圆喷射燃烧器中的合成气燃烧

Bridget Cunningham 2015年 4月 2日

本篇博客中,我们将使用反应流接口和固体传热接口分析圆喷射燃烧器中合成气的燃烧,并对比从基准模型中获取的结果与实验结果。

什么是合成气?

合成气主要由氢气、一氧化碳和二氧化碳构成,我们可以根据它的名称判断这种可燃气体混合物的用途,它是合成天然气生产过程的中间物。不过,合成气也可以用于制造其他产品,比如甲醇、氨水、甚至氢。气化工艺促成了这一想法的实现。

在气化中,固体原料转化为气体,随后可以用于其他各种应用。还可以对合成气进行液化处理,比如通过压缩。气化支持多种原料类型,从煤到生物质,这一灵活性也使它极受重视。此外,这种方法还简化了对反应副产品的捕获步骤,例如硫磺或二氧化碳。

这里,我们模拟了圆喷射燃烧器中合成气的燃烧,并将仿真结果与实验数据进行了对比。

圆喷射燃烧器中合成气的湍流燃烧

圆喷射燃烧器中的合成气燃烧模型中,燃烧器由一个直管构成,外侧是流速较慢的空气协流。将由一氧化碳、氢及氮混合组成的气体通入管道中,入口速度设为 76 m/s (Ma ≈ 0.25)。同时,管道外空气的协流速度是 0.7 m/s。

燃气气体会在离开管道后与协流混合,形成一个无约束的圆形截面喷射。湍流喷射保证了两种气体的充分混合,以及在离开管道时能够保持燃烧。这是一种非预混燃烧形式,燃料与氧化剂分别独立进入反应区。

圆喷射燃烧器示意图。
圆喷射燃烧器示意图。

在本示例中,我们求解了六种化学物质的质量分数,反应中用到的五种以及协流中初始包含的氮,希望能模拟反应喷射中的传质。在本示例中,喷射的雷诺数为 16700,即喷射为全湍流状态。因此,我们可以假定湍流流动对喷射的混合和反应过程有重要影响。

使用 k\epsilon 湍流模型分析流场内的湍流。我们使用涡流耗散模型模拟了湍流反应,这是模拟此类反应的一种简单有效方式。由于反应中存在放热,喷射燃烧器内出现了明显的升温,这也是燃烧最典型的一个特征。为了精确预测温度与合成物,我们认为材料属性受温度影响并考虑了流体的物理属性。

合成气的燃烧模型涉及高度耦合,结合了湍流与传热和传质。圆喷射燃烧器中的合成气燃烧模型完整介绍了这类非线性模型的全部求解步骤。

仿真结果

下图绘制了反应喷射燃烧器内的速度场,表示自由热喷射的膨胀与产生。在喷射的外侧,湍流混合加快了协流中流体的速度,并将其与喷射相混合,这一过程称为夹带。协流流线清晰显示了流体的过渡,它从管道开口处喷射的下游方向开始向内弯折。

绘图显示了反应喷射燃烧器中的速度线。
速度流的大小和流场。

接下来,我们分析喷射的温度,使用旋转数据集来显示全三维模型。燃烧区内的最高温度约为 1960 K。

模型,突出了喷射内的温度。
喷射的温度。

下图显示了反应喷射燃烧器内二氧化碳的质量分数。在喷射的外剪切层中产生了 CO2,即管道的出口处。燃料与协流中的氧气同样在外剪切层中发生反应,湍流混合加速了反应。与 CO2 的产生类似,上图绘制的温度上升同样发生在管道出口处。这说明管道上并没有发射或粘附火焰。

二氧化碳质量分数的绘图。
二氧化碳的质量分数。

仿真结果与实验数据

现在让我们转移焦点,对比仿真结果与实验数据。分析将从喷射中心线处的温度曲线开始,如下方左图所示。在本图及之后的图像中,线代表模型结果,符号标记表示实验值。中心线绘图显示,模型预测的最高温度接近实验结果数据。

您可能在模型结果中发现,温度曲线略向下偏移。这一偏差可能是模型中没有考虑辐射影响。右图沿一条水平线对比了管道出口下游方向两个不同位置处(管径分别为 20 和 50)的温度。同样,仿真与实验中得到的值较为一致。

图片对比了模型结果与实验数据中喷射燃烧器的温度。
左:沿中心线对比喷射温度。右:管道出口下游管径分别为 20 和 50 处的喷射温度。

对比喷射的轴线速度与实验数据,我们可以观察到这两个位置处 (管径分别为 20 和 50)的结果高度一致。下图较好地展示了这一点:

轴向速度对比图。
与之前绘图中相同下游位置处的轴向速度。

最后,我们沿喷射中心线计算了物质浓度。物质 N2 和 CO 的轴向质量分数变化与实验数据高度一致。H2O 与 H2 的数据也与实验值契合,但 H2O 的数据略有偏移。物质 CO2 与 O2 的变化趋势与实验结果类似,但和温度曲线类似,曲线也有轻微下移。这一偏差是因为模型中没有加入辐射。即便如此,简化的反应方案和涡流耗散模型也可能影响精度。

N2 and CO 沿喷射中心线的浓度。
H2O 和 H2 的浓度。
图片显示了 CO2 及 O2 的浓度。
沿喷射中心线的物质质量分数对比。

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