)生水蒸氣流, 在燃燒后的蒸汽流中摻入冷卻水噴霧進行摻混降溫, 通過噴水不僅可以對燃燒室起到保護的作用, 而且可以通過調(diào)節(jié)噴水條件來調(diào)節(jié)輸出工質(zhì)的參數(shù)。

圖1 氫氧加濕燃燒器構(gòu)型

2 數(shù)學模型

氫氧燃燒摻混試驗器中的過程涉及含濕氫氧的射流燃燒及冷卻水噴霧的摻混蒸發(fā)等過程,燃燒器中氣相數(shù)學模型由質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒方程構(gòu)成, 液相數(shù)學模型由液滴的粒徑、速度、溫度變化方程構(gòu)成, 通過對液滴各參量的計算, 得出液滴作用于氣相的質(zhì)量、動量、能量源項, 將上述源項引入氣相各方程耦合求解, 得到燃燒器中含濕氫氧燃燒及與冷卻水摻混過程的氣液兩相的完整解。

2.1 氣相模型

質(zhì)量守恒方程

動量守恒方程

能量守恒方程[1]

其中,為總焓

,,分別為液相作用于氣相的質(zhì)量、動量、能量源項[2], 定義為

2.2 液相模型

液相計算采用軌道模型, 即在拉格朗日坐標系下考察液滴群沿各自軌道運動時的質(zhì)量損失、動量變化和能量變化。計算中只考慮阻力且假設(shè)液滴溫度均一。

1) 液滴的運動方程

2) 液滴粒徑變化方程

液滴初始加入時, 其溫度低于環(huán)境壓力下的飽和溫度, 液滴表面由氫氧燃燒后的水蒸氣包裹形成溫度和濃度邊界層, 溫度邊界層中液滴表面和飽和溫度蒸汽界面之間的球殼區(qū)域內(nèi)蒸汽處于未飽和狀態(tài)會凝結(jié), 而液滴表面蒸汽和蒸汽主流之間的濃度梯度會導(dǎo)致液滴擴散蒸發(fā), 在凝結(jié)和蒸發(fā)共同作用下, 可以假定初始階段液滴質(zhì)量不變, 只有溫度增加而無蒸發(fā)的過程, 當液滴達到飽和溫度后, 液滴溫度不變并開始蒸發(fā)。

a. 液滴未達到飽和溫度時

b. 液滴達到飽和溫度后

采用Ranz-Marshall關(guān)系式, 可得球形液滴平均數(shù)

由的定義可得

由傳熱與傳質(zhì)的類比關(guān)系

可得

假設(shè)=1, 可得

其中,T為飽和溫度。

液滴質(zhì)量為

綜合各式, 得到液滴粒徑平方的變化方程為

3) 液滴溫度變化方程

當溫度低于沸點時, 氣相對液滴進行加熱, 溫度升高。溫度變化方程為

氣相與液相之間的對流換熱

氣相和液相之間的輻射換熱

以上計算中, 物性參數(shù)隨溫度變化, 且邊界層蒸汽物性參數(shù),,,c依據(jù)1/3定律[4]計算。

4) 液滴尺寸分布

噴嘴噴霧液滴是連續(xù)分布的, 為進行數(shù)值計算,必須對連續(xù)分布的液滴進行離散化處理。假設(shè)液滴噴霧尺寸分布符合Rosin-Rammler分布, 將連續(xù)尺寸分布的液相按照該分布分成多個離散尺寸組, 每組用平均直徑d表示。

3 數(shù)值解法

氣相主方程組的求解基于simple算法[5], 采用交錯網(wǎng)格, 分別引入速度、壓力脈動值及溫度松弛因子對各變量進行松弛迭代[6], 邊界條件采用速度入口和壓力出口, 利用TDMA算法求解各線性方程組。

采用4階Runge-Kutta法[7]計算液滴速度、粒徑和溫度變化, 液滴軌道利用線性表達式計算[8]

將拉格朗日坐標系下的液滴計算結(jié)果轉(zhuǎn)化至氣相歐拉坐標系下單元格內(nèi), 計算出源項加入到氣相各方程。先利用simple算法解未加入摻混的氣相各場, 待達到粗收斂時進行液相計算, 并在各氣相方程中加入源項計算氣相各場, 迭代若干次后, 重新計算液相參數(shù), 并作為源項加入氣相各方程計算, 如此反復(fù)多次直至收斂, 上述方法即利用單元內(nèi)顆粒源(particle source in cell, PSIC)方法進行氣液耦合計算[9]。1D計算程序流程如圖2所示。

圖2 氫氧加濕燃燒過程1D程序結(jié)構(gòu)

4 計算結(jié)果及分析

利用文中建立的程序進行數(shù)值計算, 對化學恰當比燃料流量入口和壓力出口條件下的氫氧摻混燃燒進行計算, 摻混冷卻水垂直燃燒器軸線噴入主流。下文算例中, 摻混水流量變化時, 通過調(diào)整噴嘴參數(shù)使噴嘴的索特爾直徑保持不變。

1) 含濕氫氧摻混燃燒(氣相分布、液滴變化) 含濕氫氧燃燒且加入摻混水冷卻的燃氣溫度分布如圖3所示(文中圖線涉及物理量軸向分布時, 軸向距離值均由軸向位移與總軸線長比值來表示), 同等條件下, 氫氧燃燒溫度高達3 000~ 4 000 K, 入口燃料含一定濕度條件下氫氧燃燒后溫度只達到1 460 K, 通過加入摻混水噴霧冷卻溫度降至1 000 K左右。由燃氣速度分布圖4可知, 氣體經(jīng)過燃燒器前導(dǎo)管時, 速度高達10~12 m/s且保持恒定, 當氣體射流噴出后, 燃燒器截面積擴展變大, 平均速度突然降低, 之后由于燃燒溫度增加, 密度減小, 速度也隨之增加, 當加入摻混水時, 由于質(zhì)量的加入蒸汽速度略有上升, 直至液滴蒸發(fā)完全后速度保持穩(wěn)定。壓力經(jīng)過計算在整個計算域內(nèi)幾乎保持一致, 因此可以認為燃燒器內(nèi)的過程是一個等壓過程。

圖3 含濕氫氧摻混燃燒燃氣溫度軸向分布

圖4 含濕氫氧摻混燃燒燃氣速度軸向分布

由液滴的粒徑和溫度變化圖(圖5和圖6)可知, 初始階段液滴粒徑不變, 即無質(zhì)量蒸發(fā), 溫度升高, 直至達到飽和溫度后, 液滴開始蒸發(fā), 之后溫度保持飽和溫度不變。液滴初始加入時軸向初速度為零, 隨著液滴的運動, 其速度不斷增加直至達到主流速度, 液滴速度變化過程如圖7所示。液滴初始進入時由于速度較小, 軌跡變化較慢, 隨著速度不斷增加軌跡變化加快, 直至液滴達到主流速度時, 軌跡變化恒定, 液滴軌跡變化過程如圖8所示。

不同粒徑的液滴變化規(guī)律表明, 液滴粒徑越小, 蒸發(fā)時間越短, 蒸發(fā)距離越小, 且隨著粒徑減小, 液滴慣性越小, 速度和溫度變化更快。

2) 不同參數(shù)的含濕氫氧摻混燃燒

不同的氫氧入口含濕條件和冷卻水摻混情況可以改變?nèi)紵鲀?nèi)的各物理量分布, 圖9為在燃料流量相同、摻混冷卻水流量相同、氫氧入口含濕量不同時燃燒器內(nèi)溫度分布。由圖可知, 燃料含水量越大, 其燃燒后溫度越低, 加入摻混水時主流溫度越低, 主流達到平衡溫度所需距離越長, 液滴蒸發(fā)距離越長。

圖5 不同尺寸液滴粒徑隨蒸發(fā)時間變化

圖6 不同尺寸液滴溫度隨蒸發(fā)時間變化

圖7 不同尺寸液滴速度隨蒸發(fā)時間變化

圖8 不同尺寸液滴軌跡隨蒸發(fā)時間變化

圖9 含濕量不同時燃燒器溫度分布

在距入口不同點處加入摻混水對燃燒器內(nèi)分布也有很大影響, 氫氧入口含水量及摻混冷卻水流量相同的情況下, 分別在距入口不同點處加入冷卻水摻混, 得到燃燒器溫度分布見圖10。不同點處加入摻混水得到的溫度分布不同, 在相同的主流溫度加入摻混水時, 液滴蒸發(fā)距離相同。在燃燒區(qū)加入摻混水時, 溫度由氫氧燃燒生成的熱量和液滴蒸發(fā)吸收的熱量共同控制, 液滴初始加入時蒸發(fā)吸熱大于反應(yīng)產(chǎn)熱, 燃氣溫度下降, 隨著液滴溫度的升高, 質(zhì)量逐漸減小, 液滴吸熱不斷減小直至小于反應(yīng)產(chǎn)熱, 燃氣溫度逐漸增加至平衡溫度。由圖10還可知, 在保證燃料含水量和摻混水量一定的情況下, 距入口不同點處摻入冷卻水得到的最終溫度相同, 符合能量守恒。

圖10 不同點處加入摻混水時燃燒器溫度分布

氫氧入口含水量相同, 在同一點加入不同流量的冷卻水時燃燒器溫度分布如圖11所示。圖中結(jié)果表明, 不同摻混水量最終的平衡溫度不同, 摻混水量越大溫度越低, 且摻混水量越大達到平衡所需的距離越長, 冷卻水液滴蒸發(fā)所需距離越長。

圖11 加入不同量的摻混水時燃燒器溫度分布

為了燃燒器的安全運行和得到符合汽輪機系統(tǒng)要求的蒸汽參數(shù), 必須選擇合適量的入口燃料濕度和摻混冷卻水流量來控制輸出蒸汽溫度, 另外為了保證最終蒸汽中液滴完全蒸發(fā), 還必須選擇合理的距離點處加入摻混, 摻入點過于靠前, 在一定量的冷卻水噴霧作用下氫氧可能無法點火或者無法穩(wěn)定燃燒, 摻入點過于靠后, 會導(dǎo)致燃燒區(qū)溫度過高或者出口蒸汽附帶液滴。

5 結(jié)束語

本文通過分析氫氧加濕燃燒及液滴的運動變化過程, 基于文中建立的數(shù)學物理模型進行1D數(shù)值計算, 得到了燃燒器內(nèi)的氣相分布和液相的運動變化過程, 計算分析了不同的摻混冷卻方案對含濕氫氧燃燒的影響, 經(jīng)過與3D仿真結(jié)果對比, 液滴蒸發(fā)距離、蒸發(fā)時間、變化規(guī)律及氣相變化結(jié)果基本相符, 表明文中所建理論和程序的合理性。

通常燃燒室中液滴蒸發(fā)包括燃料液滴的蒸發(fā)和燃氣中冷卻水液滴的蒸發(fā)[10], 這2種情況下蒸發(fā)環(huán)境為多元混合物且液滴表面和環(huán)境之間存在很大的濃度梯度, 液滴的蒸發(fā)主要由擴散作用所控制, 而本文所涉及的氫氧燃燒后水蒸氣流中液滴的蒸發(fā)過程, 其蒸發(fā)環(huán)境為水蒸氣流, 蒸發(fā)過程受控于液滴表面和環(huán)境之間的密度差(濃度差), 也就是由對流傳質(zhì)所決定, 本文建立的液滴模型對于認識水蒸氣流中液滴的運動變化過程有重要的指導(dǎo)意義。

利用文中建立的1D計算程序可進行不同結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)下的燃燒器內(nèi)氫氧加濕燃燒過程計算, 雖然1D數(shù)值模擬尚不能描述整個流場的細節(jié), 但其計算量較2D和3D仿真大幅減少, 可為初步設(shè)計提供良好參考, 為后續(xù)研究打下基礎(chǔ)。

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One-dimensional Numerical Simulation of Humidified Hydrogen-oxygen Combustion

GAO Yu-ke, PENG Bo, HU Wei, HAN Xin-bo, LI Hong-wei, WAN Rong-hua

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industrial Corporation, Xi′an 710075, China)

A new mathematical model of humidified hydrogen-oxygen combustion is built to describe combustion blending and cooling water evaporation process. One-dimensional simulation of different hydrogen-oxygen inlet and cooling water conditions are carried out to get the inlet parameters of influencing on humidified combustion by Euler-Lagrange method. The conclusion can provide a reference for analyzing humidified hydrogen-oxygen combustion process and designing combustion chamber.

humidified hydrogen-oxygen combustion; numerical simulation; combustor; atomization

TJ630.32

A

1673-1948(2013)02-0126-06

2012-08-30;

2012-09-12.

高育科(1986-), 男, 在讀碩士, 研究方向為水下熱動力技術(shù).

(責任編輯: 陳 曦)