预测Oxy-Methane火焰辐射传热模拟:考试化学和辐射的敏感属性模型

文摘

测量从局限,层流oxy-methane火焰在不同O₂/公司₂氧化剂的稀释比例首次报道与测量沼气空气火焰中进行比较。这些火焰的模拟采用适当的化学和辐射属性建模选项进行获得洞察实验趋势和评估预测敏感性建模选项的选择。采用基于混合组分的方法,建模的化学涡耗散概念(EDC)和精制全球有限率(FR)模型。辐射特性估计采用四weighted-sum-of-gray-gases (WSGG)模型从不同的光谱/模型制定数据库。混合物分数和EDC模型准确预测火焰长度和哦浓度变化趋势,和O₂、有限公司₂外,温度测量火焰。精制FR化学有限公司的预测模型₂和O₂偏离了火焰的测量值为50%₂在氧化剂。火焰辐射功率的估计相差不到10%混合分数和EDC模型之间但WSGG不同模型之间的超过60%。最大的变化是由二次燃烧气体500 K - 800 K温度范围内的上部分炉也极大地推动了整个辐射传输。

1。介绍

氧气助燃,燃料燃烧的氧气和回收烟气的混合流(主要包含有限公司₂和H₂O),是一种很有前途的近零排放技术,可以适应现有的和新的发电站来减轻人类对气候变化的影响(1]。为了促进现有燃烧器的改造,氧化剂成分和回收比率目前正在优化目标匹配的火焰温度和壁辐射通量过程中遇到空气燃烧通过仔细考虑与替换相关的热影响N₂与公司₂(2]。此外,与公司的参与相关的化学影响₂通过平衡:,也被确定3- - - - - -7]。因此,需要改进模型对气相化学和辐射特性,以前被认为是准确的计算流体动力学(CFD)在空气中燃烧模拟得到了太多的关注在最近的评论(8,9]。这导致了气相辐射属性模型的开发和验证的形式weighted-sum-of-gray-gases (WSGG)系数基于不同的光谱/模型数据库(10- - - - - -13)和动力学参数的改进之前提出全球动力学机制(14,15在oxy-combustion场景中提高预测精度16- - - - - -18]。总结在表1从CFD模拟结果oxy-methane /天然气燃烧雇佣这些精制化学和辐射特性模型。全球动力学研究表明,而雅致,平衡,和减少化学模型被认为是准确预测温度和工业应用的主要气体浓度,详细的化学模型,占离解被发现有必要准确地预测污染物形成如有限公司同样,精制WSGG模型测定气相辐射属性需要精确的辐射传输模型。然而,关键一步量化CFD从使用这些精致的模型预测的不确定性需要同时测量物种的浓度和温度以及辐射传递变量控制下,层流条件,测量精度是量化和最小化。为了解决这个差距,实验测量的辐射传输oxy-methane火焰在不同氧化剂O₂有限公司₂稀释比例是最近出版的19]。保证了测量精度和数据修正会计背景墙排放和计算气体吸收在几个轴向位置。一个圆柱形状的火焰在他们的分析认为,总辐射属性(吸收系数)是基于测量温度和浓度的形式计算。这些都是受雇于视距(1 d)辐射传输计算使用统计窄带(SNB)模型执行RADCAL [20.]。蒙特卡罗光线追迹法来确定因素的各种辐射元素被传感器。1 d分析表明,墙上辐射通量的峰值位于高度对应于60 - 70%的火焰长度和壁辐射通量下降迅速高于火焰的长度。因此,温度和硬币浓度的测量也局限于略高于火焰长度不同的火焰。此外,Ditaranto和Oppelt19)观察到,虽然也获得了类似的热通量分布和辐射率值35%甲烷在空气中燃烧以及O₂-65%的公司₂氧化剂,这些值增加而增加氧化剂O₂浓度。他们将增加归因于更高的火焰峰值温度和增强烟尘的形成率。本研究的目的是获得洞察这些实验观察通过CFD模拟实验条件采用化学和辐射特性模型,以前被认为是准确模拟这些oxy-combustion场景(表1)。具体来说,本研究的目标(1)提供更完整的描述火焰形状和空间变化的温度和气体浓度在整个炉增加辐射传输的保真度计算相比,之前的研究(19),(2)量化的辐射的贡献从的上部分参与气体炉整体辐射传输来提高火焰辐射分数估计因为有限的测量是在这个地区,(3)了解观察实验的根本原因火焰辐射率的变化趋势与氧化剂成分、(4)评估预测敏感性建模选项的选择模拟了考虑三种化学模型和四个辐射属性模型。是特别重视评价这些化学模型,可以预测浓度的微小物种如H,哦,啊,这对确定烟尘浓度至关重要。同样重要的是认识到,这项研究报告的结果提供估计的墙从oxy-methane火焰辐射通量和总辐射功率的环境里turbulence-radiation交互(三)最小化(21]。三是公认的重要性在最近的一项研究由比结et al。22]重大TRI造成相当大的变化在辐射传输预测和杜绝的决心最精确的辐射特性模型。

实验测量从局限,层流(Re 1404)甲烷火焰O氧化剂成分的21%₂-79% N₂,35%的人啊₂-65%的公司₂,50%的人啊₂-50%的公司₂是首次报道在这项研究中,紧随其后的是计算流体动力学(CFD)这些火焰的模拟。气相H的辐射特性₂O和有限公司₂估计使用不同WSGGM oxy-combustion场景,制定使用四个不同的光谱数据库(10- - - - - -13]。所有的WSGGM被实现为用户定义函数(udf)和用于与CFD代码ANSYS流利(23]。此外,气相化学反应进行的建模采用均衡的非绝热的扩展基于概率密度函数(PDF)的混合物分数模型,一个两步全球有限速率化学反应模型修改速率常数,和涡流损耗的概念(EDC)雇佣41-step详细的化学机制,模型被认为是可接受的在oxy-combustion场景中所列在表1。在沼气空气火焰的数值预测,模拟进行用人模式适合在空气中燃烧。

2。方法

2.1。实验条件

图1提供的几何细节炉在这项研究调查。炉由一个圆柱几何的燃油喷嘴直径5毫米的氧化剂喷嘴直径100毫米。这些都是包含在一个不锈钢围墙的燃烧室直径350毫米和1000毫米长度。炉的大尺寸相对于火焰最小化的交互和微扰流的墙上。氧化剂气体被通过一系列穿孔板,以确保均匀的速度分布。里面的不锈钢反应器的墙壁涂上了黑体涂料发射率0.98。温度和气体浓度(有限公司₂阿,₂和CO)概要文件在火焰测量在不同的轴向高度和径向从墙上到附近的外极限火焰被定义为当CO浓度急剧上升。气体与石英调查采样和分析与常规天然气分析仪和温度资料通过横向径向四等距的500μ米珠气体层中的热电偶。获得可靠的物种配置文件在这些小实验室火焰不干扰需要激光诊断,而不应用于该研究。使用抽样调查因此仅限于其测量的地区是可以信任的。

coflow速度和燃料的速度被维持在0.25 m / s, 4.6 m / s,分别。燃料的入口温度维持在288 K的燃料密度与燃料入口雷诺数为1404。有限公司的温度₂供应被观察到的强烈依赖于流速和液体的压力有限公司₂容器由于其灵敏度焦耳-汤姆逊效应。因此,一些温度波动coflow充气观察,因此平均coflow温度288 K是受雇于模拟。虽然这些coflow温度变化能很强烈地影响当地的火焰灭绝和发射特征,他们预期发挥影响最小的结果和结论与辐射传热在本研究报告。更多细节关于实验条件,感兴趣的读者被称为Ditaranto和Oppelt19]。

2.2。CFD建模方法

2.2.1。网和流程建模

CFD模拟使用商业软件ANSYS进行流利(23]。炉在一个二维轴对称建模域利用对称的问题。几何是网状雇佣30700六面体的控制量。进一步细化网格的263000控制量改变不了研究结果。火焰在这项研究确定在活跃的政权,因为他们的层流弗劳德数不到统一(19]。因此,压力速度耦合实现了利用SIMPLEC算法(32]我们已经确定从过去的经验中表现良好在这样浮力驱动外壳流。转眼间[33和快速34计划是用于空间离散化的压力和动量项,分别,因为六面体的细胞被用于计算。强烈的再循环模式观察数值和实验(通过降低气体温度接近墙壁的下行流)。因此,获得稳态聚集在CFD模拟结果比较与实验测量需要利用标准- - - - - -ε湍流模型以及标准壁函数。小火焰检测在这个研究没有经历明显的蔓延,并远离墙壁。先前的调查这些火焰的三21]随着混合物分数非常低的值的方差计算在模拟火焰外还重申,利用模拟的湍流模型是数值稳定和促进收敛只有和很少的轴承在这项研究报告的结果和结论。

2.2.2。辐射模型和边界条件

通过求解辐射传输方程建模的辐射(RTE)采用离散纵坐标(做)模型。角离散化是由雇佣θ3×3×φ离散化。这个角分辨率的充分性通过确定成立的报道变量并没有改变任何进一步的角分辨率的增加。除非另有提到的(例如,在光谱的灵敏度的部分数据库用于评估WSGGM配方)气体混合物的辐射性质都决定采用最近提议WSGG模型(12根据瑞士央行RADCAL]。WSGG模型(五gray-gases)准确计算公司的辐射特性₂和H₂O蒸汽混合物中遇到的场景包括甲烷、天然气或煤air-fired oxy-fired条件下燃烧。

辐射模型的边界条件,不锈钢炉墙的分配一个发射率0.98的内墙上反应堆(19]。外墙(分配一个发射率0.7)被认为辐射到周围的空气在300 K,炉墙温度之间建立了一个能量平衡的净辐射和对流热通量在炉墙和炉墙外的净排放。稳态的nonavailability壁温测量的所有的火焰需要采用物理现实的热边界条件。利用这些边界条件进行验证在我们之前的研究21]。

为了调查的敏感性预测光谱/模型数据库用于WSGGM配方,辐射传输计算进行了完全耦合的方式(与辐射传输反馈能量方程)以及解耦的方式被“冻结”聚合流场,获得了瑞士央行RADCAL WSGGM为基础。

解耦模拟确保所有WSGGM计算进行相同的温度和物种浓度辐射源项的字段和任何差异预测整个模型没有任何进一步的变化转换成热场可以进一步放大/最小化的差异之间的辐射传输的预测模型。然而,耦合计算的结果证实,这些差异的影响辐射WSGG中源项预测模型的温度场与最大最小温度变化通常少于25 K所有火焰。这与我们的观察是一致的在我们之前的研究这些火焰21],我们指出显著差异在综合辐射源项预测量之间的灰色和五个灰色气体配方相同的WSGG模型,但对温度场的影响是最小的。因此,分离的辐射传输计算的结果被发表在本研究的一致性量化WSGG模型之间的差异。类似的比较进行了完全耦合辐射传输(通过使用不同的WSGGM)和我们所有的流场模拟可能导致只有微小的变化这一研究报告的结果而unaltering我们总体的结论。

不同WSGGM调查在这项研究及其模型符号使用本文的数量gray-gases (gg)和光谱数据基地与他们的配方表中列出2。

2.2.3。化学建模

根据最近的研究总结在表1很明显,非绝热的平衡基于PDF的混合物分数模型的扩展,涡流损耗的概念(EDC),和全球有限速率化学(FR)一直被认为是适合模拟的层流过渡oxy-methane火焰在这项研究调查。因此,模拟采用三个模型被用于这项研究检查辐射传输的变化。

FR化学建模研究中采用全球动力学参数进行报道的韦斯特布鲁克和干燥器(WD)机制在阴等。17]。原始的未修改的动力学参数(14)中使用沼气空气火焰而修改的速率常数是受雇于oxy-methane火焰模拟。

在一项研究21),我们认为适当的采用非绝热的配方平衡基于PDF的混合物分数模型(PDF)表示为这些活跃的圈地火焰。火焰长度和温度预测被发现与实验测量以及趋势在不同氧化剂成分和燃料入口雷诺数。在混合分数方法中,流体的瞬时热化学状态与混合分数和焓。这种模式的好处是,通过假设相同物种扩散系数,个别物种保护方程减少到一个“无源”守恒方程混合分数结果取消反应源项的物种由于基本守恒方程。这使我们能够估计小物种的浓度等哦,以及得到准确的预测的火焰温度计算高效的方式而不需要求助于一个详细的化学机制,适用于oxy-combustion条件。化学平衡的假设下,所有热化学标量(物种分数、密度和温度)是唯一相关的混合分数的值(s)和每个质量分数、密度、温度和计算值的测定混合物分数,混合物分数,方差和焓。二十化学物种被认为是平衡计算(CH₄C₂H₂,CH₃C₂N₂C₂H₆C₂H₄C₄H₂C₃H₃HNC C (s)有限公司有限公司₂H₂啊,哦,N₂阿,₂、H、O,何鸿燊₂,和H₂)。一个假定的概率分布函数形状(PDF)是用来描述任何turbulence-chemistry交互的平均值标量瞬间波动值有关。在这项研究中,PDF的形状被测试函数。80点混合分数和方差的混合物分数空间和121点焓的空间是用来进行篡改和PDF模型中集成。

在EDC模型中,化学反应被认为发生在小称为细尺度湍流结构。这是基于湍流能量级联,大漩涡分解成更小的涡流。细尺度然后视为恒压反应堆燃烧发生的地方。物种的浓度由集成计算化学在这些细鳞片。这是由建模的体积分数的这些优良的结构反应发生,和质量传递的时间尺度从精细结构周围流体的湍流动能函数()和湍流耗散率()。然而,EDC的有效性模型仅限于湍流雷诺数大于64 (35,36]。湍流雷诺数是流体密度的函数,距离墙附近的湍流动能,层流粘性的液体(23]。确定湍流雷诺数大于64年的大多数炉内火焰。然而,有一个小的局部区域外的火焰炉的底部附近和测量位置对应一个循环区附近的墙壁,温度从300 K到450 K,这个需求并没有得到满足。然而,这些都不会影响本研究报告的结果和结论因为这个区域的整体辐射传输的贡献最小。在这项研究中,提出的骨骼机制Smooke [37)对甲烷燃烧由33 17物种被用来表示化学反应和EDC相关模型。物种的热量和质量扩散系数测定分子运动论和俗扩散计算也占了。

3所示。结果与讨论

径向温度的测量,有限公司₂阿,₂外的火焰区域是在多个轴向位置的三个火焰,在本研究报告。然后CFD的预测与实验结果进行比较。

3.1。温度

温度轮廓从EDC和PDF模型预测和相应的轴向变化的哦浓度三再保险1404火焰检查在这项研究中在图所示2。轴向哦浓度使我们能够评估火焰长度(21]。这些火焰被报道的实验测量火焰的长度是482毫米,434毫米,373毫米,分别为(19]。温度轮廓和轴向哦浓度显示产生的火焰PDF模型(25 - 50毫米)超过火焰从用人EDC化学模型预测。与实验观察一致,这两个模型预测降低火焰长度,增加火焰峰值温度、浓度的增加哦,增加O₂浓度氧化剂流。

数据3- - - - - -5比较数值温度预测与实验测量沿径向方向四个不同的轴向位置对空气和oxy-combustion病例。轴向中心线()对应于火焰中心。在图3,从所有化学模型预测与实验测量结果吻合较好。模型之间的差异更明显较低的轴向和径向距离靠近中心线轴。法文化学模型通过有限的离解预测温度高于平衡混合物分数和EDC的方法。基于EDC的方法包含多个小的物种可能慢利率的形成和尚未平衡浓度较小的住所时候或较低的轴向距离。因此,其温度从FR模型预测低于和高于平衡PDF方法较低的轴向距离在所有三个火焰。如前所述在图2、火焰长度(或达到的化学混合物分数)下游流离失所的PDF模型计算相比,EDC模型计算。因此,较低的轴向位置混合分数较高的PDF模型预测与EDC相比,模型预测。这与PDF模型假定与热损失完全离解(非绝热的)结果在冷却器温度较低的轴向位置。然而,从所有的模型预测开始收敛于相同的值的居留时间postflame区内达到平衡,当所有的燃烧产物以及燃料精益地区以外的火焰。本协议之间的墙附近的温度测量和预测进一步确认壁边界条件的充分性和墙上的温度预测的模拟。温度预测的趋势oxy-flames如图4和5符合这些观察到图3。oxy-flames,三种化学模型收敛于相同的温度值较低的轴向距离自火焰长度变短,增加氧浓度的氧化剂流(19]。

3.2。有限公司₂

数据6- - - - - -8比较数值的变化有限公司₂浓度(摩尔%干基)对实验测量沿径向方向在四个不同的轴向位置对空气和氧气助燃的病例。对应温度情节,FR overpredicts化学模型有限公司₂较低的轴向距离,因此在小火焰居留时间而EDC,平衡混合物分数模型在大型居住时间收敛到正确的值。较低的轴向距离(或小住宅倍)PDF模型的假设完全离解预测低有限公司₂浓度对FR和EDC化学模型相比。有限速率化学反应模型修改的WD速率常数,而表现良好的35%₂-65%的公司₂oxy-flame, overpredicts有限公司₂浓度在50% O₂-50%的公司₂oxy-flame。这可能是由于这一事实精制动力学参数用于全球有限速率化学反应模型尚未验证火焰中氧浓度氧化剂流是高达50%。

3.3。O₂

图9显示了预测径向变化O₂浓度(摩尔%干基)对实验测量。而合理的协议与实验预测从平衡混合物分数获得方法和EDC模型在所有三个火焰,有限速率化学反应模型修改的WD速率常数,而表现良好的35%₂-65%的公司₂oxy-flame,低估了O₂浓度在50% O₂-50%的公司₂oxy-flame。

3.4。WSGGM光谱/模型数据库的效果

辐射源项()描述中的辐射能量守恒控制体积和进入的总能量()(见方程(1),从而与其他物理过程耦合辐射发生在燃烧模拟(23]: 左边的1),总能量和吗是压力。前三个方面在右边代表“扩散”贡献的总能量方程。”“热导率随着温度””代表了传导的贡献。””和“”代表物种的焓和扩散通量由于物种扩散,并代表能量传递和“”和““流体剪切应力和速度,分别代表了粘性耗散的贡献。””和““体积源项代表与化学反应释放的能量通过辐射交换和能量吸收/发射,分别。

如果“”代表了吸收系数在一个控制体积,”“总入射辐射,黑体的发射能力,那么辐射源项可以计算加法的贡献在乐队”” 的入射辐射(2),通过整合方向强度计算(与波长相关的)乐队”“在所有的方向 一个负值的辐射源项对应于一个净排放。因此体积积分辐射的源项的总辐射能量损失的火焰由于发射和吸收,因此用来确定火焰辐射分数(除以体积的积分(2),燃料热值和质量流率的乘积)。表3比较了体积综合辐射来源(或辐射功率的大小)的预测不同WSGGM(不改变化学模型)。燃料入口雷诺数和化学模型用于计算以粗体表示。量综合辐射来源或火焰辐射功率()被计算为 最大比例的变化所有的火焰也表所示3在两个不同的燃料入口雷诺数。报告的模拟表3都是使用PDF化学模型。最大的百分比变化为每个火焰被计算 最大的变化观察在oxy-flames(大于60%),这些被认为是独立于燃料入口再保险。而先前的研究认为高精度对EM2C (5 gg) (38)和2010 (5 gg) HITEMP模型(13),表3显示了在预测这两个模型之间的显著差异在沼气空气火焰和oxy-methane火焰。

3.5。化学效应模型

表4比较了相应的变化不同的化学模型。所有报告的火焰的辐射特性表4计算采用了佩里(5 gg)模型。法文化学模型通过预测高温由于有限的离解预测显著提高值比EDC和PDF模型。然而,尽管不同的火焰长度和EDC之间的温度预测较低的轴向位置和PDF模型,不同的化学模型之间的不到10%。

3.6。烟尘的影响

辐射的变化源项预测WSGG模型(表中3)使它难以数值确定的辐射率变化趋势在氧化剂流中氧浓度的变化。EWBM (5 gg)和佩里(5 gg)模型预测类似的分数在所有三个氧化剂成分(表3和4)。这些结果通常是一致的观测Ditaranto和Oppelt19)观察到类似热通量分布和辐射在空气中燃烧的分数值以及35% O₂-65%的公司₂氧化剂。EM2C (5 gg)模型预测显著增加辐射分数与氧气组成的增加氧化剂流而HITEMP 2010 (5 gg)模型预测减少辐射oxy-flames分数。

然而,Ditaranto和Oppelt [19)观察辐射的增加一部分氧气组成的氧化剂(超过35%),并将此归因于烟尘初始利率的增加氧气浓度更高,导致烟尘浓度,因此高烟尘排放在富氧火焰39]。为了研究这种影响,Moss-Brookes烟尘的实现模式40在ANSYS流利,主要开发和验证对甲烷火焰是用来预测烟尘体积分数在不同的火焰。我们之前报道的烟尘体积分数预测采用佩里(5 gg) WSGG雷诺数在468年和2340年几个氧化剂成分(21]。在这项研究中,进行类似的计算采用EDC化学模型。相反的扣除Ditaranto和Oppelt19),我们发现烟灰体积分数降低峰值较高的氧气浓度氧化剂可能由于煤烟的氢氧自由基氧化的增加。烟尘浓度高峰值在1404年重新火焰在燃烧空气,35% O₂-65%的公司₂和50%啊₂-50%的公司₂的10⁻²,10⁻³,10⁻⁴分别ppm。因此,由于其低浓度,观察烟尘的存在有一个微不足道的影响火焰辐射功率预测。然而烟尘的形成率已经观察到随着雷诺数的增加而增加,由于居住时间短和不完整的混合。烟灰在辐射传输的影响甲烷燃烧一般协议与我们以前的观测与模拟甲烷池火灾的混合是不完整的。即使在最大烟尘体积分数为0.1 ppm,不到5%的变化观察火焰辐射分数预测(41]。然而,烟尘的影响需要进一步调查以更高的燃料喷射速度。

3.7。墙入射辐射通量

图10显示了入射辐射通量的变化沿墙炉(轴向)的两个oxy-flames(35%啊₂-65%的公司₂)从表3。燃料入口再保险和化学模型用于计算也标题所示。墙上的入射辐射通量(例如,将由一个传感器测量)测定通过集成方向强度的法向分量的半球 的变化WSGGM报道在表中3转化为相应的墙上入射辐射通量的变化通过炉上的辐射能量平衡。炉内的辐射能量平衡意味着辐射源项的积分()炉内的体积等于净辐射通量的曲面积分失去了通过体积的边界。炉的体积是0.098米³而侧壁的面积的炉以及入射辐射通量报告是1.1米²。由于超过10倍的区别这两个数的大小,60%的变化为例,将对应于6%的差异净辐射通量沿侧壁(因为这种变化被分布在整个面积)。因此,平均表面入射辐射通量的变化(从净辐射通量和墙上获得发射)如图10大约是10%。

入射辐射通量的变化(W / m²)在墙上从用人EDC和PDF模型化学模型预测的模拟图所示11。佩里(5 gg)模型来估计辐射特性。类似的变化观察表3和4,WSGG模型的选择对入射辐射通量的预测的影响大于决定之间的化学建模选项PDF和EDC的方法。

3.8。温度变化的区域

为了隔离区域内的反应堆中最强的来源变化WSGG模型,下面的后处理方法是采用完全融合后火焰领域辐射来源方面已经估计整个域。火焰的计算域分为三个区域:温度低于500 K(代表WSGGM温度范围外的有效性的检查在本研究),温度在500 K和800 K(对应于火焰温度外主要包括二次燃烧气体的气体成分和H₂O /公司₂比率几乎是均匀),温度大于800 K。不同温度范围的贡献在PDF模型模拟总结在表5随着平均H₂O /公司₂在该地区的比率。换句话说,结果报道在表3分解在不同的温度区域表吗5。

图12显示相应的变化WSGG模型计算中采用EDC化学模型。在图12,最大百分比的变化被确定为36%、63%、59%,与氧化剂的火焰:空气、35%啊₂-65%的公司₂和50%啊₂-50%的公司₂,分别。因此,变化被认为是独立的化学模型用于模拟。然而,从表5和图12我们看到的最大变化WSGG模型中观察到来自500 K - 800 K温度范围内对应的上部分炉二次燃烧气体。

虽然所有WSGG模型用于这个研究已经验证通过比较对基准/逐行(LBL)数据为典型的问题12,13,38]在1000 K - 2000 K温度范围内,我们的研究结果表明,底层光谱数据库使用的配方之间的变化会导致相应的变化在耦合燃烧辐射传输的预测计算。Lallemant et al。42)观察到一个重要的变化在光谱发射率的预测由于差异/数据库用于发射率的计算模型。最近,一个类似的评估条件的代表oxy-combustion场景是由比结et al。43),然而,在恒定H₂O /公司₂比率和恒温条件(1073 K - 2073 K)。通过比较不同WSGG模型预测的总辐射率公式对那些从2010年HITEMP获得光谱数据库,他们决定了约翰逊的WSGGM配方等。44)是最多才多艺的和计算效率模型,其次是约翰逊的旧模型等。10]。比较对更新WSGGM参数基于RADCAL瑞士央行发表在Krishnamoorthy [12)是不可能进行的关闭时间这两个出版物。然而,在最近的一项研究中,Kangwanpongpan et al。13公布WSGGM相关性基于拟合系数总辐射率从2010年HITEMP LBL数据库。在他们的研究中,辐射热量通量及其散度从逐行(LBL)计算获得的测试用例涵盖大范围的成分不均匀性、非等温媒体,和路径长度和被视为基准。他们提出WSGGM被证明是最准确的配方与基准相比,大的错误与EM2C瑞士央行基于约翰逊模型等。44]。

层流火焰oxy-methane在封闭的环境(比如检查在本研究)的富氧燃烧环境被认为达到温度大于2000 K内火焰,由于火焰长度短,遇到尖锐的温度和物种浓度梯度,导致反应堆温度低于800 K的大部分反应堆的体积(cf数据2- - - - - -5)。因为这些极端的范围以外的条件检查比结的研究等。43)和Kangwanpongpan et al。13在一项研究(相比)和总辐射率22]虽然定向集成数量(辐射通量及其散度)相比,在其他13),这项研究证明了辐射传输的变化预测,可能由于采用不同WSGGM配方在多重物理量CFD模拟火焰。

不同WSGGM认为在这项研究中提出了模型系数为不同H₂O /公司₂比率包括沼气空气和oxy-methane燃烧情况。然而,见表5的不均匀性₂O /公司₂比在火焰(对应温度> 800 K)或采用WSGG模型外部效度的温度下限(温度< 500 K)导致只有20 - 40%之间变化的预测模型。然而,在二次燃烧气体的均匀区域包括500 K - 800 K温度范围内,最大的变化模型中观察到。此外,该地区贡献超过总数的60%和45%2340年1404和再保险再保险oxy-flames分别。之前的研究没有评估的精度不同WSGG配方在这个温度区域针对LBL数据因为这个温度范围通常是不感兴趣的工业场景。然而,在实验室规模封闭的火焰大地区的低温(< 800 K),建模者必须行使谨慎当验证模型预测与实验测量的辐射传输的选择验证辐射属性模型本身可能会导致重大的变化预测。

4所示。结论

目前知识差距存在于我们理解oxy-methane火焰辐射传热的特别是在不同O₂有限公司₂稀释比例受雇于氧化剂流调节火焰温度和辐射通量。火焰温度峰值增加,但火焰的长度减少,增加O₂浓度氧化剂流。这两个因素不仅反对对辐射的热量通量的影响和火焰辐射分数还可以改变墙上辐射通量概要文件和峰值流量的位置。此外,最近的实验观察表明,类似的热通量分布和火焰辐射获得的分数值是在燃烧的甲烷在空气中以及35%啊₂-65%的公司₂作为氧化剂。然而,这些值增加而增加氧化剂O₂浓度是归因于较高的火焰峰值温度和增强烟尘的形成率。本研究的目标是获得洞察这些实验观察通过CFD模拟实验条件采用化学和辐射特性模型,以前被认为是准确模拟这些oxy-combustion场景。此外,本研究还旨在改善火焰辐射功率的估计提供了更完整的描述火焰形状和空间温度和气体浓度的变化,突出预测敏感的选择化学和辐射属性建模选项用于模拟。

雇佣的非绝热的扩展建模的化学平衡基于概率密度函数的混合比例模型,涡流损耗的概念(EDC)雇佣41-step详细的化学机制,和两步全球有限速率化学(FR)模型修改速率常数提出oxy-methane条件下工作得很好。气相辐射属性估计采用不同配方的weighted-sum-of-gray-gases模型(WSGGM)是基于四个不同的光谱/模型数据库。测量和数值预测的还包括沼气空气火焰之下,与执行的模拟采用模型适合甲烷在空气中燃烧。基于本研究的结果可以得出以下结论。(1)与实验观察一致,混合分数和EDC模型准确预测降低火焰长度,增加火焰峰值温度、浓度的增加哦,增加O₂浓度氧化剂流。(2)混合分数和EDC模型预测也在合理的协议与实验测量O₂、有限公司₂,火焰和气体的温度在氧化剂成分。不过,全球有限速率化学反应模型修改的速率常数,同时预测公司₂和O₂O浓度在35%₂-65%的公司₂oxy-flame,偏离了他们的测量值在50%₂-50%的公司₂oxy-flame。这可能是由于这一事实精制动力学参数没有被验证的火焰,氧浓度氧化剂流是高达50%。(3)全球有限速率化学反应模型通过有限的离解预测温度高于混合分数和EDC方法。尽管差异之间的温度预测EDC和混合分数模型内的火焰以较低的轴向位置,这两个模型之间的火焰辐射功率的估计相差不到10%。这是归因于事实EDC的模型预测火焰温度高,但较短的火焰比混合物分数模型,温度预测模型之间的差异最小的地区外的火焰和更高的轴向位置,和辐射功率50%以上的贡献来自这些区域以外的火焰温度之间的预测模型是几乎相同的。(4)不同的光谱/模型数据库受雇于WSGGM配方导致超过60%体积的变化综合辐射的所有oxy-flames源项预测。相应的变化沼气空气火焰约35%。这些变化被认为是独立于燃料雷诺数(2340年1404年,再保险)和化学模型(EDC,混合物分数)用于模拟。WSGG中这些变化在辐射分数预测模型被确定是最强的上层部分的二次燃烧气体的反应堆温度在500 K和800 K和气体成分几乎是同质的。(5)虽然所有WSGG模型用于这个研究已经验证通过比较对基准/逐行(LBL)数据为典型的问题一般1000 K - 2000 K温度范围内,因此,我们的研究结果表明,在较低温度(500 K - 800 K)显著预测这些模型之间的差异可能会出现由于底层差异光谱数据库用于他们的配方和发射率曲线拟合过程。这些变化所带来的辐射传输的变化预测将取决于这个温度范围的部分贡献的整体辐射传热。这部分贡献会很大(> 50%)从小型层流过渡火焰在封闭域在这项研究中观测到的。(6)这些变化在辐射中源项预测WSGG模型难以数值确定了辐射率的变化趋势与氧化剂流中的氧浓度的变化。EWBM (5 gg)和佩里(5 gg)模型预测类似火焰辐射分数在所有三个氧化剂成分。这些结果通常是一致的观测Ditaranto和Oppelt19)观察到类似热通量分布和辐射在空气中燃烧的分数值以及35% O₂-65%的公司₂氧化剂。EM2C (5 gg)模型预测显著增加辐射分数与氧气组成的增加氧化剂流而HITEMP 2010 (5 gg)模型预测减少辐射oxy-flames分数。(7)虽然这些辐射源项预测的变化没有显著影响气体温度的预测(最大温度变化通常在25 K不同WSGGM)中,他们有一个轴承的入射辐射通量(将由一个传感器测量)预测在墙上通过整体辐射能量平衡。(8)在高温区域内的火焰(K),表现出强烈的温度梯度和H急剧变化₂O /公司₂比例,相应的体积变化综合辐射中源项预测WSGGM大大减少。因此,当辐射是由高温气体(> 1000 K),入射辐射通量在墙上可能不是非常敏感的选择WSGGM受雇于仿真如上所述在之前的半成品规模的模拟炉(27]。(9)由于低煤烟体积分数预测模拟,烟灰在辐射传输的影响预测和结论在本研究报告确定为可以忽略不计。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究部分由一个ND EPSCoR新教师启动奖博士在Krishnamoorthy。马里奥Ditaranto BIGCCS中心是由挪威研究项目在执行环保能源研究中心(FME)和承认以下合作伙伴为他们的贡献:康菲石油公司,Gassco,外壳,挪威国家石油公司,,法国燃气苏伊士集团和挪威研究理事会(193816 / S60)。

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