预混燃烧的燃烧模型

预混燃烧的燃烧模型

摘要

为了达到抑制污染物排放，实现燃料的清洁燃烧的目的，人们采取了很多办法。“节能减排”促使燃烧系统采用贫燃燃烧技术，它具有降低NOx、CO等污染物，提高燃烧效率的作用。但这种燃烧方式的燃烧极限范围很窄，而且火焰稳定性差，容易诱发燃烧系统的不稳定性，如火焰的热声耦合振荡，这种不稳定性会造成更大的污染和浪费。新型燃烧器的设计必须克服这些缺点，以达到“节能减排”的目的。

首先本文以FLUENT软件为平台，构建了合理的数学物理模型，对甲烷-空气预混燃烧过程进行了数值模拟，实验证明，贫燃料燃烧及贫氧燃烧都可以起到降低污染物排放的目的。并利用数值模拟的方法针对不同燃烧模型的情况下甲烷的预混燃烧的特性进行分析，观察其速度场、温度场、以及污染物（NOX）的分布情况，发现预混燃烧的相关规律，寻求燃烧的最佳工况。

其次本文了解不同燃烧模型对流场结构、燃烧结构的影响，与实验结果比较，探讨如何改进数值模拟，提高设计精度，同时找出预混火焰稳定性规律，探讨抑制燃烧不稳定性的策略。

本文通过数值计算，得到了在不同燃烧模型下柱状燃烧室内甲烷燃烧的数值模拟结果，分析发现，燃烧模型的不同对甲烷燃烧特性的影响也不同。通过对燃烧速度分布图，火焰温度分布云图，燃烧的污染物NO的云图进行分析研究，得出结论。 关键词

预混燃烧 数值模拟 FLUENT 部分预混燃烧

Title Pre-mixing combustion combustion model

Abstract

In order to achieve inhibit pollutants, realize fuel clean burning purpose, people taken a lot of measures. %using poor fuel combustion technology, it has to reduce pollutants such as NOx, CO,

increase the combustion efficiency role. But this kind of combustion way combustion limit range is very narrow, and flame stability is poor, and likely to cause combustion system instability, such as flame of thermoacoustic oscillation, the coupling instability will cause more pollution and waste. New burner's design must overcome these shortcomings, to achieve \

Firstly this paper with FLUENT software for the platform, and constructs the reasonable mathematical physics model of methane - air pre-mixing combustion process was simulated, the experiment proof, the poor fuel combustion and poor oxygen burning can reducing pollutant purpose. And using the method of numerical simulation of combustion model for different under the condition of pre-mixing combustion characteristics of methane are analyzed, observe its velocity field and temperature field, and the distribution of pollutants (), found the relevant law pre-mixing combustion, seeking the best condition burning.

Then this paper to understand different combustion model convection field structure, the influence of combustion structure, compared with the experimental results, this paper discusses how to improve the design accuracy numerical simulation, and at the same time, improve the stability pre-mixed flame out rules and explore the inhibiting combustion instability strategy.

This article through numerical calculation, obtained in different combustion model columnar combustion chamber under the numerical simulation results of methane combustion, analysis, we found that the different combustion model for the influence of methane combustion characteristic of different also. Through the burning rate distribution, the flame temperature distribution of convective, the combustion pollutants analysis of NO cloud, draws the conclusion.

Keywords：

Pre-mixing combustion Numerical simulation FLUENT Part pre-mixing combustion

绪论

课题的研究背景及意义

燃烧室作为燃气轮机中最重要的部件，是利用燃料的燃烧，提高进入涡轮的气流温度的装置。在整台燃气轮机的构造中，燃烧室的位置位于压气机和燃气涡轮之间，它的功能有两种:第一，是将通过压气机增压以后的空气和通过燃油喷嘴喷出的燃料进行混合，并进行有效的燃烧;第二，是使通过压气机输出的一部分压缩空气和通过燃烧以后形成的具有极温度的燃烧产物均匀地掺混达到降温的目的，并使之成为涡轮叶片能够承受的燃气温度。通燃烧室的这两个功能，燃烧室能够在近乎等压的工作条件下使燃料释放出化学能，并使化学能转化为高温燃气的热能，为高温、高压燃气在燃气涡轮中膨胀做功做好准备。由此可见燃烧技术是燃气轮机研究中最关键的技术之一。

但是，燃烧室内燃烧技术研究的难度也特别大。首先，这是由于在燃烧室内既有热力学和气体动力学等方面的物理问题，同时还包含着复杂的化学过程的化学反应问题。从气体流动的过程方面来讲，这是一个带有回流和旋流的三维湍流流动过程，在此流动中同时还存在着激烈的化学反应，而在湍流流动和化学反应之间又存在着至今尚未完全搞清楚的相互作用和影响的问题。从化学反应的过程方面来讲，碳氢化合物与空气混合燃烧的反应机理目前还没有被化学家完全研究清楚。从传热工程方面来讲，包括对流换热、热传导以及辐射散热这三种传热问题同样极为复杂。其次，燃气轮机系统对燃烧室还有着诸多的要求，例如航空发动机要求燃烧室的点火过程要迅速可靠，燃烧过程中要保持安全、稳定、流动损失要达到最小，燃烧室出口温度场的品质要好，尾气排放中的污染物含量要少，燃烧室使用寿命要长，燃烧室的可靠性要高等，然而诸多要求之间往往相互矛盾，不能同时兼顾，所以协调起来就变得非常困难。

最近几年的研究和实验表明，实现从非预混燃烧方式向预混低温燃烧技术的转变可以使得NO、的排放从本质上降低。预混低温燃烧技术是把燃料与氧化剂预先混合成为均匀的可稀释的可燃混合物，然后使之以湍流火焰传播的方式进行燃烧，在这个时候，火焰面的燃烧温度与燃料和空气当量比的数值相一一对应。通过对燃料与空气当量比的调节，使火焰面的温度维持在在1900K以下以降低NO、的排放。目前贫燃料预混燃烧技术已经开始逐渐替代传统的非预混燃烧方式。在干式NO、燃烧器使用时，已经可以使天然气燃烧的NO、产物降低到20ppm以下。Davis预计，使用这种燃烧器能够将NO、降低到9ppm(排气中还有15%的OZ)。在商业应用中，第一代比较成熟的控制NO、排放量的方法是注水注蒸汽的技术(对燃料和气体加湿并稀释、空气伴随水蒸气加湿稀释、空气伴随注氮式稀释技术))a这种方法能够将排放物中NO、的浓度降到40ppmo但是这种技术同时具有较大的局限性。本方法所需的净化水的成本高，运行费用也相当高，注水的方法导致发动机的热效率降低很多，同时并不能将NO、的排放降到较低，目前为止此排放量只能暂时满足不高的污染物排放物标准。 燃烧方式由非预混燃烧转变为贫燃料预混燃烧，是对燃烧室内燃烧过程的一系列改进中的一个重大进步，贫燃料预混燃烧技术就是在保证完全燃烧的情况下，尽量减少燃料的供给量，使燃料和氧化剂先混合均匀再燃烧，将火焰温度控制在NO、的生成温度以下，以降低NO、的排放。但贫燃料预混燃烧技术在实际实施中却遇到了两个障碍。第一，虽然NO、排放随火焰温度降低而降低，但火焰温度太低时CO排放显著加大，故应该寻找一个适当的火焰温度，以使两者同时降低。解决这一问题的难度相对来说不是很大。第二，在燃气轮机燃烧室内的贫燃料预混燃烧技术的发展受到了燃烧火焰不稳定的限制因素，其中包括自动点火、回火等静态不稳定，以及震荡燃烧等动态不稳定。对于气体燃料来说自动点火的问题还不是太严重。其燃烧稳定的范围很窄，不能适应燃气轮机在大范围内工况变化的需要。更重

要的是当燃烧室内发生不稳定燃烧的情况时一，燃烧室内的压力将会产生大幅度震荡，这会破坏燃烧室壁上的附面层结构，增强了燃气与燃烧室壁面间的传热，同时伴随着高放热率和强烈的机械振动，从而造成燃烧室的损坏。对于有巧个工作大气压的燃气轮机燃烧室，只要出现2bar的压力波动即会破坏燃气涡轮，这在动力设备的使用过程中是不被允许的。 因此，燃烧室内燃烧过程里出现的不稳定燃烧问题是贫燃料预混燃烧技术中最关键也是最函待解决的问题，同时还是关系到我国未来的新能源战略和环境保护的重大课题。对此问题进行研究涉及到计算机科学、流体力学、化学动力学、燃烧学等诸多学科，并且需要将各个学科相互融汇交叉，从而进行探索和解释燃烧不稳定性的内在规律，这将具有十分重要的科学、技术和工程意义。如果有可以实行的办法来解决贫油预混燃烧中出现的稳定性问题，那么贫油燃烧技术将会成为最为有前途及有效地控制NO、排放的方法。

总之，从科学发展和工程应用以及能源可持续发展和环境保护的需要来看，对燃烧 室内贫燃料预混燃烧火焰的不稳定性及其控制技术进行研究具有特别重要的战略意义。 2毕业设计方法要求：

1. 查阅相关文献资料，了解湍流模型和燃烧模拟。

2. 掌握Fluent软件，学会构建物理模型，进行网格划分，掌握燃烧模型的相关数学模型。 3. 预混燃烧二维模拟。在不同工况下（化学当量比、流动参数等）进行流场结构和火焰结

构分析。

4. 不同预混燃烧模型、不同流场的模拟。分析流场结构、火焰结构等燃烧特性。通过各模

型的比较，找出与各种燃烧流场相适宜的最佳燃烧模型。 5. 预混燃烧三维模拟，与二维模型比较，分析两种模拟方法优缺点。 6. 热声耦合模拟。分析流场结构、火焰结构、声波等相互作用特性。

7. 根据模拟结果，得到燃烧的最佳工况，讨论抑制污染排放和火焰不稳定性的控制策略。

预混燃烧的研究现状

贫氧燃烧（一般指主燃区内氧气浓度低于化学恰当比所要求的氧气浓度）是上世纪末发展起来的一种低NOX燃烧技术，即利用烟气再循环或者再燃等措施降低主燃烧区氧气含量，从而抑制氮氧化合物的生成。对于天然气而言，在高温、低氧环境下燃烧时，烟气中NOX的含量随着空气含氧量的降低而显著降低。实现低氧的途径很多。一般实验室常采用向助燃空气中掺混CO2、N2或惰性气体等来稀释助燃空气而获得。但在工业上，出于经济性的考虑一般不采用这种方法。在工业上，使用的方法一般有四种。第一就是有效的组织炉膛内的空气。这种方法依靠助燃空气及燃料器高速射流的卷吸作用使炉膛内大量燃烧产物回流来稀释燃烧区的含氧体积浓度。第二，采用燃料的分级燃烧。这里所说的分级燃烧分为空气分级和燃料分级。空气分级就是先将一小部分燃料(称为一次燃料)与预热后的高温空气在烧嘴通道内燃烧,消耗掉一部分氧量。然后，将燃烧后的混合气流高速喷入炉内,卷吸炉内燃烧产物

回流，稀释助燃空气的含氧体积浓度。占大部分的二次燃料则直接喷入炉内，与已稀释的助燃空气混合，实现高温低氧燃烧。燃料分级是将锅炉炉膛分为三个区域，即主燃区、再燃区及燃尽区。首先将绝大部分的燃料送入主燃区，进行燃烧，生成NOX。剩下的燃料被送入主燃区上游的再燃区燃烧。来自主燃区的大部分NOX被还原成N和N2，同时抑制了新的

NOX的生成。最后被还原后的燃烧产物进入燃尽区，完成燃烧的全过程，实现了低NOX排

放的目的。第三，燃用低热值的燃料。因为在相同的火孔热强度下，低热值燃料比高热值燃料的总流量小，在高温区的停留时间长，产生的NOX相对就少。第四，就是尽可能采用较高的燃料/空气当量比，有利于实现低氧燃烧。

贫燃预混燃烧，就是在燃烧过程中加入过量的空气，这与贫氧燃烧技术在本质上是一致的。那就是加大燃料燃烧时其中一种成分的浓度，从而达到控制燃烧室温度的目的，最终起到降低污染物生成量（主要是NO）的作用。与贫氧燃烧不同，燃料/空气当量比较低时可以有效地降低废气中CO、碳氢化合物（HC）等有害物质的生成量。

预混燃烧广泛应用于航空发动机、地面燃气轮机和工业锅炉等场合，它具有较高的燃烧效率，可以通过控制混合气中的燃料浓度来控制火焰温度从而到达控制NOX生成的目的，是一种比较清洁的燃烧方式。

针对预混燃烧国内外学者做了大量的研究，相关的研究多是针对气体燃料预混火焰进行的，关于液雾低氧预混燃烧的相关研究对集中在柴油机方面。 钟水库

[17]

等人对高温低氧燃烧过程中NOX的排放规律进行了研究，发现高温低氧燃烧

过程中污染物NO的生成与排放浓度随着预热空气温度的下降而下降，而NO的生成与排放受燃料燃烧温度和炉膛内温度场分布的影响极大,而预热空气温度和含氧量又往往控制着燃烧过程的温度水平和炉膛内的温度场分布。因此,这两个因素对NO的生成与排放产生了重要影响。 田颖

[16]

对贫燃料预混燃烧回火特性进行了研究。通过贫燃料预混燃烧控制燃料与空气的

实时掺混比从而达到控制火焰面温度的目的。这样就能控制热力型NOX的生成，但温度太低会造成CO 的排量增大，故有一个合适的温度范围1670K-1900K，此时的CO 和NOX排量均较低。

Ying Huang

[15]

，Hong-Gye Sung，Shih-Yang Hsieh和 Vigor Yang采用大涡模拟的方法

对天然气低氧预混旋流燃烧进行了全面的数值模拟。详细介绍了模型的选取和方程离散化方法。并对热声耦合进行了初步的分析。 高海洋，曹惠玲

[11]

等介绍了近年来在柴油机上进行的均质预混合燃烧技术，提出这些研

究对于根本解决扩散燃烧的缺陷具有的重要意义。

论文主要研究内容

为了探讨如何改进数值模拟，提高设计精度，同时找出贫燃预混火焰稳定性规律，探讨抑制燃烧不稳定性的策略。本文选用了预混的燃烧形式，本文借鉴国内外在燃烧方面的研究成果，结合预混燃烧的试验研究，对不同燃烧模型下的甲烷/空气混合气体的燃烧过程进行数值模拟。

首先，根据预混燃烧的特点构建合理的模型。

其次，以Fluent软件为平台通过对燃烧室内速度场及温度场的分布情况，分析流场参数对NOX生成量及燃烧室温度分度分布的影响，并找出他们的规律。

再次，利用数值模拟的方法针对不同燃烧模型的情况下甲烷的预混燃烧的特性进行分析，观察其速度场、温度场、以及污染物（NOX）的分布情况，发现预混燃烧的相关规律，寻求燃烧的最佳工况。

第二章 数值模拟的模型及计算方法

2.1 引论

随着计算流体力学（CFD）的发展，数值模拟技术逐渐成为继理论和实验之后的第三种重要的燃烧稳定性研究方法。目前，数值模拟研究越来越受到重视，借助于试验测量结果建立恰当的理论预测模型，并通过数值模拟全面深入分析气体燃烧特性，取得了具有普遍指导意义的研究结果，用数值模拟代替绝大部分的试验工作，为设计计算提供依据，成为燃烧器设计的有力工具。

为了在计算机中分析和模拟一个产品，首先必须建立产品模型。产品模型不仅包括与生产有关的所有信息，如几何形状、尺寸、精度、各表面的相互关系以及材料和热处理等信息，而且结构上还要清楚地表达这些信息之间的关联。有了产品模型以后，即可研究产品在工作环境中的受力变形、振动及运动的情况，以便评定产品是否满足设计要求。CAE的分析方法主要是有限元法和模态分析法。所谓有限元法是用计算机把复杂的零件形体自动分割成有限个形状简单的小块（称网格单元），然后逐个分析、计算这些小单元体的变形，并按一定的关系求得零件的总变形。模态分析法主要用于分析冲击和变负荷的动态结构，在振动分析的基础上可在计算机的屏幕上显示出结的动画。对于一部由许多零件装配成的机器，可以用有限元法或模态分析法求出每个零件的变形或振动量，然后根据装配的连接条件求得整体结构的变形和振动。

本文即采用Fluent 软件进行数值模拟研究。

湍流模型

湍流模式理论或简称湍流模型，就是以雷诺平均运动方程与脉动运动方程为基础，依靠理论与经验的结合，引进一系列模型假设，而建立起的一组描写湍流平均量的封闭方程组。湍流运动物理上近乎无穷多尺度漩涡流动和数学上的强烈非线性，使得理论实验和数值模拟都很难解决湍流问题。虽然N-S方程能够准确地描述湍流运动地细节，但求解这样一个复杂的方程会花费大量的精力和时间。实际上往往采用平均N-S方程来描述工程和物理学问题中遇到的湍流运动。当我们对三维非定常随机不规则的有旋湍流流动的N-S方程平均后，

得到相应的平均方程，此时平均方程中增加了六个未知的雷诺应力项 ，从而形成了湍流基本方程的不封闭问题。根据湍流运动规律以寻找附加条件和关系式从而使方程封闭就促使了几年来各种湍流模型的发展，而且在平均过程中失去了很多流动的细节信息，为了找回这些失去的流动信息，也必须引入湍流模型。

应用比较广泛的两方程模型有Jones与Launder提出的标准k-e模型，以及k-omega模型。 本文所采用的湍流模型为标准k-ε模型。其连续方程、动量方程、能量方程及组分方程分别为： 连续方程：

?????ui?0 ?t?xi?????p????ui?uj动量方程：?ui??ujui?????????t?xj?xi?xj???xj?xj????t???????u?jui?? ????能量方程：

???CpT??????????????????VCpT??????pF????V???????T

????组分方程：

????m??um??l?jl?t?xj?xj?????ml???D??um?Rl ?jl????xj?? 2.2.预混燃烧

1 定义

燃料和氧气（或空气）预先混合成均匀的混合气，此可燃混合气称为预混合气，预混合气在燃烧器内进行着火、燃烧的过程称为预混燃烧（premixed combustion）。 2特征

预混燃烧在燃烧前，燃料与氧气已经在燃烧器内充分混合。它是相对于扩散燃烧的另一种典型燃烧方式。根据预混氧化剂的含量是否能够使燃料完全燃烧，分为部分预混和完全预混燃烧两类。

3湍流预混燃烧反应

关于湍流预混燃烧反应速率计算模型，目前应用比较广泛的是对Spalding提出的

漩涡破碎模型进行改进而得出的涡耗散模型(EDM)。这个模型既可用于预混火焰也可用 于非预混火焰，并且计算结果比漩涡破碎模型更能与实验数据相符，因此该模型得到了 广泛的应用。但这个模型的化学反应速率由大涡混合时间尺度k-ε控制，只要湍流出现 k-ε>0，燃烧即可进行，不需要点火源来启动燃烧。这通常对于非预混火焰是可以接受 的，但在预混火焰中，反应物则在计算区域内一混合就开始燃烧是不正确的。所以本文 采用了改进了的适合湍流预混燃烧的模型一有限速率/涡耗散模型(Finite Rate/Eddy Dissipation)。为了便于分析，首先给出涡耗散模型(EDM)，然后给出有限速率/涡耗 散模型(Finite Rate/Eddy Dissipation )。

3.3本文所用的FLUENT燃烧模型

1 预混燃烧模型

该模型主要针对纯预混湍流燃烧问题，在这些问题中，反应物和生成物由火焰峰面隔开， 该模型通过求解各种反应过程参数来预测火焰峰面的位置，该模型为考虑湍流对燃烧的影 响，引入了一个湍流火焰速度。 湍流效应可以通过层流和湍流火焰速度的关系来考虑。 应用领域：该模型可以用来模拟飞机加力燃烧室中的复杂流场模拟、气轮机、天然气燃 炉等。

2 部分预混燃烧模型

部分预混燃烧模型是结果预混和非预混模型，用运混反应进展参数C决定火焰前锋的位置，火焰前锋后，C＝1，为已燃气，求解层流火焰面混合分数。在火焰前锋的前侧，C＝0，组分质量分数，温度和密度从未燃烧的反应物混合分数中计算。在火焰里面，0

该模型针对预混合肥预混燃烧都存在的湍流反应流动。通过求解混合分数方程和反应过 程参数来确定火焰峰面的位置。 3 组分概率密度输运燃烧模型

该模型用来模拟湍流火焰中实现中存在的有限速率反应，任意的反应机理都可以导入 FLUENT，该模型可用于求解预混，非预混及部分预混火焰，但只用此模型需要大投资。 此模型包括层流有限速率，涡旋耗散，有限速率－涡旋耗散和EDC模型。

2.5 NOx的生成模型

FLUENT中NOX模型能够模拟热力型、快速型、燃料型以及由于燃烧系统里回燃导致的NOX的消耗。在湍流火焰的分子级别中NOX的形成可以分为四个不同的化学动能过程：热力型

NOX的形成、快速型NOX的形成、燃料型NOX的形成、回燃。热力型NOX是通过氧化

燃烧空气中的氮气而形成的。快速NOX是通过在火焰前锋面的快速反应形成的。而燃料型

NOX是通过氧化燃料中的氮而形成的。

NOx的危害性如下:

氮氧化物NOx(NO , NO2 , N2O5、N2O6)是煤、石油、天然气等化石燃料与空气在高温燃烧时产生的。燃烧过程所排放的NOX、约95%是NO，余下的5%是.NO2。燃烧过程中产生的NO、排入大气后逐渐与大气中的氧或臭氧结合生成NO2，俗称笑气，毒性很强。大气中的氮氧化物对人类及其生存的自然环境有很大的有害影响，主要体现在对人类健康、植物生长和全球大气环境的影响。严重地危及人类的生存环境和可持续发展。

(1)在空气中，NO浓度越大，毒性越强，而NO2的毒性更大，约为NO的4-5倍。其主要表现在，它们很容易和动物血液中的血色素结合，使血液缺氧，引起中枢神经麻痹症。NO2还对呼吸器官粘膜具有强烈的刺激作用，引起肺气肿和肺癌，其毒性较SO2与NO强。吸入40-80ppm的NO2就会伤害肺部，人在100ppm NO2大气中停留1小时，或在400ppm NO2大气中停留5分钟就会死亡。此外NO对人体的心脏·肝脏、肾脏和造血组织等都有损

害。

(2)光化学烟雾，其毒性更强。这种以O5 , PAN(过氧乙酞其硝酸酷)和H2S04(如有SO2存在时)为主要成分的光化学烟雾，不仅减少可见度，而且对人的眼睛与呼吸道有强烈的刺激性，是眼睛红肿，肺功能发生变化，且PAN有致癌作用，所以对人体健康的危害极大。 (3) NO通过如下两个反应 NO+O3→NO2+O2 NO2+O→NO+O2

破坏平流层中的臭氧层，使之失去了对紫外线辐射的屏蔽作用，对地面生物造成危害。 （4）NOx、SOx和粉尘共存，可以生成毒性更强的硝酸和硝酸盐气溶液，形成酸雨，破坏生态环境。

第三章 预混燃烧模拟结果及分析

1 燃烧系统的结构

模拟所构建的燃烧室模型是根据实际的燃烧室结构得到的。其中整个燃烧试验系统实物如图所示。燃烧系统实物由一个柱形预混室和一个柱形燃烧室构成。燃气从实验装置底部进入预混室。其中一部分空气经实验装置底部旋流片进入预混室。另一部分空气由预混室上的侧管以不同的形式进入预混室，形成预混燃烧模式。由于其结构复杂且本文主要研究燃烧室中的燃烧情况，故对燃烧系统进行了简化。首先一部分燃气与空气的混合气体以一定比例从燃烧室中心入口旋转射入，另一部分空气从同心环型入口垂直射入。形成部分预混燃烧模式。

燃烧室内径为90mm，长度为200mm，燃烧室混合气体入口内径为10mm，环形入口内直径30mm，外径50mm，出口直径为40mm。如图所示。

左图为燃烧室模型实物，右图为燃烧室模型示意图

3.2.2 燃烧室网格划分

文所要计算的区域为二维圆柱体燃烧室，网格采为非结构化Pave网格，共有9000个网格具体的网格划分如图所示：

燃烧室网格划分采用对称结构，只利用GAMBIT画出了一半的网格，左侧为旋流预混气及空气的入口，右侧为出口。 3.2.3 计算边界条件

在预混研究的试验中，选用了液化石油气。这是因为液化石油气具有刺激性气味，泄漏时易于发觉。本次模拟用甲烷燃料代替了液化石油气，因为甲烷是单一气体且性质与液化石油气相似，便于进行燃烧动力学分析。这对于分析预混燃烧系统的燃烧过程、污染物排放以及拓宽其运行工况范围等具有理论意义。

A 预混可燃气由中心入口以旋流形式进入燃烧室，其轴向速度和切向速度均为5 m/s,燃

料所占预混气体为8.46%，入口水力直径为0.01m。

B 环形入口速度根据空气流量设定，当量比设为1，空气流量为11.83L/min，空气流速为0.01569m/s.水力直径为0.02m。

C 出口水力直径为0.04m，燃料所占预混气体为8.46%。 D 甲烷的物理性质如下：

表3.1 甲烷的物理性质 Table3.1 Physical character of methane

分子量 密度kgm 0.717 3动力粘度Pa?s 低位发热量kJkg 理论空燃比Nm3Nm3 35831 9.52 16.043 11.2?10?6 3.2.5 燃烧当量比

甲烷/空气完全燃烧时燃烧产物只有水蒸气和二氧化碳，燃烧反应式为： CH4?20.79N2 （3.1） ?0.21O2?0.79N2??CO2?2H2O?20.210.21mol 1 2 7.52 1 2 7.52 V（Nm3） 0.0224 0.0448 0.168448 0.0224 0.0448 0.168448

空气/燃料化学恰当比（空/燃比）定义为化学恰当反应时消耗的空气/燃料质量比，它可以用

下式表示：

Vstoch,air/CH4?m3air?2molO212????9.52?3 ? （3.2）1molCH40.210.21?mCH4?

当量比?常用来定量地表示燃料和氧化剂的混合配比情况。它的定义如下：

??Vactual1? （3.3） Vstoch??——空气消耗系数;

Vactual——实际燃料的空/燃比; Vstoch——理论燃料的空/燃比

对于甲烷空气完全燃烧：

??1Vair 其中 （3.4） ?9.52VCH4Vair——空气体积

VCH4——甲烷体积

2甲烷理论燃烧温度

令甲烷初始温度为300K，假设燃烧是完全反应，即产物中只有CO2、H2O和N2；产物的焓用1200K（?0.5T2?0.5Tad，其中Tad假设为2000K）时的定比热估算。反应方程式见（3.1），各组分的物性参数如表3.2： 组分 标准生成焓?300K?hf,i-75000 0 0 -393547 -241865 ??kJ?kmol? ?1比热?1200K?Cp,i ?kJ?kmol?K???1 CH4 O2 N2 33.71 56.21 43.87 CO2 H2O 由反应式3.1知，nCO2?1，nH2O?2，N2?7.52，由热力学第一定律得，

Hreac??nihi?Hprod??nihi

reacprodHreac?1???75000??2?0?7.52?0??75000kJ Hprod?? ??ni?hf,i?Cp,i?Tad?300??????7 ?1????393545 2????24186?2?0 7.5???56.??T2ad1?43.?8a7?Td?3 00?????0???3 033.??7T1ad????3 00令Hprod?Hreac，可解得Tad?2348.56K 由此可知，甲烷的等压绝热燃烧温度为2318.56K

3甲烷的反应方程式

实际上甲烷的反应非常复杂，前人在感性研究的基础上，已得到了准确描述甲烷火焰的25个基本反应化学方程。将这25个反应方程全部用于燃烧过程的数值模拟是极其困难的，为此本文使用了甲烷的六步简化燃烧反应模型。如下：

[1]

? CH4?O?CO?2H2 ? H?? CO?OH?C2O ?M??? H?H?M?H2?V H?O 2?OH?OV O?H2?H?OH V? OH?H2?H?H2O

利用此六部反应模型能够同时计及CH4、O2、CO2、H2O、H2、OH、O、CO和H等九种组分的浓度，同时可以更准确的反应甲烷的燃烧过程。 4 NOx的生成

本文采用的是甲烷作为燃料，燃料中N含量几乎为零。因此，在NO的生成模型中，仅考虑热力NO和快速NO的生成。NO的输运方程为：

???uYNO???r?vYNO????Y????YNO?????NONO???rNO??SNO?xr?r?x??x?r?r??r??式中，SNO――NO的时均反映速率 5热力型NO的生成

热力型NO的形成是由一组被称为广义的Zeldovich机理的高度依赖于温度的化学反应决定的。从氮分子形成的热力型NO的主要反应如下：

N2?O?NO?N （3.8）

N?O2?NO?O （3.9）

N?OH?NO?H （3.10）

假设N 原子浓度处于平衡态，则由以上反应可得热力NO的生成反应速率表达式为[58]：

ST?NO?MNO?2?O??k1fk2f??O2??N2??k1bk2b?NO?k2f?O2??k1b?NO?2 （3.11）

式中，k1f?7.6?1013exp??75514RT? k1b?1.6?1013

k2f?6.4?10Texp??6260RT?

9 k2b?1.5?109Texp??38650RT? ST?NO――热力型NO的反映速率

?O2?，?N2?，?NO?――O2、N2、NO的浓度 MNO――NO的分子量 R――气体常数 3.4.1NOx计算方法 1平衡方法

热力型NOX的生成速率要比主要碳氢化合物的氧化速率慢得多，所以大多数热力型

NOX是在燃烧完全后生成的。因此，热力型NOX的生成过程可以从主燃烧反应机制中分

离出来，而且NOX的生成速率能够通过假定燃烧反应达到平衡来计算。通过使用这种方法，计算热力型NOX的生成速率大大简化来表示

[61]

。O原子浓度的平衡可以通过Westenberg

[62]

表达式

?O??kp?O2?12 （3.12）

式中，kp是反应速率常数项，其表示如下：

kp?3.97?105T?12e?31090T （3.13）

式中T为温度

2不分平衡方法

部分平衡方法是平衡方法的一种改进，考虑了O2 分裂再结合过程中的第三体反应：

O2?M?O?O?M

O原子的平衡通过下面的表达式来获得：

?O??36.64T12?O2?

12e?27123T （3.14）

3 甲烷燃烧的计算结果

下面是当量比为1的情况下，甲烷燃烧数值模拟结果。主要从速度场、温度场两个方面进行分析。同时还对污染物（NOX）的生成情况进行分析说明。 1.不同燃烧模型对速度场的影响 下面个图为对比试验的速度场

上图为模板试验的速度场分布

上图为燃烧模型为部分预混燃烧时的速度分布

上图为燃烧模型为预混燃烧时的速度分布

上图为燃烧模型为组分运输燃烧时的速度分布 结论

选用了燃烧模型以后。在燃烧室头部Patch一个局部高温，温度为1500K。空气分两步进入燃烧室，一部分以二次空气的方式从环形入口进入燃烧室，另一部分预先与甲烷混合从中心入口进入燃烧室，在局部高温的情况下被点燃。燃烧产物从燃烧室尾部的压力出口排出。为了稳定火焰，燃料入口采用了旋流的进气方式。由速度矢量图可以在预混燃烧和部分预混燃烧中看出旋流气体产生了很强的回流区，它们分别是由燃烧室突扩所产生的角回流区以及由旋流和壁面压缩的共同作用产生的中心回流区。而在组分运输燃烧模型中则没有较强的回流区。在前两种中由于回流区的存在，大量燃烧产物回到燃烧室头部形成持续的点火源。 综上所述，在以上三个燃烧模型中，中心回流区分别在轴向逐渐向燃烧室下游扩张，在径向则呈膨胀趋势。同时燃烧室内的速度沿轴向的变化趋势是逐渐减小的，这是因为甲烷从喷口喷出来速度很大，但是由于和空气、产物之间的动量交换，使其平均速度有所降低。通过分析我们可以知道，在部分预混燃烧模型中甲烷燃烧的越来越充分，燃烧室内的平均速度越接近于旋转气流的速度。

试验证明在速度场得分布中，部分预混燃烧模型更能体现出燃料在燃烧室内随燃烧进行时的速度分布，模型较适合。

2.不同燃烧模型对温度场的影响

上图为模板试验的温度场分布

上图为燃烧模型为部分预混燃烧时的温度分布

上图为燃烧模型为预混燃烧时的温度分布

上图为燃烧模型为组分运输燃烧时的温度分布 结论

图中颜色代表了温度的大小，从这四幅温度分布云图上我们可以看出，在相同燃料量和入口温度时，不同的燃烧模型下，甲烷燃烧的火焰形状不同，火焰温度的分布也是不同的。在部分预混燃烧开始时燃烧火焰温度有一定的张角，火焰的高温区主要集中在燃烧室的前端，在高温区域内，燃料燃烧完全，产生的热量较多，温度较高，这个燃烧室内的最低温度就是空气入口的温度，随着反应的进行及流动的发展，温度逐渐变得平缓。燃烧室出口附近的温度降低，这是由于产生了大量烟气造成的。

在预混燃烧中，预混燃烧产生的最低温度区出现在燃烧室入口的预混气区域，最高温度出现在已燃气体的产物区。这是因为由于燃烧中产生的一氧化碳在产物区继续与氧气结合生成二氧化碳时反应放出热量，导致产物区的温度比反应区的高。

同样在组分运输燃烧模型中燃烧产生的最低温度区出现在燃烧室入口的预混气区域，最高温度出现在已燃气体的产物区。

综合以上，得出部分预混燃烧模型所得出的温度分布更与试验模型接近，更能体现燃料在模型中的温度分布，模型较适合。 3.不同燃烧模型对NOx分布的影响

上图为模板试验的NOx分布

上图为燃烧模型为部分预混燃烧时的NOx分布

上图为燃烧模型为组分运输燃烧时的NOx分布 结论

在以上图中的颜色代表了浓度的大小。由于混燃烧模型不能用于求解污染物生成问题（如soot，NOx模型），则只分析另外两种模型。 从图中可以看出，在火焰内部NO的生成量并不大，从火焰前锋开始NO的浓度随温度的增长迅速增加。在部分预混燃烧模型中，NOx的生成量不断增加。对比温度分布云图可以发现最大NO浓度区域始终滞后于最高温度区域，这说明NO的生成反应速度低于燃料燃烧速度。早组分运输燃烧模型中NOx的生成量亦与温度升高的趋势相反，燃烧越完全，温度越高，NOx的生成量越低。

综合以上，在部分预混燃烧模型中NOx的生成量的趋势接近对比的试验模型，最大NO浓度区域始终滞后于最高温度区域，更能体现NOx在模型中的生成量分布，模型较适合。

第四章 结论

本章通过数值计算，得到了在不同燃烧模型下柱状燃烧室内甲烷燃烧的数值模拟结果，分析发现，燃烧模型的不同对甲烷燃烧特性的影响也不同。通过对燃烧速度分布图，火焰温度分布云图，燃烧的污染物NO的云图进行分析研究，得到以下结论：

1 在部分预混燃烧模型中，所体现的速度场，温度场及NOx生成量的分布场中均能较好的反应本次燃烧模型模拟的结果，更接近于对比试验模型，为本次模拟的较好模型。 2 在此次模型的速度分布中，在预混燃烧和部分预混燃烧中看出旋流气体产生了很强的回流区，它们分别是由燃烧室突扩所产生的角回流区以及由旋流和壁面压缩的共同作用产生的中心回流区。而在组分运输燃烧模型中则没有较强的回流区。

3 在此次模型的速度分布中，在部分预混燃烧模型中火焰的高温区主要集中在燃烧室的前端，预混燃烧和组分运输燃烧产生的最低温度区出现在燃烧室入口的预混气区域，说明温度分布于燃料燃烧的程度有很大关系。

4在此次模型的NOx生成量分布中，NOx的生成量与温度升高的趋势相反。

5通过以上可知，对气态燃料进行燃烧时，应充分考虑燃烧模型对其燃烧特性的影响，合理地选用燃烧模型，可使燃烧室内燃烧特性达到一个合理的要求。

参 考 文 献

1 刘晶.预混燃烧热声不稳定性的数值模拟.2008

2 王朝晖.预混燃烧稳定性的数值研究.2010

3 刘联胜，燃烧理论与技术，化学工业出版社.2008

4 徐旭常，周力行. 燃烧技术手册. 北京：化学工业出版社.2007 5李宇红、张宏武等.甲烷预混燃烧火焰的详细数值模拟.工程热物理学报.002 6庄逢辰等，湍流两相燃烧不稳定性分析，航空学报，1998，NO.1，P23-28

7 《燃气燃烧与应用》编委会. 燃气燃烧与应用（第三版）. 中国建筑工业出版社, 2000

8 徐旭常，周力行. 燃烧技术手册. 北京：化学工业出版社.2007 9 王福军. 计算流体动力学分析——CFD原理与应用. 清华大学出版社 10张会强, 陈兴隆, 周力行, 陈昌麒. 湍流燃烧数值模拟研究的综述. 力学进展, 29(4).1999

11 郭志辉，王帅，李磊，张澄宇，孙晓峰.贫燃预混旋流火焰燃烧不稳定性的实验 .2009 12 刘联胜，刘晶，郭平平，林博颖，谷岩，段润泽.预混火焰不稳定性的大涡模拟.2010 13 赵玉新. FLUENT中文全教程

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