（化学工程专业论文）乙烯裂解炉及燃烧器喷嘴的cfd模拟研究.pdf

中文摘要 裂解炉是乙烯生产装置的核心部分，燃烧器产生热量，是裂解炉的最 重要组成部分。通过计算机技术建立数学模型，采用数值计算方法模拟裂 解炉内所发生的各种过程，可以在少量的实验基础上获得大量的数据，为 提高裂解技术提供必要的信息。 ，本文按照从简单到复杂的规律开展研究，选择单个喷嘴为研究对象， 以g a m b i t 和f l u e n t 软件为平台，结合实际工业过程，选取适当的数学 模型来描述计算域内所发生的燃料燃烧、烟气流动等过程和组分分布。 首先采用g a m b i t 软件建立计算域几何模型，并对计算域进行网格划 分，建立数学模型，选择离散化方法。之后，在忽略辐射传热的前提下， 应用f l u e n t 计算软件进行求解，分别采用e d 模型、e d c 模型、有限速 率涡耗散模型、非预混燃烧模型和组分p d f 输运模型进行计算，对这五种 燃烧模型的数值模拟结果进行对比分析，得出最适合于实际情况的燃烧模 型为有限速率涡耗散模型。 选定燃烧模型后，本文考查了速度和计算域对燃烧结果的影响。采用 有限速率涡耗散燃烧模型，忽略辐射传热，考察了不同的燃料气进口速度 ( 5 0 m s 、1 0 0 m s 、2 0 0 m s 、3 0 0 耐s 及4 0 9 m s ) 对燃烧结果的影响：同时， 把计算域沿x 方向各向左右延伸0 5 m ，考查了计算域对燃烧结果的影响。 最后，结合实际工业条件，选取两种比较适合本文工业条件的辐射模 型，即：p 1 辐射模型和d o 辐射模型，考察辐射对燃烧结果的影响。对所 得结果进行比较分析表明：虽然湍流反应速率仍为主要影响因素，但是加 入辐射模型后，化学反应和辐射间的相互作用变得重要了，而且对于不同 的辐射模型有不同的地位和作用。 关键词：乙烯裂解炉；喷嘴：计算流体力学；燃烧模型；辐射模型；有限 速率涡耗散模型 a b s t r a c t e t h y l e n ec r a c k i n gm m a c ei st h ec o r cd e v i c ef o rt h ee t h y l e n ep r o d u c t i o n ， w h 订et h eb u m e ri st h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n tw h i c hu s e dt og e n e r a t eh e a t l a r g ea m o u n t so fd a t ac a nb ea c q u i r e db ys i m u l a t i n gt h ev a r i o u sp r o c e s s e s t h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to fm a t l l e m a t i c a lm o d e l s ，w h i c hp r o v i d en e c e s s a 巧 i n f o 订n a t i o nt oi m p r o v ep y r o l y s i st e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r ，as i n g l eb u m e rw a sc h o s e nf o rt h es t u d yu s i n gg a m b i t a n d f l u e n ts o 脚a r ea sap l a t f o l = m ；t h e 印p r o p r i a t em a t h e m a t i c a l m o d e lw a s s e l e c t e da c c o r d i n gt ot h ea c t u a li n d u s t r i a lp r o c e s s ，t od e s c r i b es o m ep h e n o m e n a h a p p e n e di nm ef u m a c e s u c ha s 舭lg a sm o v e m e n ta n dd i s t r i b “o no ft h e s p e c i e s f i r s to fa l l ，t h eg e o m e t 呵m o d e lw a se s t a b l i s h e du s i n gg a m b i ts o 肌a r e ， t h ec a l c u l a t i o nd o m a i nw a sm e s h e d ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e d ， 锄dt h ed i s c r e t i z a t i o nm e t h o dw a sc h o s e n t h e n ，t h en u m e r i c a lr e s u l t so fn v e d i f 艳r e n tc o m b u s t i o nm o d e l s ，e dm o d e l ，e d cm o d e l ，m e6 n i t er a t e e d d y d i s s i p a t i o nm o d e l ，n o n p r e m i x e d c o m b u s t i o nm o d e ia n dc o m p o s i t i o np d f t r a n s p o r t a t i o nm o d e l ，w e r ec o m p a r e di g n o r i n gr a d i a t i o n i tw a sc o n c l u d e dt h a t t h em o s ts u i t a b l ec o m b u s t i o nm o d e lf o rt h ei n d u s ”i a ls i t u a t i o ni s6 n i t er a t e e d d y d i s s i p a t i o nm o d e l t h ei n n u e n c e so fi n l e tv e l o c i t ) ，a n dc a l c u l a t i o nd o m a i nw e r ei n v e s t i g a t e dm t h i sp a p e r t h ei n f i u e n c eo ft h er a t eo nt h ec o m b u s t i o nw a sc o m p a r e da tt h e s p e e do f5 0 州s ，l0 0 m s ，2 0 0 m s ，3 0 0 m sa n d4 0 9 州s a tt h es a m et i m e ，t h e c a l c u l a t i o nd o m a i nw a se x t e n d e da b o u t0 5 ma l o n gt h ex d i r e c t i o nt 0e x a m i n e t h ei m p a c to ft h ec a l c u l a t i o nd o m a i no nt h ec o m b u s t i o n f i n a l l v t w om d i a t i o nm o d e l s ，p 1r a d i a t i o nm o d e la n dd o r a d i a t i o nm o d e l ， w e r es e l e c t e dt od e t e r n l i n et h ei m p a c to fr a d i a t i o no nt h ec o m b u s t i o n t h e r e s u l t si n d i c a t e dt h a t ：a l t h o u 幽t h et u r b u l e n tr e a c t i o nr a t ei ss i g n i 6 c a n tf o rt h e t u r b u l e n tc o m b u s t i o n 。c h e m i c a lr e a c t i o na n di n t e r a c t i o nb e t w e e nt h em d i a t i o n s b e c o m ei m p o r t a n ta f k rt h em d i a t i o nm o d e lw a sa d d e d ，d i 骶r e n tr a d i a t i o n m o d e l sh a v ed i h r e n tr o l e s k e yw o r d s ： e t h y l e n ec r a c k i n g如m a c e ；b u m e r ； c o m p u t a t i o n a ln u i d d y n a m i c s ；c o m b u s t i o nm o d e l ；i h d i a t i o nm o d e l ；f i n i t er a t e e d d yd i s s i p a t i o n m o d e l 符号说明 符号说明 辐射吸收系数 灰气体吸收系数 实验常数等于4 o 事件b 发生时，事件a 的条件概率 实验常数等于0 5 线性各相异性相功能系数 容积比率常数，等于2 1 3 7 7 时间尺度常数，等于0 4 0 8 2 常数，等于2 8 6 常数，等于2 0 分子扩散系数 湍流扩散系数 轴向扩散系数 混合分数 混合分数厂的方差 入射辐射通量 熵 质量扩散通量 单位质量的湍动能 计算域的长度 组分f 。的局部质量分数 任意产物p 的质量分数 特定反应物r 的质量分数 相对分子质量 混合物的傅立叶联合p d f 净辐射热传递速率 组分的生产或者消耗速率 m 2 s m 2 s w m 2 j k ( m 2 s ) m 2 s 2 m k m o l j s m o l m s 口删彳巾曰 c 咚q g o d q加夕一广g万，七 饰m 户吼心 符号说明 置- 墨 尺p s m s 。r s k s c t 丁( ，) 甜 “f 什 u ( r ) 伊 玮 玮 希腊符号 y s “ y p q 以 f 奉 万 孝 j 2 i ， 沙 一 吵 组分，。生成或者消耗的质量速率 反应速率 雷诺数 由液体燃料滴或反应颗粒传入气相中的质量源项 任何用户自定义的源项 组分七反应速率 湍流斯托克斯数 本地温度 速度 流体速度波动矢量 辐射强度的积分 有效体积 任意产物j p 的质量分数 特定反应物月的质量分数 反应器的体积分数 单位质量的湍动能耗散率 黏度 湍流黏度 运动黏度 密度 常数，等于0 8 5 散射系数 良好结构的停留时间 质量分数 混合分数 混合分数的方差 混合物空间矢量 混合物空间矢量 k m 3 s m o l m 3 s k m s l m 2 s m 3 m 2 s 3 p a s p a s m 2 s k m 3 w ( m 2 k 4 ) s 符号说明 d l f i 七 吼 反应k 中反应物f 7 的化学计量系数 产物在反应七中的化学计量系数 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨凄盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：喷扫签字日期：厶口g年衫月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名遭够了 导师签名 签字日期：二坩年多月石日 签字日期： 一 细丝月 灸锄以 第一章前言 第一章前言 1 1 研究背景、目标、意义及挑战 裂解炉是乙烯生产装置的核心部分，裂解炉的操作状况直接影响整个 装置的产品分布、产品质量乃至经济效益。受检测手段的限制，裂解炉内 许多重要的工程参数不易测得，裂解炉仍然是一个“黑箱”。随着计算机 技术的发展和进步，通过建立数学模型，采用数值计算方法模拟裂解炉内 所发生的各种过程是一种必然趋势。它可以在少量的实验基础上获得大量 的数据，为提高裂解技术的水平提供必要的信息1 1 j 。 乙烯裂解炉等管式裂解炉一般由以下五部分组成：辐射室、对流室、 余热回收系统、燃烧器以及通风系统。辐射室是通过火焰或高温烟气进行 辐射传热的部分。这个部分直接受到火焰冲刷，温度最高，是热交换的主 要场所，全炉热负荷的7 0 8 0 是由辐射室承担的，它是全炉最重要的部位。 烃蒸汽转化炉、乙烯裂解炉等，其反应和裂解过程全部由辐射室来完成。 对流室是指“对流传热起支配作用”的部位，是靠辐射室出来的烟气进行 对流换热的部分。对流室内密布多排炉管，烟气以较大速度冲刷这些管子， 进行有效的对流换热。对流室一般担负全炉热负荷的2 0 3 0 。余热回收系 统是从离开对流室的烟气中进一步回收余热的部分。通风系统的任务是将 燃烧用空气导入燃烧器，并将废气引出炉子。燃烧器产生热量，是炉子的 最重要组成部分。由于燃烧火焰猛烈，必须特别重视火焰与炉管的间距以 及燃烧器间的间隔，尽可能使炉膛受热均匀，使火焰不断冲刷炉管并实现 低氧完全燃烧【2 j 。 在裂解炉炉膛中，燃料燃烧释放的热量传给反应管内的原料，使之发 生裂解反应，反应管内裂解反应的吸热量与反应管外炉膛所传递的热量保 持平衡。热裂解反应对温度十分敏感，炉膛内温度的变化直接影响了反应 管中的裂解反应过程，引起产物收率和结焦情况的变化，从而影响整个乙 烯装置的运行。因此，在乙烯裂解炉综合模拟研究中，准确模拟裂解炉炉 膛内燃料燃烧和辐射传热过程极其重要【3 j 。 在本次研究工作中，由于燃料气喷嘴进气速度很大，在燃烧模型的选 第一章前言 择上存在很大困难。相对于整个燃烧器而言，喷嘴尺寸小，但对整个裂解 炉炉膛内温度影响大。所以，本研究选择单个喷嘴为研究对象，在整体计 算中，利用小区域的结果指导最终的整体结果。 1 2 论文内容 本文按照从简单到复杂的规律开展研究，选择单个烧嘴为研究对象， 最大程度上简化了计算，节约了计算时间。以g a m b i t 和f l u e n t 软件为 平台，结合实际工业过程，选取适当的数学模型，来描述计算域内所发生 的燃料燃烧、烟气流动等过程和组分分布。本文主要研究内容如下： 第二章回顾并总结了计算流体力学的发展、在燃烧中的应用以及求解 过程，介绍了燃烧机理、燃烧模型和辐射模型。 第三章介绍了计算域的选取、几何形状、网格划分以及边界条件的设 定，为后续计算做好准备。 第四章在忽略辐射传热的前提下，应用f l u e n t 计算软件进行求解， 对五种燃烧模型的数值模拟结果进行比较分析，得出最适合于实际工业条 件的燃烧模型。 第五章建立在第四章选取的燃烧模型的基础上，忽略辐射模型，考察 了速度和计算域对燃烧结果的影响。 第六章结合实际工业条件，选取两种比较适合本文研究条件的辐射模 型即：p 1 辐射模型和d o 辐射模型，燃烧模型采用有限速率涡耗散模型， 综合考察辐射对燃烧结果的影响。 第七章中，将上述结果进行总结，并对所得重要发现和结论进行了着 重强调，同时对未来的工作给出了一些建议。 第二章文献综述 第二章文献综述 2 1 计算流体力学介绍 计算流体力学( c o m p u 协t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是通过计算机 数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统 所做的分析4 1 。它综合了计算数学、计算机科学、流体力学、科学可视化等 多种学科5 1 。c f d 模拟的目的是做出预测和获得信息，以达到对流体流动 的更好控制【6 1 。 2 1 1 计算流体力学的发展 计算流体力学，是2 0 世纪6 0 年代起伴随计算机技术迅速崛起的学科。 经过半个世纪的迅猛发展，这门学科己经相当成熟，成熟的一个重要标志 是近十几年来，各种c f d 通用性软件包陆续出现，成为商业化软件，为工 业界广泛接受，性能日趋完善，应用范围不断扩大。至今，c f d 技术的应 用早己超越传统的流体力学和流体工程的范畴，如航空、航天、船舶、动 力、水利等，而扩展到化工、核能、冶金、建筑、环境等许多相关领域中 去了吲。 计算流体力学的发展是伴随着计算机技术的发展而前进的，后者是构 成前者的基础。只有计算机的速度、内存和外围设备达到一定程度时才会 有计算流体力学发展新阶段的出现。计算流体力学是多领域交叉的学科， 涉及计算机科学、流体力学、偏微分方程的数学理论、计算几何、数值分 析等学科。这些学科的交叉融合，相互促进和支持，推动着这些学科的深 入发展瞵j 。 2 1 2 计算流体力学在燃烧中的应用 c f d 可以模拟出燃烧过程中的各种状态参数，了解燃烧过程中的化学 反应，分析实验结果，加深对燃烧器燃烧过程的理解，从而实现优化燃烧 反应器。 第二章文献综述 文献【9 】中简要介绍了三种湍流燃烧模型：p d f 模型，f i a m e l e t 模型，以及 由m a g n u s s e n 和h i e n a g e r 修正的e b u 模型延伸而来的e d c 模型1 1 u j 。文献中对比 了这三种模型的优缺点，并通过在c f d 软件平台上分别用e d c d r k 模型和 e b u s r k 模型做出燃烧器燃烧时的温度场分布对比了这两种模型的优缺点。 对于长火焰燃烧器的蒸汽裂解炉，物质的浓度场是通过物质输运方程的 平均公式来计算的： 毒c 哪，= 毒俐刳+ 如坂 p ， 其中，口= d 甲烷一氢气燃料混合物的燃烧中平均净物质生产速率尺脚的计算使用了 两种模型：e d c d r k 模型和e b u s r k 模型。 e d c d r k 模型通过e d c ( e d d yd i s s i p a t i o nc o n c e p t ) 模型，并利用详细 反应动力学( d e t a i l e dr e a c t i o nk i n e t i c s ) 考虑了湍流化学反应的相互作用。 e b u s r k 模型是漩涡破碎有限速率方程和简化反应动力学( s i m p l i f i e d r e a c t i o nk i n e t i c s ) 相结合而得的简化模型。当使用e b u s r k 模型时，可以 预测到更快的燃料氧化和产物生成。最高温度的位置转移向喷嘴位置，导 致火焰较小，并且燃烧过程被限制在一个小的区域内。这是非常可能的， 因为当湍流混合速率和反应速率相差不多时，简化模型在正确预测总( 有 效) 燃烧速率时有它固有的缺陷。这表明当燃烧既不满足“快速化学反应 近似，又不满足“慢速化学反应 近似时，总燃烧速率会被高估。由e b u s r k 模型所获得的较小的火焰体积对于预测炉里的温度分布以及其他重要设计 参数例如：耐火墙和加热管管壁的温度，有重要作用。这说明在正常点火 条件下，对于蒸汽裂解炉中的燃烧模型应该采用更加复杂的湍流一化学反 应相互作用模型，如：e d c 模型和更详细的反应动力学。 文献】中用最简单的方法描述燃烧，认为燃烧就是把燃烧开始时的有 效反应物转化为过程结束时的产物。在他们所做的研究中，甲烷和氧气的 燃烧用一个两步的反应机理做模型，其中也考虑了产物和c o 的燃烧。第 一步，甲烷被氧化成c o 和水蒸气，接着在第二步中，c o 被氧化成c 0 2 。 物质传输方程为： 第二章文献综述 毒( 伸) - 云，f + 曩t ( 2 - 2 ) 其中p 是混合物的密度，朋i 。是组分的局部质量分数，r 一是化学反应 生成或者消耗的质量速率，以。是质量扩散通量。 在湍流反应流动中，加t h e n i u s 反应速率和漩涡破碎模型反应速率用以 下方程的形式给出： 屯。q 乒哆却妻最 ( 2 3 ) 墨，t 2q 乒哆彳b p 昙彘 2 - 4 ) 湍流对反应速率的影响是通过m a g n u s s e n 和h j e 渤g e r f l 2 】的模型来加以 考虑的。其中，q 。是在反应七中反应物f 7 的化学计量系数，呓j ，t 是产物。 在反应后中的化学计量系数，朋，代表任意产物p 的质量分数，聊詹代表特 定反应物r 的质量分数，彳和b 是实验常数分别等于4 0 和0 5 。 文献【1 3 】中燃烧模型建立在守恒标量( 混合分数) 和规定的概率密度函 数方法的基础上。输运方程的解决靠混合分数夕，它的方差也以及熵万。 反应标量的平均值用一p 获得。化学计算和硝积分用一个预处理过程 编码来体现，并且假设化学平衡发生在1 6 种物质问。化学反应及计算结果 储存在检查表中，检查表把平均热化学变量( 物质的质量分数，温度和密 度) 和夕，厂“，万的值关联起来。 文献【1 4 】采用一个算例来评估三种湍流燃烧模型：p d f 方法，稳态和 非稳态火焰面模型。首先简要的介绍了这三种模型，然后将其应用于湍流 扩散火焰的模拟。从模型的模拟能力和计算量两个方面评估模型的性能。 对结果的分析和讨论表明，p d f 方法的计算结果都和实验数据符合的最理 想；稳态火焰面模型对主要火焰结构( 如温度，反应物和主要生成物) 的 计算还是令人满意的，但对于中间产物( 如c o 和h 2 ) 和n o ，计算结果 偏大；非稳态火焰面模型得到了很大的改进，计算结果虽然稍逊于p d f 方 法，但和实验数据的符合程度还是比较令人满意的；另一方面，非稳态火 第二章文献综述 焰面仍然保留了稳态火焰面模型计算量比较少的优点，而p d f 方法的计算 量比火焰面模型大两个量级以上，从而得出结论，非稳态的火焰面模型最 适合加以改进，并推广到实际的工程应用问题中去。 文献【l6 】提出了一种湍流燃烧统一二阶矩模型，其特点是对包括反应率 系数的脉动和浓度脉动关联在内的所有关联量都用统一形式的二阶矩输运 方程加以封闭和求解。考虑了化学反应对关联量耗散的影响，代替了已经 提出的两种湍流燃烧二阶矩模型，或用温度指数函数的级数展开近似，或 用单变量概率密度函数乘积模拟联合概率密度函数的近似。用本模型对甲 烷空气射流湍流扩散燃烧进行了数值模拟，将其结果和e b u 模型以及以前 提出的两种二阶矩模型的模拟结果进行了比较，并用美国国家实验室的标 准实验数据加以检验，证实本模型效果更好。湍流燃烧统一二阶矩模型可 用于模拟详细反应动力学，其计算量远小于p d f 方程模型的计算量。 文献【7 】中指出大涡模拟作为一种研究湍流流动和湍流燃烧的有效手段， 在国际上已经得到了广泛的应用。在文章中回顾了大涡模拟( l e s ) 的基本 思想及其实施方法的基础上着重介绍了前人在大涡模拟的亚格子湍流模式 和亚格子燃烧模式中的研究成果，同时给出了采用不同亚格子模式的大涡 模拟在湍流燃烧中的应用实例( 三个二维算例，两个三维算例) ，指出了 大涡模拟在湍流燃烧中的重要作用。为大涡模拟的进一步发展和应用提供 参考。其中所引用的两个二维算例为：p j c l o u c c i 【1 8 】【1 9 】等人对空间发展的二 维平面射流火焰进行了模拟。计算相同工况同时采用f d f 亚格子模式的 l e s ，d n s 和忽略燃烧速度亚格子脉动的l e s ( 记为l e s f d ) 进行计算以 便比较。计算采用均匀网格。其计算结果表明全部流线上f d f 的结果均与 d n s 结果符合良好，因此f d f 模式可能产生的误差会随着计算时间的推进 而逐渐消去，不会滞留在计算结果中。在所有的情况下，l e s f d 模拟的结 果都有较大误差，可以预计，随着d 口数和r p 数的增大，其误差会更大， 这也证明了亚格子模式对l e s 模拟结果准确与否有重要作用。m c m u r t 眄【2 0 j 等人采用线性涡亚格子模式对氢气与空气的二维非预混火焰进行了模拟。 计算中引入了一些简化，网格尺寸和亚格子均方根速度脉动认为是常数， 化学反应采用氢气与空气简化的反应机理。计算域在x 和y 方向都为 卜万，万】，每个网格中线性涡数组的最大维数为1o o ，r p 数为5 0 0 0 。计算给 出了合理的温度场和同一时间的n o 浓度分布。 第二章文献综述 文献1 2 i 】中工业燃气轮机喷嘴的大涡模拟既用于非反应流动又用于反应 流动，其中使用的是非结构化求解。l e s 运用甲烷空气燃烧的简化两步机 理和t f ( t h i c k e nf l a m em o d e l ) 模型。文献中指出以前的很多研究都是对 于扩散火焰的l e s 研究，然而对于预混情况考虑得很少。无限快速化学反 应的假定促成了扩散火焰的l e s 有效应用。但是这些假定不能用于预混火 焰。然而，建造预混燃烧系统中火焰和湍流的相互作用需要跟踪火焰端点 位置，这就产生了一个比大多数扩散火焰都难解决的问题。跟踪火焰的自 然技术可以解决它的内部结构，但是由于预混火焰端点太薄，使得在典型 的l e s 网格上不可能做到这点。所以文献中用了两种方法来增厚湍流火焰 端点。一是把火焰厚度变到o ，增厚火焰端点作为一个薄界面：这是g 方 程方法的原则；二是加厚火焰使得它能用l e s 网格解决，与此同时用相同 的速度增厚未变厚的火焰：这就是t f 模型的原则。 文献1 2 2 】中分析了三种不同的湍流非预混合成气火焰，用不同的方法： e d ( e d d yd i s s i p a t i o n ) 模型，e d c ( e d d yd i s s i p a t i o nc o n c 印t ) 模型和s l f ( s t e a d yl a m i n a rf l a m e l e t s ) 模型，并简要讨论了这些模型。 e d 模型的思想是化学反应作用不明显，而湍流控制着反应速率。事实 上，大多数燃料都是快速燃烧，整体的反应速率是由湍流混合控制的。在 非预混火焰中，湍流缓慢地对流传热与燃料和氧化剂混合，到达反应区内 他们快速燃烧。在这种情况下，燃烧是有限混合，复杂的并且未知的，化 学运动速率就可以忽略。对于简单的反应n g 伊一+ 尸，燃料燃烧速率 由燃料平均质量分数万f ，氧化剂平均质量分数和产物平均质量分数 万p ，以及湍流混合时间i x 来估计。如果湍流模型中采用后一占湍流模型， 混合时间与特定的湍流破碎速率七成倒数关系，燃烧速率为： 1 一一 r ，：a p l - m i n ( 万。，竺垒，b 旦) 。 。f m 髓gl + g 。 ：a p 兰m i n ( 万。，竺垒，b 旦)( 2 5 ) 。七 1 g1 + g 。 、 其中彳和b 是两个模型常数。这个方程中反应速率被不完备的平均物 质限制。如果反应与湍流时间尺度比起来很快的话，这是可以接受的。一 般而言，这个模型太简单了，而不能准确预测湍流非预混火焰的热和组成 第二章文献综述 场，但它对于不同更多详细燃烧模型的最初猜测解法上是很有用的。 e d c 模型的思想是，在湍流中有燃烧就必然有分子混合，例如，小规 模的湍流。根据e d c 模型，化学反应只在已知的良好结构内发生，也就是 小规模微观混合的湍流结构。这些良好结构被看作是完全混合的反应器 ( p s r ) ，其停留时间f 堆，质量分数国木，其中木表示良好结构的数量。他们的 体积分数y 。是湍流性质的函数；反应在良好结构中进行，根据详细的动力 学机理： 矿= o 4 1 ( 兰) 啦，儿：2 1 3 ( 鲁) 班，y 掌= 儿y 5托 建立在良好结构和它周围环境基础上的传质，平均反应速率为： 2 肛尚牝) ( 2 - 6 ) 其中p 是密度，y 是层流动力学黏度。基本假设是如果所限物质的化学 反应时间比f 宰长，则认为化学反应停止。 e d c 模型可以把详细化学反应机理并入到湍流反应流动中，并且当快 速化学反应的假设无效时也可以使用。然而，典型的机理总是很费劲，他 们的数学积分计算起来花费太大。 s l f 模型的基本假设是流体的瞬时热化学状态与已知为混合分数的标 量有关。这样的话，物质的输运方程可以简化为混合分数亭和它的方差亭2 的 输运方程。在s l f 模型下，湍流火焰被看作离散量的总合，稳态层流火焰， 叫做火焰面。各个火焰面被假设为与简单构型的层流火焰有相同的结构。 2 1 3 计算流体力学的求解过程 c f d 的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理 量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来 代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系得 代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值【4 】。 c f d 求解问题的过程中，首先确定能够描述对象流动参量连续变化的 微分方程组，然后通过离散化方法( 如有限差分法、有限元法和有限体积 法) 对连续变化的参量用离散空间和时间的值来表示，使微分方程组转变 第二章文献综述 成代数方程组形式，空间离散位置可用计算网格上的节点描述，最后离散 方程组通过计算机求得结果。 其求解过程如图2 1 所示： 图2 - 1c f d 求解过程示意图 f i g 2 ls c h e m a t i cd i a g r a mo f t h es o l v i n gp r o c e s si nc f d 第二章文献综述 2 2 燃烧机理与燃烧模型 2 2 1 燃烧机理 燃烧是燃料和氧化剂在空间激烈地发生放热化学反应的过程，是一个 物理和化学过程。它包括流体流动、传热、传质和化学反应等分过程以及 这些过程之间的相互影响【2 3 1 。一般地说，燃烧速率与物理过程的速率和化 学过程的速率有关，它可能受物理过程速率的控制，也可能受化学过程速 率的控制，或者物理和化学过程的速率对他都有相当的影响。 通常，按燃烧前燃料与氧化剂是否预混合，把燃烧分为扩散燃烧和预 混燃烧两种基本方式。扩散燃烧是燃料与氧化剂分别进入燃烧区燃烧。实 验证明，这种燃烧方式的特点是化学反应速率大大超过燃料和氧化剂的混 合速率，因此可以做出快速反应的假定：燃料与氧化剂一旦混合，他们之 间的化学反应立刻完成。快速反应的假定意味着燃烧速率为物理过程所控 制，无需再考虑反应速率的大小，因而也不需要对脉动关联项进行模拟。 由此还可以推论火焰区为一极薄的火焰面，在任何时刻和空间上任意一点， 燃料与氧化剂浓度的瞬时值不能同时不为零。然而，对于预混燃烧方式， 即燃烧与氧化剂充分混合后才进入燃烧区燃烧，则不能做出这样的假定。 燃烧模型主要是模拟燃料的燃烧过程，解决燃料的时均燃烧速率，其 目的是进一步求出时均的组分质量分率、密度及温度分布。工业炉中的燃 烧过程一般都属于湍流燃烧过程。与层流燃烧不同，湍流混合与脉动对湍 流燃烧有着重要的影响。气体燃料的氧化反应过程是一种均相的反应过程。 在反应的过程中，可能要经历很多的中间步骤或称基元反应，即使是最简 单的氢的氧化反应也是如此。如要考虑每个基元反应的反应速率，将使模 型的建立变得十分复杂，况且工业上所用的气体燃料往往是多组分的混合 物，其复杂程度可想而知。在实际的燃烧装置中，要考虑的是燃烧的热效 应( 如温度分布) 和气动力效应( 如速度分布) 等。 湍流燃烧模拟最基本的问题是：反应速率的时均值不等于用时平均值 表达的反应速率。由于化学反应，组份方程和能量方程中产生了化学反应 源项。化学反应中组份的生成，消耗率或能量的释放速率是反应物浓度和 反应流体温度的强非线性函数。由于湍流影响，化学反应中组份浓度和温 第二章文献综述 度以及化学反应速率是随时间而脉动，因此在湍流燃烧的数值模拟中，不 仅面临着湍流流动所具有的问题以及脉动标量的输运方程如何处理的问 题，还面临着湍流燃烧所特有的，与脉动量呈确定的强非线性函数关系的 脉动标量即时平均化学反应速率的模拟1 2 4 】。 2 2 2 燃烧模型 2 2 2 1 e d d yd i s s i p a t i o n ( e d ) 模型 l9 7 6 年，m a g n u s s e n 提出涡耗散模型( e d d yd i s s i p a t i o nm o d e l ) 。其基本思 想是：当气流涡团因耗散而变小时，分子之间碰撞的机会增多，反应才容 易进行并迅速完成，故化学反应速率在很大程度上受湍流的影响，而且反 应速率取决于涡团中包含燃料，氧化剂和产物中浓度最小的一个。该模型 的特点是意义比较明确，反应速率取决于湍流脉动衰变速率，并能自动选 择成分来控制速率，因此该模型能用于预混火焰，也能用于扩散火焰【2 5 1 。 由反应r 产生的组分f 的净速率飓，取决于以下两个表达式中的较小值： 砧圳v 和妻唧n ( 志) r l ，r = u t vm 母舻p 毛 ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 其中y p 是任意产物尸的质量分数，垛是特定反应物尺的质量分数，彳 和b 都是经验常数，分别等于4 0 和o 5 。化学反应速率由大涡混合时间尺 度忌占控制，如同s p a l d i n g 的涡破碎模型一样。只要湍流出现( 吖s o ) ， 燃烧即可进行，不需要点火源来启动燃烧。 这个模型的思想是化学反应作用不明显，而湍流控制着反应速率。事 实上，大多数燃料都是快速燃烧，整体的反应速率是由湍流混合控制的。 湍流缓慢地通过对流混合燃料和氧化剂进入反应区，在反应区内他们快速 的燃烧。认为反应速率由湍流控制，因此避开了代价高昂的加t h e n i u s 化学 动力学计算。e d 模型中，每个反应都有同样的湍流速率，因而模型只能用 于单步或是双步整体反应。不能预测化学动力学控制的物质，如活性物质。 一般而言，这个模型过于简单，而不能准确预测湍流非预混火焰的热和 第二章文献综述 组成场，但它对于不同更多详细燃烧模型的最初猜测解法上是很有用的【2 2 1 。 2 2 2 2 有限速率涡耗散模型 有限速率涡耗散模型( f i n i t er a t e e d d yd i s s i p a t i o n ) 是f i n 沁r a t e 模型和 e d d yd i s s i p a t i o n 模型的结合体1 2 6 j 。针对湍流流动计算a 砷e n i u s 速率和混合 速率并使用其中较小的一个，适用于反应数大于2 的情况。 2 2 2 3 涡耗散概念模型( e d c ) 模型 涡耗散概念( e d c ) 模型是涡耗散模型的扩展，它在湍流流动中包括详细 的化学反应机理。它假定反应发生在小的湍流结构中，称为良好尺度。良 好尺度的容积比率按下式模拟： 弘c ；( 玎 ( 2 9 ) 其中宰表示良好尺度的数量； c 容积比率常数- 2 1 3 7 7 ； y - i 垂动粘度； 认为物质在良好的结构中，经过一个时间尺度后开始反应。其中c ，为 时间尺度常数，等于o 4 0 8 2 。 矿= c ( 2 - 1 0 ) 在f l n t 中，良好尺度中的燃烧视为发生在定压反应器中，初始条件 取为单元中当前的物质和温度。反应经过时间尺度f 木后开始进行，由 加r h e n i u s 速率方程控制，并且用普通微分方程求解器c v o d e 进行数值积分。 经过一个f 木时间的反应后物质状态记为y 木。 物质，的守恒方程中的源项计算公式为： ( 2 - 1 1 ) e d c 模型能在湍流反应流动中合并详细的化学反应机理。但是，典型的 机理具有不同的刚性，它们的数值积分计算开销很大f 2 2 j 。因而，只有在快速 化学反应假定无效的情况下才能使用这一模型，例如在快速熄灭火焰中缓慢 第二章文献综述 的c o 烧尽、在选择性非催化还原中的n o 转化。 文献【1 0 1 中采用e d c 模型来模拟非预混非流线形体稳定火焰。实验值与 预测值完全吻合，e d c 模型的性质与p d f 输运模型性质有相似之处。文献 【2 7 】使用e d c 模型来模拟氢气和空气在超音速冲压喷射装置中的燃烧。文献 【2 8 】中在一个中试规模的煤燃烧炉中使用e d c 模型以及还原机理模型，来模 拟混合再燃烧选择性非催化还原过程。文献例采用e d c 模型描述接近破 碎规模的单步燃烧化学。文献使用e d c 模型后处理一份详细的动力学机 制，融合的流量和温度轮廓来自c f d 模拟与单步化学。 2 2 2 4 非预混燃烧模型 在非预混燃烧中，燃料和氧化剂以相异流进入反应区。这与预混燃烧系 统截然不同。在预混燃烧系统中，反应物在燃烧以前以分子水平混合。在相 同扩散率假设条件下，非预混燃烧组分方程可被减少成一个单一的混合分娄妙 的方程。混合分数，用厂表示，是来自燃料流的质量分数。换句话说，混合 分数就是在所有组分( c 0 2 、h 2 0 、0 2 等) 里，燃烧和未燃烧燃料流元素( c 、 h 等) 的局部质量分数。因为化学反应中元素是守恒的，所以这种方法极好。 反过来，质量分数是一个守恒的数量，因此其控制输运方程不含源项。 非预混燃烧模型，并不是解每一个组分输运方程，而是解一个或两个 守恒标量( 混合分数) 的输运方程，然后从预混的混合分数分布推导出每 一个组分的浓度。 平均混合分数的方程为： 昙( 办) + v ( p 矿力= v f 丛哆l + + k ( 2 1 2 ) o l o t) 平均混合分数均方值厂2 的守恒方程： 匀= ( p 2 ) + v ( p 矿厂2 ) = v ( 等v 尹】+ q 从( v 2 7 ) 一o p 妻严+ 。， ( 2 1 3 ) 如果反应系统是绝热的，对于一个单一的燃料一氧化剂系统，质量分 数、密度和温度的瞬时值仅依赖于瞬时混合分数厂。 给定在流域中一点上7 和厂2 的f l u e n t 预测值，由查询表中可获得 第二章文献综述 该点处的时间平均质量分数，时间平均密度和时间平均温度。 非预混燃烧模型已被明确用于模拟进行快速化学反应的紊态扩散火焰 的研究。对这样的系统，该方法有许多点优于有限率公式。非预混模型允 许预测中间( 基本) 组分、溶解效应和严格的紊流化学耦合。因为不需要 解大量的组分输运方程，该方法在计算上很有效。当潜在的假设有效时， 非预混方法要优先于有限率公式。 2 2 2 5 组分p d f 输运模型 组分p d f 输运模型，与e d c 模型类似，当计算中需要考虑湍流反应流 动中的有限速率化学动力学效应时，可以使用它。在适当的化学反应机理 下，动力学控制的组分例如c o 和n 0 。，以及火焰熄灭和点燃都可以得到 预测。应用组分p d f 输运模型的一个限制条件是你必须使用离散解法。 在湍流燃烧问题中，由于化学反应源项具有很强的非线性，用通常的 r e y n o l d s 平均会给方程封闭带来很大困难。p d f 方法是把标量脉动关联矩、 矢量脉动关联矩、标量矢量脉动关联矩以及非线性的化学反应源项的封闭 建立在确定标量和矢量的联合概率密度函数之上，无需模拟，但是p d f 输 运方程本身的分子混合项和随机速度项仍需通过模拟加以封闭【2 4 1 。由于联 合概率密度函数求解的复杂性，使得p d f 方法计算量很大【3 。 p 可以看作是与流体消耗在每一个组分和温度状态的时间分数成正比。 对于n 种组分和温度空间而言，p 有n + 1 维。来源于纳维一斯托克斯方程 的组分p d f 输运方程如下： 昙( p p ) + 善( 肜，j p ) + 啬( 夕& 尸) 一舢恤冲+ 去掣槲 陪4 ， 其中尸是混合物的傅立叶联合p d f ；p 是平均流体密度；是傅立叶 平均流体速度矢量；瓯是组分七反应速率；y 是混合物空间矢量；”是流 体速度波动矢量；以 是分子扩散通量矢量。( ) 代表期望值，( 彳lb ) 是事 件b 发生时，事件彳的条件概率。 如上所示方程中，左侧项是封闭的，右侧项不封闭并且需要封闭。左 侧第一项是p d f 变化的非稳态速率，第二项是由于平均速度场对流导致的 第二章文献综述 p d f 变化，第三项是由于化学反应导致的变化。p d f 输运方法最主要的优 点是高度非线性的反应项完全封闭，无须模拟。右侧的两项代表由于湍流 和分子混合标量对流分别导致的p d f 变化。 湍流标量通量项是未封闭的，在梯度扩散假设下， 一言叫矿用= 丢( 惫詈) 在f l u e n t 中模拟 ( 2 - 1 5 ) “是湍流黏度，是湍流斯托克斯数。在组分p d f 输运方程模拟中， 湍流模型决定着从。由于单点p d f 被描述，关于临近点的信息就丢失了， 而且所有的梯度项，例如分子混合不封闭，必须要模拟。混合模型是至关 重要的，因为当反应物和热扩散同时存在时，燃烧发生在最小的分子结构 里。用p d f 方法模拟混合不直观，是p d f 传输方法中最薄弱的环节。 文献【3 2 】用输运方程的p d f 方法成功预报了湍流预混燃烧中的逆梯度输 运的想象。文献1 33 j 用p d f 方法预报了湍流火焰从点火开始的早期发展阶段。 同时，p d f 输运方程的数值模拟在湍流预混燃烧和湍流扩散燃烧方面的应 用均得到了广泛研究1 3 引。 2 3 辐射传热模型 热量传递的三种基本方式：热传导、对流和热辐射【3 引。热辐射是物体 因本身的温度而向外以电磁波的形式发射能量的现象。任何物体都随时向 周围空间发射电磁波，因热的原因，以电磁波方式释放能量，即热辐射。 只要物体温度高于绝对零度，就会产生热辐射。以热辐射的方式进行物体 间的能量传递，称为辐射换热。辐射换热中伴随能