俞森彬，劉?瀟, 2，周?波

摻氫比對(duì)高數(shù)射流預(yù)混湍流火焰的影響

俞森彬1，劉?瀟1, 2，周?波3

(1. 隆德大學(xué)能源科學(xué)系，隆德 22100，瑞典；2. 哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院，哈爾濱 150001；3.南方科技大學(xué)力學(xué)與航空航天工程系，深圳 518055)

在同步多物種平面激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用大渦模擬(LES)湍流模型耦合輸運(yùn)概率密度函數(shù)(TPDF)燃燒模型，以及44組分及268步CH4化學(xué)反應(yīng)機(jī)理模擬了CH4/H2/空氣混合氣的不同摻氫比(0，20%，50%)時(shí)對(duì)高數(shù)下預(yù)混湍流射流火焰的影響．結(jié)果表明，LES耦合TPDF模型可以較為準(zhǔn)確地捕捉火焰高度，模擬該類火焰的速度分布、反應(yīng)鋒面CH的分布以及火焰褶皺及局部熄火等現(xiàn)象．隨著摻氫比的升高，火焰高度降低，火焰根部的局部熄火得到顯著改善．相比于摻氫，在未摻氫時(shí)，由于其更小的臨界拉伸率及更少的H2與伴生火焰帶來(lái)的自由基反應(yīng)的機(jī)會(huì)，使得火焰根部出現(xiàn)局部熄火更為頻繁．同時(shí)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，火焰根部的燃燒模式與主燃燒區(qū)域存在很大區(qū)別，火焰根部的擴(kuò)散作用更為顯著．

分布反應(yīng)區(qū)；局部熄火；燃燒模式；大渦模擬-TPDF燃燒模型；摻氫

近年來(lái)，為了更深入地研究預(yù)混湍流火焰在分布反應(yīng)區(qū)內(nèi)的表現(xiàn)，Michigan大學(xué)[5-6]，Lund大學(xué)等[7]機(jī)構(gòu)依靠激光測(cè)量平臺(tái)相繼開展了細(xì)致的實(shí)驗(yàn)研究．Wabel等[8]發(fā)現(xiàn)在數(shù)略超過(guò)100的情況下，火焰仍保持著預(yù)熱層被增厚，而反應(yīng)區(qū)仍保持很薄的狀態(tài)，與薄反應(yīng)區(qū)內(nèi)的火焰形態(tài)極為相似．Zhou等[9]則發(fā)現(xiàn)，在分布反應(yīng)區(qū)內(nèi)，CH燃料中與釋熱率有直接聯(lián)系的CH及HCO層有一定程度的增厚．

摻氫作為一種降低排放的有效手段，近年來(lái)也受到極大重視[10]．在高數(shù)下的分布反應(yīng)區(qū)中，由于湍流渦尺度與反應(yīng)區(qū)厚度一個(gè)量級(jí)，H2的高擴(kuò)散性將會(huì)在火焰的發(fā)展中起到很大作用，因此對(duì)其的研究顯得尤為重要．為此，Lund大學(xué)也開展了一系列的研究．

以上的精細(xì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為進(jìn)一步發(fā)展及驗(yàn)證湍流燃燒模型在分布反應(yīng)區(qū)的表現(xiàn)，具有重大的意義．相比于RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)較低的準(zhǔn)確度和直接數(shù)值模擬DNS(direct numerical simulation)的昂貴計(jì)算成本，大渦模擬LES(large eddy simulation)是一種性價(jià)比很高的模擬方法，其可以在接受范圍內(nèi)的計(jì)算成本捕捉到較為細(xì)致的湍流流場(chǎng)中渦團(tuán)的運(yùn)動(dòng)特征[11]．另一方面，湍流燃燒模型的難點(diǎn)在于如何封閉化學(xué)反應(yīng)源項(xiàng)時(shí)將湍流和燃燒之間的相互作用考慮在內(nèi)．因?yàn)楦邤?shù)下相互作用很強(qiáng)，需要合適的模型對(duì)其進(jìn)行求解．湍流輸運(yùn)概率密度函數(shù)(TPDF)模型[12]方法不再對(duì)湍流與火焰之間的相互作用進(jìn)行假設(shè)，因此其可通用在各種類型的燃燒中，包括高數(shù)下的湍流預(yù)混火焰，并且適合處理帶有自點(diǎn)火[13]、局部熄火及再燃等[14]湍流火焰強(qiáng)烈的相互作用的燃燒問(wèn)題．本文將采用44物種、268步CH4機(jī)理，利用LES耦合輸運(yùn)PDF燃燒模型對(duì)Lund大學(xué)的LUPJ系列摻氫火焰進(jìn)行了數(shù)值模擬，驗(yàn)證LES/PDF模型在捕捉高數(shù)分布反應(yīng)區(qū)內(nèi)火焰的效果，同時(shí)分析摻氫比(分別為0，20%，50%)對(duì)火焰形態(tài)及燃燒模式的影響．

1?數(shù)值方法

1.1?LES湍流模型

LES中大尺度流動(dòng)通過(guò)直接計(jì)算，而小尺度流動(dòng)通過(guò)模型來(lái)封閉．經(jīng)過(guò)盒式濾波函數(shù)濾波后的質(zhì)量方程、動(dòng)量方程表示為

其中的二階矩項(xiàng)則通過(guò)模型來(lái)封閉，其中右邊最后一項(xiàng)即SGS應(yīng)力項(xiàng)用渦黏假設(shè)，即

1.2?PDF燃燒模型

2?實(shí)驗(yàn)及邊界條件

圖1?實(shí)驗(yàn)裝置示意及計(jì)算域網(wǎng)格劃分

計(jì)算區(qū)域?yàn)榘紵骷安糠滞獠凯h(huán)境的倒圓臺(tái)，如圖1(b)所示．底面直徑為70，高度70，頂部直徑為105，中央長(zhǎng)直管為20．速度入口采用“MAP”的方式從長(zhǎng)直管下游距出口5mm處截面獲得速度場(chǎng)值一直輸入到速度入口處，相當(dāng)于是在無(wú)限長(zhǎng)的直管內(nèi)流動(dòng)，以此產(chǎn)生充分發(fā)展湍流．燃燒室底部最小網(wǎng)格尺度為0.03mm，沿軸向及徑向增大，網(wǎng)格總數(shù)約500萬(wàn)．入口邊界條件設(shè)置為質(zhì)量流量入口，溫度為室溫298K；出口及外側(cè)自由邊界條件設(shè)置為常溫常壓環(huán)境；壁面設(shè)置為無(wú)滑移．采用開源軟件OpenFOAM編寫代碼求解上述方程，時(shí)間離散采用backward二階方法，空間離散采用高斯線性二階方法求解，壓力速度耦合采用PISO方法求解．

3?計(jì)算結(jié)果與討論

圖3為不同摻氫比下幾種中間基(H2、CH、OH)及熱釋放率(HRR)的瞬時(shí)結(jié)構(gòu)圖．可以看出，反應(yīng)前置物H2分布在靠近未燃混氣的一側(cè)，而OH則靠近已燃物的一側(cè)，同時(shí)CH和HRR在當(dāng)前高數(shù)下的分布位置幾乎一致，保持較薄的狀態(tài)，可作為釋熱區(qū)的標(biāo)志物．并且PDF燃燒模型可以很好地捕捉到火焰褶皺結(jié)構(gòu)以及局部火焰孤島現(xiàn)象．隨著摻氫比的增大，H2在上游的分布更加集中，而H2與O反應(yīng)生成的OH也自然更靠近上游，同時(shí)介于H2與OH之間的CH反應(yīng)層也更靠近上游，表明H2作為重要的反應(yīng)中間基，也可有效促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，使得火焰高度變短，根據(jù)質(zhì)量流量守恒，其對(duì)應(yīng)的湍流火焰速度也更高，能與更高的來(lái)流速度在上游達(dá)成平衡．值得注意的是，在低摻氫比下的射流火焰根部，CH及OH的分布均較小，釋熱率也不明顯，表明火焰在高速下有出現(xiàn)局部熄火的可能，而PDF模型正好可以捕捉到這一現(xiàn)象．隨著摻氫比的升高，火焰根部的局部熄火現(xiàn)象得到明顯改善，射流火焰變得更為連續(xù)．未燃混合氣在出口處，由于伴生火焰擴(kuò)散而來(lái)的熱量及自由基能夠加速化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，而H2具有很高的擴(kuò)散性，很快就在伴生火焰帶來(lái)的熱量下轉(zhuǎn)化成自由基，從而促進(jìn)火焰在根部的持續(xù)穩(wěn)定燃燒．由此可以推測(cè)，方程中的擴(kuò)散項(xiàng)在火焰根部占據(jù)比較重要的地位．

圖3 瞬時(shí)中間產(chǎn)物H2、CH、OH及熱釋放率HRR分布

圖4?平均軸向速度及脈動(dòng)速度沿軸向的分布

圖5給出了實(shí)驗(yàn)和LES得到的平均及脈動(dòng)的歸一化CH體積分?jǐn)?shù)在不同高度沿徑向的分布對(duì)比．從圖中可以看出，由于CH信號(hào)在火焰反應(yīng)區(qū)外信號(hào)較弱，因此其實(shí)驗(yàn)值存在一些噪點(diǎn)．模擬和實(shí)驗(yàn)值對(duì)于平均和脈動(dòng)的歸一化CH體積分?jǐn)?shù)在上游/＝5、下游＝25這兩個(gè)高度上均吻合得很好，雖然對(duì)于火焰中部＝15會(huì)略為過(guò)度預(yù)測(cè)其寬度(更寬)，這可能是由于LES模擬中湍流的大渦耗散更快，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)更向外擴(kuò)張，但其整體的趨勢(shì)吻合得很好．總體來(lái)看，此模型可以很好地捕捉以CH為代表的火焰反應(yīng)區(qū)鋒面．

圖6顯示了H2在兩個(gè)高度下隨進(jìn)展變量變化的分布．進(jìn)展變量根據(jù)溫度定義為(－u)/(b－u)，u為外界環(huán)境溫度298K，三者的絕熱溫度b在此很接近，均在1660K附近，在此取層流火焰的1660K作為b．在摻氫比為0時(shí)，＝15下，H2隨著進(jìn)展變量增大先增大后減小，這是由于在＜0.64時(shí)，H2作為中間物種被生成，之后則開始被消耗生成其他自由基．而在＝30時(shí)，H2則一直被消耗而減少，直至＞0.75被消耗完全．在摻氫比為20%及50%下，兩者則表現(xiàn)出類似的規(guī)律．在/為15和30時(shí)，由于出口處的H2含量較高，H2一致被消耗，但在＜0.64前，H2含量減小的斜率較低，這是由于生成CH4一部分中間反應(yīng)會(huì)生成H2，使得H2消耗率相較于＞0.64時(shí)較低，隨后H2一直到～0.75附近被消耗完全．值得注意的是，不論摻氫與否，H2最終被消耗完全所對(duì)應(yīng)的進(jìn)展變量非常接近，這也表示溫度達(dá)到一定高度，H2即被完全消耗．

圖7為3種摻氫比下OH在進(jìn)展變量空間下的分布．類似的是，在火焰中部位置＝15，OH開始隨著溫度的上升而有一個(gè)顯著的上升，且最高點(diǎn)均在～0.7附近，隨后OH則被快速消耗，高溫化學(xué)反應(yīng)起更大作用．但隨著摻氫比的上升，OH開始出現(xiàn)的位置不斷前移，即可在較低的溫度下形成OH．這是由于伴生火焰攜帶的熱量及殘余O自由基與摻氫工況下的大量H2發(fā)生一系列低溫化學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)了OH的提早出現(xiàn)．這也表明在射流火焰底部，伴生火焰中的自由基擴(kuò)散及熱量傳輸對(duì)穩(wěn)定火焰起到很大幫助．而在更下游位置的＝30，高OH含量全部集中在高進(jìn)展變量下，且在很窄的范圍內(nèi)，被高溫化學(xué)反應(yīng)快速消耗．

圖6?3種摻氫比下H2在不同高度下隨著進(jìn)展變量的變化

圖7?3種摻氫比下OH在不同高度隨著進(jìn)展變量的變化

為了說(shuō)明火焰根部和火焰下游的燃燒模式存在區(qū)別，圖8和圖9分別給出了為5及30，3種摻氫比擴(kuò)散項(xiàng)與反應(yīng)項(xiàng)的散點(diǎn)分布圖．可以看出，在摻氫比為0時(shí)，H2量較小(小于1kg/(m3·s)，但其擴(kuò)散項(xiàng)大于反應(yīng)項(xiàng)，表明此時(shí)的H2主要是來(lái)自于伴生火焰帶來(lái)的自由基．隨著摻氫比的逐漸上升，H2量明顯上升，且其擴(kuò)散項(xiàng)逐步和反應(yīng)項(xiàng)處于1個(gè)數(shù)量級(jí)，并在摻氫比50%時(shí)超過(guò)反應(yīng)項(xiàng)，說(shuō)明了燃料中的H2在火焰根部的反應(yīng)中逐步占據(jù)主導(dǎo)地位，進(jìn)而影響火焰形態(tài)．而CH則在此處一直由反應(yīng)項(xiàng)占據(jù)主導(dǎo)地位，主要由化學(xué)反應(yīng)生成而非擴(kuò)散．不同的是，CO2作為主要產(chǎn)物一直由擴(kuò)散項(xiàng)占據(jù)主導(dǎo)地位，這是由于火焰根部的伴生火焰接近完全燃燒，大量的產(chǎn)物向射流火焰擴(kuò)散，而射流火焰此時(shí)剛開始燃燒，尚未能生成大量產(chǎn)物．表明火焰根部剛進(jìn)入燃燒狀態(tài)，并受伴生火焰影響較大．

圖9則說(shuō)明了在射流火焰的下游，化學(xué)反應(yīng)項(xiàng)占據(jù)主導(dǎo)地位(反應(yīng)項(xiàng)為擴(kuò)散項(xiàng)的數(shù)倍)，包括H2、CH及CO2．尤其是CO2項(xiàng)的分析，表明產(chǎn)物正在此處大量生成．

以上已經(jīng)說(shuō)明了火焰根部及火焰燃燒主區(qū)域燃燒模式上存在本質(zhì)上的區(qū)別，下面將進(jìn)一步給出低摻氫比下火焰根部會(huì)出現(xiàn)當(dāng)?shù)叵ɑ鸬牧硪粋€(gè)原因，即高的拉伸率會(huì)引起火焰熄滅．圖10為未摻氫時(shí)火焰根部位置/＝5處的OH體積分?jǐn)?shù)及溫度隨著拉伸率的變化．從圖中可以看出，隨著拉伸率的上升，OH體積分?jǐn)?shù)及溫度會(huì)有顯著的下降，表明在拉伸率超過(guò)一定臨界值后，火焰即有淬熄的可能．而摻氫之后，由于H2的高擴(kuò)散性使得其臨界拉伸率增大，在本文中三者近似的流動(dòng)環(huán)境下，摻氫后的火焰更難熄火．

圖8?x/d＝5時(shí)3種摻氫比下的輸送項(xiàng)分析

圖9?x/d＝30時(shí)3種摻氫比下的輸運(yùn)項(xiàng)分析

圖10?火焰根部的溫度及OH體積分?jǐn)?shù)隨著拉伸率的變化

4?結(jié)?論

(1) LES/PDF模型可以較為準(zhǔn)確地捕捉火焰高度、火焰結(jié)構(gòu)甚至局部熄火現(xiàn)象．而隨著摻氫比的升高(0、20%和50%)，火焰高度降低，火焰根部的局部熄火明顯改善．

(2) 相比于摻氫，在未摻氫時(shí)，由于其更小的臨界拉伸率及更少的H2與伴生火焰帶來(lái)的自由基反應(yīng)的機(jī)會(huì)，使得火焰根部出現(xiàn)局部熄火更為頻繁．

(3) 同時(shí)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)散和反應(yīng)率在火焰根部及下游區(qū)域存在顯著差別，擴(kuò)散在根部(＝5)作用很大(擴(kuò)散項(xiàng)與反應(yīng)項(xiàng)大小接近)，而在下游(＝30)反應(yīng)項(xiàng)則起主導(dǎo)作用(反應(yīng)項(xiàng)遠(yuǎn)大于擴(kuò)散項(xiàng))，由此也使得不同位置處的火焰燃燒模式存在很大區(qū)別.

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Effects of Hydrogen Blending Ratio on Turbulent Premixed Pilot Jet Flame at High Karlovitz Number

Yu Senbin1，Liu Xiao1, 2，Zhou Bo3

(1. Department Energy Sciences，Lund University，Lund 22100，Sweden； 2. College of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；3. Department of Mechanics and Aerospace Engineering，Southern University of Science and Technology，Shenzhen 518055，China)

The effects of hydrogen blending ratio(0，20%，50%) on the turbulent premixed pilot jet flame at a high Karlovitz number were studied using the large eddy simulation(LES) coupled transport probability density function (TPDF) method with the 44-species and 268-reactions chemical mechanism. The results show that the LES/TPDF model can capture flame height，flame velocity distributions CH distributions，flame wrinkling and local quenching. With the increase of hydrogen blending ratio，the flame height decreases and the flame continues at the flame root. Compared with hydrogen blending，local quenching occurs more frequently in the case in which no hydrogen is blended due to the smaller critical strain rate and less chance of hydrogen reacting with radicals from pilot flame. Furthermore，the diffusion at the flame root is far more obvious than that downstream the flame，indicating that the flame modes at different locations could be totally different.

distributed reaction zone；local quenching；combustion mode；LES-TPDF combustion model；hydrogen blending

TK11

A

1006-8740(2021)01-0052-08

10.11715/rskxjs.R201911001

2020-01-28．

國(guó)家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2017-Ⅲ-0006-0031)；黑龍江省博士后基金資助項(xiàng)目(LBH-Z18049).

俞森彬（1990—??），男，博士研究生，senbinyu@163.com．

劉?瀟，男，博士，副教授，liuxiao_heu@163.com.