李丹,李榮梅,邵國(guó)亮,孫 宇,高雪利,陳偉聰

(1.中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000;2.中國(guó)石油大港油田第四采油廠,天津 300280)

基于詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的含顆粒甲烷/空氣層流火焰模擬研究

李丹1,李榮梅2,邵國(guó)亮1,孫 宇1,高雪利1,陳偉聰1

(1.中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000;2.中國(guó)石油大港油田第四采油廠,天津 300280)

本文基于含顆粒甲烷燃燒詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理Gri-Mech3.0，采用層流預(yù)混火焰速度計(jì)算模型計(jì)算了含顆粒甲烷空氣層流預(yù)混燃燒過(guò)程。通過(guò)對(duì)比層流火焰燃燒速度曲線，分析了溫度和當(dāng)量比對(duì)燃燒速度的影響,且對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行敏感性分析。研究結(jié)果表明，顆粒存在降低了火焰的燃燒速度，且溫度越高，燃燒速度降低的越明顯，而燃燒速度變化量隨當(dāng)量比的增加則先增大后減小。

甲烷；顆粒；層流燃燒；敏感性分析

0 引言

本文基于目前國(guó)際通用的描述甲烷燃燒的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理Gri-Mech3.0，對(duì)含顆粒的甲烷空氣層流火焰進(jìn)行模擬研究。分別模擬了含顆粒和不含顆粒兩種混合氣的燃燒速率，并與相關(guān)文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比?；旌蠚獬跏?jí)毫?.1 MPa，初始溫度取為303 K、353 K、403 K、453 K，當(dāng)量比?取為0.8、0.9、1.0、1.1和1.2。每個(gè)模擬工況下氮、氧的摩爾比固定為3.761。模擬進(jìn)行了含顆粒20個(gè)模擬工況和不含顆粒20個(gè)模擬工況(共計(jì)40個(gè)模擬工況)，且每個(gè)含顆粒模擬工況顆粒數(shù)濃度均保持相同。

1 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理和甲烷燃燒化學(xué)反應(yīng)模型

Gri-Mech3.0旨在模擬天然氣燃燒，包括NO形成和再燃化學(xué)的一個(gè)優(yōu)化機(jī)理，是目前國(guó)際上最具代表性的描述甲烷燃燒的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，該機(jī)理包含53種組分，325個(gè)可逆基元反應(yīng)。它是后繼版本2.11在不斷更新機(jī)制的演變邁出的又一步，在更新動(dòng)力學(xué)機(jī)理與近期文獻(xiàn)結(jié)果方面進(jìn)行了改進(jìn)，包括一些新的和改進(jìn)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化，擴(kuò)大機(jī)理和目標(biāo)選擇以及對(duì)熱力學(xué)的敏感性測(cè)試。

本文所采用的層流預(yù)混火焰速率計(jì)算模型是用來(lái)計(jì)算預(yù)混層流火焰速率的一維自由擴(kuò)散火焰模型，該計(jì)算模型包含一個(gè)進(jìn)氣口，一個(gè)火焰速率計(jì)算器，和一個(gè)排氣口，其中火焰速率計(jì)算器為一維預(yù)混火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

2 結(jié)果和討論

圖1給出了初始?jí)毫?.1 MPa，當(dāng)量比?=1.0時(shí)未添加顆粒甲烷空氣混合氣燃燒速率的實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值?？梢钥闯觯S初始溫度的升高，燃燒速率逐漸增加，表明了熱釋放率隨初始溫度的增大而提高。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)從公開(kāi)文獻(xiàn)的四個(gè)可靠來(lái)源獲得，Hill&Huang[5]，Stone et.al[6]and Rallis&Garforth[7]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常接近，然而在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間存在小的偏差，但Andrews&Bradley[8]所測(cè)燃燒速率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏高，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算值的變化趨勢(shì)均相同。因此用詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理計(jì)算的燃燒速率與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。

圖1 燃燒速率隨溫度的變化關(guān)系

圖2給出了燃燒速率隨當(dāng)量比的變化關(guān)系，隨當(dāng)量比的增大，燃燒速率先增大后減小，在?=1.1時(shí)，燃燒速率達(dá)到最大，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算值的變化趨勢(shì)相同，GU等[9]的試驗(yàn)初始溫度為300 K，計(jì)算值的初始溫度為303 K，因此計(jì)算值的燃燒速率偏高，溫度的增加會(huì)提高層流燃燒速率，且在低當(dāng)量比時(shí)溫度對(duì)層流燃燒速率的影響較小，在?=1.0時(shí)影響達(dá)到最大，而后隨當(dāng)量比的增加，影響度又降低，但比低當(dāng)量比時(shí)的影響度大。

圖2 燃燒速率隨當(dāng)量比的變化關(guān)系

圖3和圖4給出了粒子數(shù)密度和溫度隨火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x的變化規(guī)律。粒子數(shù)密度在開(kāi)始時(shí)刻即達(dá)到最大值，而溫度則在火焰?zhèn)鞑サ闹虚g位置達(dá)到最大燃燒溫度，即絕熱火焰溫度。這說(shuō)明粒子在燃燒開(kāi)始時(shí)已摻混到甲烷空氣的預(yù)混火焰中，并在燃燒過(guò)程中影響火焰的傳播。

圖3 粒子數(shù)密度與距離的關(guān)系

圖4 溫度與距離的關(guān)系

圖5給出了不同溫度和不同當(dāng)量比下，含顆粒和不含顆粒甲烷空氣混合氣的燃燒速率。和不含顆粒時(shí)的情形類似，含顆粒甲烷空氣混合氣的燃燒速率隨溫度的升高逐漸增大，隨當(dāng)量比的增加先增大后減小。加入顆粒后，燃燒速率降低，且隨溫度的升高燃燒速率降低的越明顯，說(shuō)明溫度對(duì)加入顆粒后的甲烷空氣混合氣的燃燒速率有明顯影響。加入顆粒后，燃燒速率的變化量隨當(dāng)量比的增加先增大后減小，且在?=1.0時(shí)，變化量達(dá)到最大。

圖5 甲烷空氣混合氣燃燒速率

3 敏感性分析

圖6和圖7給出了初始溫度303 K，當(dāng)量比?=0.8，?=1.0，?=1.2時(shí)，含顆粒和不含顆粒兩種情況下的敏感性分析。正敏感性系數(shù)促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，而負(fù)系數(shù)則阻礙反應(yīng)的進(jìn)行。反應(yīng)H+O2=O+OH的敏感性系數(shù)在各種情況下均為最大，且促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，CH3和H重組為甲烷的逆向反應(yīng)，阻礙反應(yīng)的進(jìn)行。含顆粒反應(yīng)的敏感性系數(shù)相對(duì)不含顆粒的敏感性系數(shù)稍大，且不含顆粒的反應(yīng)在有些當(dāng)量比下不影響反應(yīng)的進(jìn)行。

圖6 不含顆粒敏感性分析

圖7 含顆粒敏感性分析

4 結(jié)論

在初始?jí)毫?.1 MPa，初始溫度303 K，353 K，403 K和453 K以及當(dāng)量比?=0.8～ 1.2條件下，得到以下研究結(jié)論：

(1)詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理能較好地描述甲烷空氣預(yù)混層流火焰的燃燒速率，且計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。

(2)添加顆粒后燃燒速率降低，且溫度越高燃燒速率降低的越明顯。

(3)添加顆粒后燃燒速率變化量隨當(dāng)量比的增加先增大后減小，化學(xué)當(dāng)量比此時(shí)變化量達(dá)到最大。

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SimulationStudyofMethane/AirContainingParticlesLaminarFlameBasedonDetailedChemicalKinetic

LIDan1,LIRong-mei2,SHAOGuo-liang1,SUNYu1,GAOXue-li1,CHENWei-cong1

(1.ChinaPetroleumPipelineEngineeringCorporation,Langfang065000,China;2.PetroleumDagangOilfieldNo.4OilProductionPlant,Tianjin300280,China)

Based on the detailed chemical kinetic mechanism of methane containing particles combustion—Gri-Mech3.0，laminar premixed flame speed calculation model was adopted to calculate the methane/air containing particles laminar premixed combustion process. The influence of temperature and equivalence ratio on the combustion rate was analyzed by comparing the laminar flame speed curve, and sensitivity analysis was done on the calculation results. The results show that the existance of particles reduces the flame burning rate, and the higher the temperature is, the more obvious the burring rate is. But the burning rate variation with the increase of equivalence ratio increases first and then decreases.

methane; particle; laminar combustion; sensitivity analysis

2013-01-14修訂稿日期2014-02-28

國(guó)家自然科學(xué)基金(№51076116)

李丹(1988～),女，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)橛吞锒嘞嗔鲃?dòng)與傳熱數(shù)值模擬。

O643.11，TK16

A

1002-6339 (2014) 06-0520-03