CH4在O2/CO2气氛下预混火焰特性的数值模拟

摘要

CO2等温室气体的过量排放导致的全球气候变暖问题已经引起了全世界各国的关注。O2/CO2燃烧技术又称燃烧中捕集技术，被认为是一种极具前景的控制温室气体排放的有效办法。由于纯氧代替空气作为燃料燃烧的助燃剂，烟气中CO2含量大幅度提升。CO2对于火焰的影响概括为三方面:火焰的热力学性质发生改变;气体辐射换热能力增强;CO2直接参与化学反应对火焰的影响。本文考虑了以上三方面影响，对CH4在O2/CO2气氛下燃烧的层流、湍流火焰性质进行了数值研究。 层流计算方面，利用耦合了New WSGG辐射模型的PREMIX计算程序，采用GRI3.0详细化学反应机理，对CH4/CO2/O2混合气层流预混火焰进行数值模拟。研究发现，气体辐射换热降低了层流火焰传播速度、层流火焰的平衡温度和重要中间产物的平衡浓度。CO2浓度越高，下降幅度越大。当CO2替换为FCO2后，层流火焰传播速度、中间产物平衡浓度大幅度提升;火焰的平衡温度升高。CO2直接参与化学反应对层流火焰特性的影响大于辐射换热对火焰特性的影响。化学当量比相同时，随着氧浓度的增大，层流火焰传播速度、层流火焰的平衡温度和重要中间产物的平衡浓度增大。氧浓度相同时，随着当量比的增大，层流火焰传播速度、层流火焰的平衡温度和O、OH基的平衡浓度先增大后减小，当量比等于1时最大，大于1时次之，小于1时最小;H基略有不同，在当量比大于1时最大，等于1时次之，小于1时最小。随着未燃气初始温度的升高，层流火焰传播速度、层流火焰的平衡温度和重要中间产物的平衡浓度增大。随着压力的升高，层流火焰传播速度下降，层流火焰平衡温度略有上升，重要中间产物的平衡浓度下降。 湍流计算方面，利用Zimont燃烧模型对湍流火焰进行数值模拟。使用UDF加入了New WSGG辐射模型，考虑了气体的辐射换热。研究发现，气体辐射换热对湍动能、轴向速度分布、燃烧产物的浓度分布影响不大;湍流火焰温度略有下降。随着氧浓度的升高，湍动能的峰值位置逐渐向远离对称轴方向移动（r/d增大的方向）;火焰面向对称轴方向移动（r/d减小的方向）;轴向速度、火焰温度梯度增大;火焰厚度变薄，燃烧反应更剧烈;CH4、CO2的质量分数梯度增大。氧浓度相同时，湍动能的峰值位置在当量比为1时离对称轴最远、火焰面位置离对称轴最近，随着燃烧工况向贫燃(当量比小于1)或富燃（当量比大于1）变化，湍动能峰值位置向对称轴靠近、火焰面向远离对称轴方向移动;火焰厚度在当量比等于1时最薄，燃烧反应最剧烈;随着当量比的增大，湍流火焰燃烧温度、轴向速度先增大后减小，当量比等于1时最大，大于1时次之，小于1时最小。

目录

声明

摘要

1．1研究背景

1．2碳捕集技术及应用现状

1．2．1碳捕集技术

1．2．2应用现状及展望

1．3气体燃料在O2／CO2气氛中燃烧的研究进展

1．3．1实验研究

1．3．2数值模拟

1．4湍流预混火焰的基本概念和湍流燃烧模型

1．4．1湍流预混火焰

1．4．2湍流燃烧模型

1．5本文的主要研究内容

第2章New WSGG辐射模型的建立及其在层流、湍流火焰计算中的应用

2．1气体辐射特性

2．2气体辐射特性计算模型

2．2．1逐线计算模型

2．2．2谱带模型

2．2．3总体模型

2．3辐射模型的比较与选取

2．4辐射模型的建立及计算

2．4．1 New WSGG模型

2．4．2 New WSGG模型在chemkin中的应用

2．4．3 New WSGG模型在fluent中的应用

第3章CH4在O2／CO2气氛下燃烧层流预混火焰研究

3．1 PREMIX模型计算原理

3．1．1物理模型

3．1．1数学模型

3．1．2边界条件

3．2 PREMIX程序及辐射模型的验证

3．3气体辐射换热对层流火焰特性的影响

3．3．1气体辐射换热对层流火焰传播速度的影响

3．3．2气体辐射换热对火焰温度分布的影响

3．3．3气体辐射换热对重要中间产物浓度分布的影响

3．4．1 CO2直接参与化学反应对层流火焰传播速度的影响

3．4．3 CO2直接参与化学反应对重要中间产物浓度分布的影响

3．5氧浓度、当量比对层流火焰特性的影响

3．5．1氧浓度、当量比对层流火焰传播速度的影响

3．5．2氧浓度、当量比对火焰温度分布的影响

3．5．2氧浓度、当量比对重要中间产物浓度分布的影响

3．6压力、温度对层流火焰特性的影响

3．6．1压力、温度对层流火焰传播速度的影响

3．6．2压力、温度对火焰温度分布的影响

3．6．3压力、温度对重要中间产物浓度分布的影响

第4章CH4在O2／CO2气氛下燃烧湍流预混火焰研究

4．1预混燃烧模型的建立

4．1．1燃烧模型(Zimont模型)

4．1．2计算算例介绍

4．1．3计算模型

4．2预混燃烧模型的验证

4．2．1冷态计算的验证

4．2．2热态计算的验证及误差分析

4．3湍动能研究

4．3．1气体辐射换热对湍动能的影响

4．3．2氧浓度对湍动能的影响

4．3．3当量比对湍动能的影响

4．4温度分布研究

4．4．1气体辐射换热对温度分布的影响

4．4．2氧浓度对温度分布的影响

4．4．3当量比对温度分布的影响

4．5轴向速度分布研究

4．5．1气体辐射换热对轴向速度分布的影响

4．5．2氧浓度对轴向速度分布的影响

4．5．3当量比对轴向速度分布的影响

4．6 CH4、CO2质量分数分布研究

4．6．2氧浓度对CH4、CO2质量分数分布的影响

4．6．3当量比对CH4、CO2质量分数分布的影响

第5章结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文