结合扩展小火焰模型的甲烷及合成气射流火焰的大涡模拟与化学反应机理简化

【摘要】：随着近年来经济的飞速发展,我国对能源的需求急剧增加。煤炭是我国能源结构中比重最大的部分,其燃烧利用为我国快速发展作出了巨大贡献,但同时也造成了严重的环境问题。采用煤基多联产对煤炭资源进行分级利用是解决上述问题的良策,产出的合成气进行燃烧发电更加清洁高效,并且结合富氧燃烧技术可实现碳捕集,从而缓解温室效应。采用大涡模拟对湍流燃烧过程进行研究已得到广泛认可与应用,本文从控制方程组出发,引入低马赫数假设,并结合动态亚网格模型与带反应进程描述的小火焰模型,构建了适用于湍流燃烧过程模拟计算的大涡模拟程序。对发展的大涡模拟程序进行了详细的验证,其中包括无模型的人工数值解验证、冷态丙烷大空间射流验证与非预混甲烷自由射流火焰验证。通过与实验数据的详细对比,说明大涡模拟比雷诺平均模拟更为准确,本文所发展的大涡模拟程序能够对湍流燃烧过程进行良好的描述。分析了湍流与燃烧的相互作用,结果表明湍流流动能够通过增加燃料与氧化剂的接触面积达到强化燃烧的目的,燃烧对于湍流的强化作用带有一定的滞后性。此外,与Ansys Fluent中的LES模块相比,本文的大涡模拟程序能够在冷态射流工况下节省35%的计算时间,在射流火焰工况下节省55%的计算时间,并且有着更好的鲁棒性。采用大涡模拟程序针对典型稀释合成气的燃烧过程进行了数值研究,并着重研究了中心射流管壁厚度对于火焰根部燃烧稳定性的影响。研究结果表明,管壁厚度通过改变火焰根部附近轴向速度的空间分布影响火焰根部的稳定性,适当增加管壁厚度能够在不改变火焰结构的情况下增强火焰根部稳定性。综合考虑流动条件、燃料理化特性,提出无量纲数对火焰根部稳定性进行判定,并对该判定方法进行了验证,结果表明本文所提出的判定方法能够对火焰根部稳定行进行判定。采用大涡模拟程序对高压燃烧室内的甲烷燃烧过程进行了大涡模拟,研究了压力对于燃烧过程的影响,同时研究了不同氧浓度的富氧工况对于燃烧过程的影响,采用不同的富氧改造方案对燃烧室进行改造,分析了各改造方案的优劣,而后研究了伴流温度对于燃烧过程的影响。结果表明压力对于燃烧过程的影响不大,02/CO2=30/70时富氧火焰与空气火焰的分布最为接近,进行富氧改造时必须着重考虑伴流对于燃烧室内壁的保护作用,伴流温度对反应强度有较大影响,但对于有限空间内的燃烧过程而言,影响的最大因素为全局当量比系数。随着研究者对于燃烧过程认识的加深,详细机理的规模越来越庞大。本文结合带误差传递的直接关系图法、敏感性分析、准稳态分析,详细给出了反应机理简化方法,并利用添加臭氧的甲烷燃烧反应机理进行了实例示范,最终构建了22种物质、18步总包反应机理。通过与原详细机理的预测对比,证明了简化方法的可行性。对比了原详细反应机理、框架机理与总包机理的计算消耗,结果表明总包反应能够节约72%左右的计算时间。 【关键词】：低马赫数 大涡模拟 合成气 甲烷富氧燃烧 机理简化
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK16
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-20
• 1 绪论20-36
• 1.1 引言20-21
• 1.2 煤炭资源的高效清洁化利用21-25
• 1.3 湍流流动及燃烧过程的大涡模拟25-34
• 1.4 本文主要研究内容34-36
• 2 控制方程组、模型与数值方法36-68
• 2.1 控制方程组36-41
• 2.1.1 原始控制方程组36-38
• 2.1.2 简化假设38-40
• 2.1.3 本文所采用的控制方程组40-41
• 2.2 湍流与化学反应模型41-55
• 2.2.1 大涡滤波后的控制方程组41-42
• 2.2.2 亚网格模型42-47
• 2.2.3 化学反应模型47-55
• 2.3 数值方法55-65
• 2.3.1 时空交错网格55-57
• 2.3.2 半隐式迭代方法57-59
• 2.3.3 标量方程的离散59-62
• 2.3.4 边界条件62-65
• 2.4 程序结构与软硬件环境65-68
• 2.4.1 程序流程65-67
• 2.4.2 软硬件环境67-68
• 3 低马赫数不可压变密度大涡模拟数值方法及模型的验证68-117
• 3.1 人工数值解验证68-76
• 3.1.1 人工数值解简介68-69
• 3.1.2 人工数值解方法69-71
• 3.1.3 验证结果与讨论71-75
• 3.1.4 小结75-76
• 3.2 丙烷大空间自由射流的大涡模拟76-89
• 3.2.1 计算工况介绍76-77
• 3.2.2 计算工况设置77-78
• 3.2.3 计算结果与讨论78-89
• 3.2.4 小结89
• 3.3 非预混甲烷自由射流火焰的大涡模拟89-115
• 3.3.1 计算工况介绍89-90
• 3.3.2 计算工况设置90-92
• 3.3.3 计算结果与讨论92-115
• 3.3.4 小结115
• 3.4 计算性能评估115-116
• 3.5 本章小结116-117
• 4 非预混稀释合成气直流射流火焰的大涡模拟117-138
• 4.1 计算工况介绍117-118
• 4.2 计算工况设置118-119
• 4.3 化学反应机理119-121
• 4.4 计算结果与讨论121-137
• 4.4.1 非预混稀释合成气的火焰形态121-126
• 4.4.2 管壁厚度的影响126-135
• 4.4.3 非预混自由空间射流火焰根部稳定性分析135-137
• 4.5 本章小结137-138
• 5 非预混有限空间甲烷火焰的大涡模拟138-162
• 5.1 计算工况介绍138-139
• 5.2 计算工况设置139-141
• 5.3 计算结果与讨论141-160
• 5.3.1 高压下甲烷火焰的特性141-145
• 5.3.2 压力对于燃烧过程的影响145-148
• 5.3.3 富氧工况下不同氧气浓度的选择148-150
• 5.3.4 燃烧器的富氧工况改造150-155
• 5.3.5 伴流温度对于燃烧过程的影响155-160
• 5.4 本章小结160-162
• 6 化学反应机理简化162-190
• 6.1 化学反应机理简化的意义162-163
• 6.2 化学反应机理简化的方法与步骤163-170
• 6.2.1 化学反应机理的类型163-164
• 6.2.2 化学反应机理简化方法概述164-166
• 6.2.3 本文所采用的方法及步骤166-170
• 6.3 机理简化过程中所用到的软件工具170-171
• 6.4 机理简化实例分析——添加臭氧的甲烷燃烧机理171-188
• 6.4.1 初步搭建框架机理——DRGEP方法172-175
• 6.4.2 进一步简化框架机理——SA方法175-181
• 6.4.3 构建总包反应——QSSA方法181-188
• 6.5 本章小结188-190
• 7 全文总结与展望190-194
• 7.1 本文主要结论190-192
• 7.2 本文的创新之处192-193
• 7.3 对今后工作的展望193-194
• 参考文献194-209
• 作者简历209

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