H2/CO湍流预混火焰面与涡团相互作用的直接数值模拟

摘要

我国作为多煤炭少油少天然气的国家，长久以来以煤炭为主体的能源消费结构在为经济社会发展做出突出贡献的同时也对我国的环境产生了严重的伤害。虽然政府已经开始重视调节优化能源结构，但是这是个长期的过程，并且煤炭作为廉价经济的能源并不会迅速退出历史舞台，因此在使用煤炭的同时如何做到高效清洁的利用也成为了当务之急。而煤基多联产技术可以将煤气化将其变为合成气进行清洁利用并且副产物可以通过梯级利用来降低成本，因此这项技术不失为一条清洁高效燃用煤炭的道路。所制得的合成气一般都含有一定量的氢气，鉴于氢气极其活泼的化学特性，如何科学安全的利用合成气也成为了一项科学课题。数值模拟作为可以深入了解湍流燃烧机理的手段已经得到了广大研究者的认可，直接数值模拟无需对于湍流进行任何假设就可以获得尽量多的流动信息，详细机理反应则可以深入了解燃烧反应中重要中间产物的详细变化，本文基于低马赫数下的纳维斯托克斯湍流方程以及详细机理求解燃烧反应开发了一套直接数值模拟湍流燃烧程序，并且通过与湍流火焰面相互作用的实验解和层流火焰速度对比验证证明了程序在进行湍流燃烧计算上的准确性。本文借用该程序对于简单合成气H2/CO湍流预混燃烧在诸多情况下的火焰面特性进行了研究。
　　本研究主要内容包括：⑴使用谱方法对于不同当量比和不同湍流数下处于小火焰区湍流燃烧的二维火焰面与各向同性湍流的相互作用情况进行了研究。研究发现，在经过一个特征湍流时间尺度τ后贫燃工况出现了回火现象，湍流对于其火焰面产生了明显的挤压并且火焰面的传播速度大于其层流火焰速度。而富燃工况火焰面虽然剧烈褶皱但是其火焰面传播面积变化率的概率分布以零值线成轴对称，这说明火焰面在场中的平均位置不会发生变化。火焰面长度与当量比相关性不大但是与湍流数成正相关。火焰面上OH大多富集在火焰面的凸面，在凹面的分布较少。⑵通过二维配对涡通过火焰面对于不同合成气比例与不同稀释气比例下的火焰面局部熄火情况进行了研究。研究发现，随着H2在合成气中比例降低或是稀释气比例增加，湍流涡团的运动与火焰面的相互作用明显变强，体现为涡团脱离时间变长，涡团形态发生明显变化，但是相互作用的改变对于 H2比例降低更为敏感。而配对涡脱离时造成的熄火现象实质上只是H2组分化学速率迅速降低，CO组分的燃烧并不会停止，只是会因为 H2基本不燃烧导致了局部温度偏低从而 CO燃烧变慢。而配对涡脱离一段时间后，高 H2比例或低稀释气比例的火焰面会因为扩散-热力效应变为不稳定的细胞火焰。⑶使用三维定容封闭法针对合成气湍流情况下不同当量比、压力、等离子体浓度以及稀释气比例下的自着火特性做了一定的探讨。研究发现，自着火延迟与当量比关系不大，但是加大压力和添加等离子体会显著减小着火延迟，压力通过增大化学反应速率对着火延迟产生影响而等离子体则通过分解产生 O自由基使反应更容易进行。添加稀释气则可以适当增大着火延迟。⑷针对于添加 O3后的贫燃合成气湍流预混的近场自由燃烧射流进行了三维模拟。研究发现，O3在轴向8D~9D位置开始影响整个场的组分场以及温度场，燃料明显加快消耗并且温度有所升高，但是近场产物中只促进了CO2的生成，对H2O影响不大。而从火焰面沿时间的变化曲线上看来，O3会增大点火时期的火焰面面积，以及促进合成气燃烧的点火过程，使燃烧更早发生。而从统计量的概率密度分布可以看出，添加了 O3的火焰面更容易被湍流拉伸，但是整体的火焰面曲率分布不会发生变化，火焰面的传播速度也得到了一定的提高。

目录

声明

致谢

1 绪论

1.1 引言

1.2 合成气的工程应用

1.3 湍流与预混火焰的相互作用的直接数值模拟研究

1.4 本文主要研究内容

2 控制方程组与数值方法

2.1 控制方程组

2.2 数值方法

2.3 程序结构与软硬件环境

3 低马赫数变密度直接数值模拟代码验证

3.1 涡团通过V型火焰面的湍流验证

3.2 一维预混层流火焰速度的对比验证

3.3 本章小结

4 湍流与火焰面相互作用的直接数值模拟

4.1 计算工况介绍

4.2 计算工况设置

4.3 计算结果与讨论

4.4 本章小结

5 合成气预混火焰熄火与着火的直接数值模拟

5.1 计算工况介绍

5.2 计算工况设置

5.3 计算结果与讨论

5.4 本章小结

6 预混合成气自由燃烧射流等离子体强化的直接数值模拟

6.1 计算工况介绍

6.2 计算工况设置

6.3 计算结果与讨论

6.4 本章小结

7 全文总结与展望

7.1 本文主要结论

7.2 本文的创新之处

7.3 对今后工作的展望

参考文献

作者简历