夏永放，史俊瑞，徐有寧，李本文，薛治家，谷聰偉

(1.沈陽工程學(xué)院 遼寧潔凈燃燒發(fā)電與供熱技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110316；2.大連理工大學(xué) 能源與動力學(xué)院，遼寧 大連 116024)

燃燒模型對多孔介質(zhì)內(nèi)預(yù)混燃燒的影響

夏永放1，史俊瑞1，徐有寧1，李本文2，薛治家1，谷聰偉1

(1.沈陽工程學(xué)院 遼寧潔凈燃燒發(fā)電與供熱技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110316；2.大連理工大學(xué) 能源與動力學(xué)院，遼寧 大連 116024)

采用二維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型研究燃燒模型多孔介質(zhì)內(nèi)預(yù)混燃燒影響.燃燒模型分別為單步和多步化學(xué)反應(yīng)動力機(jī)理(17種組分，58個反應(yīng))，CH4/空氣當(dāng)量比的范圍為0.55～1.0.對比分析兩種燃燒模型下燃燒器中心處的溫度、組分濃度分布曲線.結(jié)果表明，多步燃燒模型對燃燒器內(nèi)溫度、組分濃度分布有更準(zhǔn)確的預(yù)測，并與文獻(xiàn)結(jié)果比較，證實(shí)了二維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的正確性.此外，將二維的溫度場進(jìn)行比較，結(jié)果表明單步化學(xué)機(jī)理的反應(yīng)區(qū)域小，溫度梯度大，而多步化學(xué)反應(yīng)由于各反應(yīng)步驟存在時間尺度的差異，反應(yīng)區(qū)域大，溫度梯度相對較小，與實(shí)際燃燒情況能很好的吻合.

燃燒模型；預(yù)混燃燒;多孔介質(zhì);二維數(shù)值模擬

預(yù)混氣體燃燒特性研究一直被許多學(xué)者作為一個熱門的話題[1-2].多孔介質(zhì)內(nèi)預(yù)混氣體燃燒具有低CO和NOx排放、熱流密度高及動力調(diào)節(jié)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用在內(nèi)燃機(jī)、戶式供暖、工業(yè)爐等領(lǐng)域[3-4].近些年，在多孔介質(zhì)預(yù)混燃燒器設(shè)計和運(yùn)行上有了更多的研究.Fu，Hsu等[5-6]在多孔介質(zhì)內(nèi)燃燒的輻射效率、燃燒率、熄火極限、火焰穩(wěn)定性、污染物排放等方面做了大量的試驗(yàn)工作.數(shù)值模擬被廣泛用在研究多孔介質(zhì)燃燒方面.Hsu等[7]對多孔介質(zhì)內(nèi)的燃燒速度、溫度、組分濃度分布做了一維數(shù)值計算，確認(rèn)使用多步化學(xué)反應(yīng)動力模型的必要性.Barra等[8-9]首次用一維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型研究了多孔介質(zhì)內(nèi)氣固傳熱過程及多孔介質(zhì)材料特性對火焰穩(wěn)定性的影響.Brenner等[10]用二維穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型對多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)溫度場及組分濃度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，認(rèn)為數(shù)值模擬是很好的輔助設(shè)計工具.Liu等[11]用二維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型研究了多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)反應(yīng)物當(dāng)量比、介質(zhì)輻射衰減系數(shù)及導(dǎo)熱系數(shù)對溫度場的影響.

采用二維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，分別用單步和多步化學(xué)反應(yīng)(17種組分，58個反應(yīng))機(jī)理，對CH4/空氣當(dāng)量比Φ在0.55～1.0范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)值計算.分析比較兩種燃燒模型對溫度場、組分濃度分布引起的差異.此外，對兩種燃燒模型下多孔介質(zhì)燃燒器的排放溫度進(jìn)行分析，并與文獻(xiàn)[7-8]數(shù)據(jù)進(jìn)行比較來驗(yàn)證計算模型及結(jié)果的正確性.同時，還研究CO濃度隨當(dāng)量比Φ的變化規(guī)律，并與文獻(xiàn)[12]結(jié)果進(jìn)行比較，進(jìn)一步證實(shí)計算模型及結(jié)果的正確性.

1 數(shù)值模擬模型

1.1 物理模型

研究對象為2段式柱形多孔介質(zhì)燃燒器，數(shù)值計算區(qū)域?yàn)槿紵髂Ｐ蛯ΨQ軸的一半，模型如圖1所示.

圖1 多孔介質(zhì)燃燒器模型

燃燒器總長度6.05 cm，上游段小孔區(qū)A(Al2O3,25.6 ppc(單位厘米孔數(shù)))長度為3.5 cm，下游段大孔區(qū)B(PSZ(氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯),3.9 ppc)[7]長度為2.55 cm，燃燒器內(nèi)徑為7 cm.

1.2 數(shù)學(xué)控制方程

為簡化計算工作量，做如下假設(shè).

1) 燃?xì)饣旌衔餅槔硐霘怏w且無輻射.

2) 多孔介質(zhì)材料常物性且無催化作用.

3) 忽略Dufour效應(yīng)、Soret效應(yīng)及體積力.

4) 燃燒器壁面絕熱.

5) 忽略浮升力效應(yīng).

基于以上假設(shè)，采用二維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，控制方程組如下.

1)連續(xù)性方程

(1)

2)動量方程

(2)

3)氣體能量方程

(3)

4)固體能量方程

(4)

5)組分輸運(yùn)方程

(5)

式中，ρg為氣體混合物密度，uj為氣流速度，p為壓力，μ為氣體混合物動力粘性系數(shù)，ε為多孔介質(zhì)空隙率，cg為氣體混合物平均比熱容，Tg為氣體熱力學(xué)溫度，Ts為固體溫度，λg為氣體導(dǎo)熱系數(shù)， cg,k為第k種組分的比熱容， Dk為第k種組分的擴(kuò)散系數(shù)，Yk為第k種組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，ωk為第k種組分生成率，hk為第k種組分生成焓，hV為體積對流換熱系數(shù)，ρs為固體密度，cs為固體比熱容，λs,eff為有效固體導(dǎo)熱系數(shù).Vk,j為第k種組分?jǐn)U散速度.

有效固體導(dǎo)熱系數(shù)λs,eff=λs+λR，其中λs為固體導(dǎo)熱系數(shù)，λR為當(dāng)量輻射導(dǎo)熱系數(shù).多孔介質(zhì)假定為連續(xù)性介質(zhì)且光學(xué)厚度為無窮大，當(dāng)量輻射導(dǎo)熱系數(shù)由擴(kuò)散逼近法確定[11,13]：

(6)

固相能量方程通過固氣相間的對流換熱進(jìn)行耦合求解.由于傳熱的復(fù)雜性換熱系數(shù)采用體積對流換熱系數(shù)，體積Nusselt數(shù)一般關(guān)系表達(dá)式如下[8]：

Nuv=CRem

(7)

式中，常數(shù)C在小孔區(qū)和大孔區(qū)分別為0.638、0.146，指數(shù)m在小孔區(qū)和大孔區(qū)分別為0.42、0.96.

為了使計算方程組封閉，氣相混合物密度需要計算，其表達(dá)式如下：

(8)

第k種組分的擴(kuò)散速度計算表達(dá)式如下：

(9)

式中，Dkm組分?jǐn)U散系數(shù)從CHEMKINII物性輸運(yùn)數(shù)據(jù)庫獲得[17].

1.3 燃燒模型和邊界條件

模擬計算燃燒模型分別使用單步燃燒模型和多步燃燒模型(17種組分，58個反應(yīng))[7].此研究采用二維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，初始條件預(yù)設(shè)多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)點(diǎn)火溫度為1 500K，氣體混合物入口邊界條件為

T0，in=298K,u=0.6m·s-1,v=0,Yk=Yk,in

出口邊界條件為

假設(shè)進(jìn)出口多孔介質(zhì)與環(huán)境間僅存在輻射換熱，其入口表達(dá)式為

出口為

2 計算方法

計算使用CFD軟件包FLUENT6.3，氣固兩相及燃燒器進(jìn)出口與環(huán)境間的換熱計算采用自定義函數(shù)UDF程序完成，氣體組分熱化學(xué)及輸運(yùn)特性由CHEMKIN II物性輸運(yùn)數(shù)據(jù)庫[14]和TRANFIT數(shù)據(jù)庫獲得[15].用SIMPLE算法對壓力速度場耦合計算，對流相離散采用一階迎風(fēng)差分格式，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式.

3 結(jié)果與討論

使用兩種燃燒模型分別在當(dāng)量比Φ=0.55～1.0范圍內(nèi)進(jìn)行二維數(shù)值計算，分析比較單步和多步化學(xué)反應(yīng)機(jī)理對溫度場、組分濃度分布引起的差異.另外，對多步反應(yīng)中CO排放濃度與當(dāng)量比變化規(guī)律進(jìn)行分析.

為了驗(yàn)證二維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的正確性，繪制出不同當(dāng)量比下單步和多步反應(yīng)燃燒器軸中心溫度及主要組分分布曲線，并進(jìn)行比較，如圖2所示.

由于燃燒器內(nèi)氣體和固體間的對流換熱系數(shù)較高，氣體和固體間溫差較小，因此，固體溫度曲線不作詳細(xì)分析.在預(yù)熱段固體間進(jìn)行導(dǎo)熱及輻射方式傳熱，其溫度稍高于氣體；而在反應(yīng)區(qū)，燃燒氣體放出化學(xué)反應(yīng)熱，溫度稍高于固體.圖2表明在預(yù)熱區(qū)單步反應(yīng)與多步反應(yīng)的溫度及主要組分分布曲線是基本重合的，而在反應(yīng)區(qū)段，單步反應(yīng)的溫度比多步反應(yīng)的溫度要高，溫度梯度大，而且單步反應(yīng)主要組分濃度也比多步反應(yīng)組分濃度要高.由于單步反應(yīng)無法選擇化學(xué)反應(yīng)路徑，反應(yīng)區(qū)域小，CO2生成速度要比多步反應(yīng)快.相比之下，多步反應(yīng)機(jī)理中CH4熱解成中間碳?xì)浠衔锝M分，從化學(xué)反應(yīng)時間尺度來分析，燃料氧化反應(yīng)生成CO和CO2速度比單步化學(xué)反應(yīng)機(jī)理慢.在反應(yīng)區(qū)CO出現(xiàn)峰值，隨后部分CO組分又被氧化成CO2，多步反應(yīng)釋放的化學(xué)反應(yīng)熱比單步反應(yīng)少，因此，多步反應(yīng)的出口溫度比單步反應(yīng)低.圖2還表明，隨當(dāng)量比Φ增加，以上對應(yīng)各相同量的差值加大，與文獻(xiàn)[7]具有相似的規(guī)律.

兩種反應(yīng)機(jī)理情況下多孔介質(zhì)燃燒器出口溫度隨當(dāng)量比Φ變化關(guān)系，如圖3所示，并與文獻(xiàn)[8]進(jìn)行比較.當(dāng)量比Φ增加，出口溫度近似地呈線性升高，與文獻(xiàn)[8]具有相同的規(guī)律.隨當(dāng)量比Φ增加，單步反應(yīng)與多步反應(yīng)出口溫度差值逐漸加大.在當(dāng)量比Φ=0.8時，多步化學(xué)反應(yīng)的出口溫度幾乎與文獻(xiàn)[8]的結(jié)果相等，證明此研究采用二維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的正確性.

圖2 不同當(dāng)量比單步和多步化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的溫度、組分濃度曲線比較

圖3 單步和多步化學(xué)反應(yīng)機(jī)理排放溫度比較

不同當(dāng)量比下二維CO濃度分布云圖，如圖4所示.從圖4中可以看出上下游多孔介質(zhì)交界面上CO有很大的變化梯度，出現(xiàn)峰值濃度；隨后，部分CO又被氧化成CO2，濃度降低.隨著當(dāng)量比Φ增加，CO的峰值濃度升高，排放濃度增加.燃燒器中心CO排放濃度隨當(dāng)量比Φ的變化關(guān)系曲線，如圖5所示.CO出口排放濃度隨當(dāng)量比Φ呈近似冪指數(shù)變化，并與文獻(xiàn)[12]結(jié)果進(jìn)行比較，表明二維非穩(wěn)態(tài)模型計算結(jié)果能夠與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，進(jìn)一步證實(shí)了研究數(shù)學(xué)模型及燃燒模型的正確性.

圖4 當(dāng)量比Φ=0.55和Φ=1.0的CO質(zhì)量濃度分布云圖

圖5 CO排放濃度計算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)比較

不同當(dāng)量比時，2種燃燒模型的二維溫度場比較，如圖6所示.由于單步化學(xué)反應(yīng)模型反應(yīng)迅速，反應(yīng)區(qū)域小，在較小空間區(qū)域內(nèi)，有較大的溫度梯度.而對于多步化學(xué)反應(yīng)模型，由于化學(xué)反應(yīng)路徑多，各反應(yīng)步驟存在反應(yīng)時間尺度上的差異及中間組分的不完全反應(yīng)，具有較大的反應(yīng)區(qū)域，溫度梯度較小，溫度場分布更均勻化一些，更接近實(shí)際情況.此外，燃燒器壁面處由于氣體粘滯力的影響，在邊界上存在流動邊界層，溫度分布符合邊界層規(guī)律.

圖6 不同當(dāng)量比單步反應(yīng)與多步反應(yīng)機(jī)理的溫度場比較

4 結(jié) 論

通過采用二維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型對單步燃燒模型和多步燃燒模型計算結(jié)果分別進(jìn)行計算分析比較，得到如下主要結(jié)論.

1)計算結(jié)果與文獻(xiàn)[7-8，12]數(shù)據(jù)相吻合，證實(shí)了此研究采用二維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型是正確的.

2)單步燃燒模型反應(yīng)迅速，反應(yīng)區(qū)域小，而多步燃燒模型各個反應(yīng)步聚存在反應(yīng)時間尺度的差異，整體反應(yīng)較平緩，反應(yīng)區(qū)域較大，接近于實(shí)際燃燒規(guī)律.

3)相對于單步燃燒模型，多步燃燒模型能夠預(yù)測污染物形成規(guī)律及排放濃度，CO排放濃度隨當(dāng)量比Φ呈冪指數(shù)增加.

[1] Jun-Rui Shi,Mao-Zhao Xie,Hong Liu,et al.Two-dimensional numerical study of combustion and heat transfer in porous media combustor-heater[J].Proceedings of the Combustion Institute,2011,33: 3309-3316.

[2] 劉慧，董帥，李本文，等.多孔介質(zhì)內(nèi)預(yù)混氣體燃燒穩(wěn)定操作范圍的研究[J].東北大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，31(6)：834-837.

[3] D Trimis,F Durst.Combustion in a porous medium-advances and applications[J].Combustion Science and Technology,1996,121:153-168.

[4] J R Howell,M J Hall,J L Ellzey.Combustion of hydrocarbon fuels within porous inert media[J].Progress Energy Combustion Science,1996,22:121-145.

[5] X Fu,R Viskanta,J P Gore.Measurement and correlation of volumetric heat transfer coefficients of cellular ceramics[J].Experimental Thermal and Fluid Science,1998,17:285.

[6] P F Hsu,W D Evans,J R Howell.Experimental and numerical study of premixed combustion within nonhomogeneous porous ceramics[J].Combustion Science and Technology,1993,90:149-172.

[7] P F Hsu,R D Matthews.The necessity of using detailed kinetics in models for premixed combustion within porous media[J].Combustion and Flame,1993,93:457-466.

[8] Amanda J Barra,Guillaume D,Janet L E,et al.Numerical study of the effects of material properties on flame stabilization in a porous burner[J].Combustion and Flame,2003,134:369-379.

[9] Amanda J B,Janet L.Heat recirculation and heat transfer in porous burners[J].Combustion and Flame,2004,137:230-241.

[10]G Brenner,K Picken,O Picken,et al.Numerical and experimental investigation of matrix-stabilized methane/air combustion in porous inert media[J].Combustion and Flame,2000,123: 201-213.

[11]Hui Liu,Shuai Dong,Benwen Li,et al.Parametric investigations of premixed methane-air combustion in two-section porous media by numerical simulation[J].Fuel,2010,89:1736-1742.

[12]X Y Zhou,J C F Pereira.Comparison of four combustion models for simulating the premixed combustion in inert porous media[J].Fire Mater,1998,22: 187-197.

[13]Maozhao Xie,Junrui Shi,Yangbo Deng,et al.Experimental and numerical investigation on performance of a porous medium burner with reciprocating flow[J].Fuel,2009,88:206-213.

[14]R J Kee,F M Rupley,J A Miller.The Chemkin thermodynamic data-base[R].Sandia National Laboratories Report,SAND-8215B,1992.

[15]R J Kee,G Dixon-Lewis,J Warnatz,et al.A fortran computer code package for the evaluation of gas phase multi-component transport properties[R].Report SAND86-8246,Sandia National Laboratories,1986.

EffectofCombustionModelonPremixedCombustionwithinPorousMedia

XIAYong-fang1,SHIJun-rui1,XUYou-ning1,LIBen-wen2,XUEZhi-jia1,GUCong-wei1

(1.KeyLaboratoryofCleanCombustionforElectricGenerationamp;HeatingTechnologyofLiaoning,ShenyangInstituteofEngineering,Shenyang110136,LiaoningProvince;2.SchoolofEnergyamp;PowerEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,LiaoningProvince)

The effect of combustion model on premixed combustion within porous media is investigated by using two-dimensional unsteady mathematical model.The combustion models include single-step and multi-step (17 species,58 reaction steps) reaction kinetics mechanisms and methane/air equivalence ratios (Φ) range from 0.55 to 1.0.The calculated data of temperature and species concentration profiles on the centerline of burner are analyzed and compared for different combustion models,The results indicate that the predictions of both temperature and species concentration are more accuratewhen using multi-step chemical reaction mechanism.And the data are also compared with the results from literatures,two-dimensional unsteady model is validated.Moreover,the comparisons made in two-dimensional temperature field show that,for single-step reaction,the temperature gradient is larger and reaction zone is smaller,while for multi-step reaction,the temperature gradient is smaller and reaction zone is larger due to the difference of time scale,and the temperature field for multi-step reaction is in good agreement with the actual situations.

combustion model;premixed combustion;porous media;two-dimensional numerical simulation

2014-03-10

遼寧省高校優(yōu)秀人才支持計劃(LJQ2011135)；沈陽工程學(xué)院創(chuàng)新團(tuán)隊科技項(xiàng)目(LGTD-1202)

夏永放(1979-)，男，安徽界首人，講師，博士，主要從事多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)、換熱設(shè)備強(qiáng)化換熱方面的研究.

TK16

A

1673-1603(2014)02-0118-05

(責(zé)任編輯張凱校對佟金鍇)