预测污染物排放的钝头体稳定Nonpremixed火焰

文摘

建设一个稳定的火焰是一个至关重要的发展中实际燃烧系统的设计要求。火焰稳定的钝头体广泛应用于某些类型的燃烧器。冷反应物和热产品的设计促进混合火焰表面提高火焰的稳定性。在这项研究中,钝头体稳定methane-hydrogen火焰燃烧利用稳态层流小火焰单元计算方法结合Reynolds-averaged n - s(跑)的方法。这些被称为桑迪亚喷射火焰和火焰喷射意味着速度不同。湍流模型使用标准k -ϵ模型和化学动力学模拟使用GRI-mechanism 325化学反应和53个物种。感兴趣的意味着被动标量计算与试验测量在不同的轴向位置的火焰。计算值相当良好的协议与实验数据。虽然一些underpredictions观察主要是没有和公司在火焰的下游位置,这些结果与之前是一致的使用更复杂的燃烧模型的研究报道。这些差异的原因是,小火焰单元模型并不足以捕捉有限速率化学效应和剪切湍流具体地说,对于物种与缓慢的时间尺度,如氮氧化物。

1。介绍

燃烧化石燃料对环境有严重的影响和人类。环境和健康相关的问题,如全球变暖、酸雨和海洋酸化将继续在未来几年(1,2]。主要产品从燃烧生成二氧化碳(有限公司₂)和水(H₂O)等主要污染物如氮氧化物(NO)),硫氧化物(),一氧化碳(CO),未燃烧的碳氢化合物(UHC)和粒子物质(PM)。例如,公司的增加₂浓度会捕获大气中的热量,因此,全球平均气温的增加是观察到的3]。氮氧化物和硫氧化物的反应与大气中的水分和秋季酸雨造成严重的健康和经济损失2]。随后,环保法规越来越严格,尽量减少这些污染物。然而,静力学表明的贡献可再生能源如风能、太阳能和水力小于8.4%欧盟委员会的统计数据显示在2008年(4]。因此,取代化石燃料与可再生能源尤其是高能量密度的另一个来源的应用程序,如航空部门不太可能很快。因此,工程师和科学家需要开发更清洁的燃烧系统,满足环境立法的要求,同时保持高效。

混合反应物在维持燃烧是至关重要的。例如,如果混合不均匀,部分地区将有一个更高的等价比率创造口袋与温度升高,导致氮氧化物的形成(5]。此外,贫预混火焰的稳定性会降低效率和燃烧设备的生命周期6]。建设一个稳定的火焰是一个关键的设计要求在发展中实际燃烧系统(7,8]。火焰稳定的钝头体广泛应用于某些类型的燃烧器。冷反应物和热产品的设计促进混合火焰表面,提高火焰的稳定性。

湍流燃烧模型的主要挑战是要找到一个有意义的物理、化学的关闭意味着反应速率, ,在输运方程。这一项是非线性和评估它的平均温度和物种浓度是不合适的10]。RANS-Flamelet-based方法广泛应用于工业和研究对预拌11- - - - - -14和nonpremixed燃烧11,15,16]。尽管其限制,该方法能够预测湍流和化学反应之间的相互作用。因此,这项工作的目的是预测污染物从nonpremixed钝头体火焰稳定。这些火焰调查在以往的实验研究[17,18]。

本文的概述如下。节2,nonpremixed火焰的小火焰单元方法假设和局限性进行了讨论。节3,选择测试火焰。计算的细节部分中讨论4。本研究的结果中讨论部分5。最后,本研究的总结和结论将在上一节中讨论。

2。小火焰单元模型公式

flamelet-based方法的基本原理是假定湍流火焰结构局部一维层流小火焰单元的集合(11]。这种假设是满意的,当火焰特征湍流尺度更大与火焰尺度相比,因此,湍流漩涡不渗透和扰乱火焰结构。偏离小火焰单元政权之间的关系这些鳞片是由丹姆克尔数,定义为 。和分别表示湍流和化学的时间尺度。这些层流火焰特征通常使用被动标量混合分数(),该措施燃料和氧化剂之间的比率。混合分数的值设置为1的燃料和氧化剂的0。

在稳定的层流小火焰单元方法中,感兴趣的意思是标量parametrised使用混合物分数,z和标量耗散率(χ),这是广泛定义为混合物分数turbulence-generated波动的速度消散。标量耗散能打扰的结构由拉伸层流小火焰单元反应区。是指出,在低应变率值,层流小火焰单元的结构类似于平衡态,和在高值,火焰熄灭。在这项研究中使用的计算工具解决了标量耗散率在一个指定的初始值是0.2,不断增加,直到达到最大标量耗散率,或火焰熄灭。标量耗散率, ,被定义为 在哪里扩散系数。标量耗散小火焰单元的变化沿轴。化学计量学的拉伸效果和淬火占据(19]。火焰余温,小火焰单元应变率, ,与标量耗散的位置z化学计量的 在哪里化学计量标量耗散率的化学混合物分数, 。 是应变率,是反向互补的误差函数。

在列表的方法,一组一维瞬态物种质量分数 (4)和瞬时温度 (7)和不同的价值观与详细的反应机制解决占非平衡和有限速率化学效应(11]。这些标量列表作为混合分数的函数和耗散率如下:

物种浓度的瞬时输运方程表示为 第一项(4质量分数)表示的不稳定变化物种, 。第二项代表物种的扩散, 第三项代表的瞬时反应率和 和分别代表了向前和向后反应速率系数。分子量的物种吗α。和分别是向前和向后的化学计量系数。向前和向后的反应速率系数是由阿伦尼乌斯法: 在哪里 , 分别表示preexponential因子和活化能。物种的瞬时化学反应, ,在质量的基础上可以表示为

瞬时温度的输运方程写成 第一项(7表示温度的变化,随着时间的推移。第二项代表温度的扩散T和代表了特定温度和等压热容,分别。第三项代表物种的贡献从生产α。表示物种的比焓α。

感兴趣的Favre-averaged意味着标量然后获得使用的联合概率密度函数z和如下: 在哪里 的概率密度函数是z和,是由 。 关闭使用一个假定的形状和β函数如下(20.]: 在哪里C表示正常化的逆因素并给出的 一个和b表示测试函数的参数,给出的 和 。的方差参数吗 。是由正常化因素 。由一个狄拉克δ给出如下(20.]:

混合物的平均分数, ,从下面的输运方程得到: 动荡的标量通量关闭使用经典的梯度假设,给出的 。表示粘度和表示紊流施密特数。湍流粘度是关闭的 。

平均混合分数差异获得输运方程如下: L.H.条款S表示的时间变化和对流 到右括号考虑分子扩散和动荡的标量运输。第二项表示的生产 ,在未知的是使用梯度模型的假设。第三项的相对湿度S代表耗散率和由 和代表的意思是动能和耗散率,分别。是一个常数由吗= 2 (21]。两个传输方程的意思 是解决和写成 和 标准模型常数(22,23) , , 。

3所示。测试火焰

测试火焰选择测试的小火焰单元方法nonpremixed钝头体火焰中描述(17,18]。燃烧器由中心射流直径3.6毫米,钝头体直径50毫米,显示在图1。燃烧器周围是co-flow隧道用以下尺寸= 305 x 305毫米。主喷射包含一个(按体积50/50%)甲烷和氢气的混合物初始温度293 k。三个火焰被认为在实验中,贴上B3F3A B3F3B, B3F3C不同射流速度的118年,178年和217 m / s。雷诺数 ,定义基于主喷射散装速度和积分长度范围 ,分别是15800、23900和28700。B4F3A火焰的喷射速度最低,被认为是小火焰单元测试方法。选中的火焰的特点列于表1。主要和次要物种浓度测量使用拉曼/瑞利/生活技术在不同径向和轴向位置的火焰(24]。减少热量损失,钝头体上涂了一层陶瓷层。钝头体创建一个循环区大幅提高火焰稳定在一个范围广泛的co-flow和喷射条件(8,25]。这些火焰已经被用于验证不同的燃烧模型等条件时刻关闭(CMC) [26),概率密度函数(PDF) (27,小火焰单元(28]。

4所示。计算的细节

在这项研究中使用的计算工具是商业软件明星CCM +。该工具解决了稳定Favre-averaged传输方程和在(11)和(12)以及它们的物理网格上适当的闭包。湍流模型是使用标准的k-epsilon模型(14)和(15)。PDF是通过假设一个函数(9)。化学动力学的建模使用GRI-mechanism 325化学反应和53的物种。

计算域由二维轴对称与轴向方向和153毫米1000毫米在径向方向如图2。多边形网格类型被选中来构造物理网格与37143个细胞。细胞大小是精炼燃料港口附近捕捉有限速率化学效果如图3。最小的细胞在精致的大小约0.5毫米。

在图的小火焰单元方法4图书馆是由解决瞬时 和 作为一个混合分数和化学计量耗散率的函数。100网格点指定的混合物分数和14个不同的值指定账户的伸展和淬火化学计量的影响。非线性微分稳定复杂流场的控制方程是discretised使用混合有限元方法,拥有稳定的技术解决问题压力速度耦合和非线性对流条件。平均数量得到积分方程(8)。2200次迭代,以确保解决方案的指定聚合如图5随着剩余工资。

5。结果与讨论

计算平均数量比较实验测量(17,18)在三个轴向位置x / D = 0.26, 0.60, 0.90,和1.30,火焰B4F3A,将在这一节中讨论。

再循环区和剪切流创建的钝头体都在模拟如图6。

意思是被动标量,混合物分数, ,和它的方差, ,解决了获取PDF。图7显示了计算径向的变化在不同的轴向位置的火焰。同时,轮廓的视觉检查所示。计算值与测量的协议在所有三个轴向位置。应该注意的是,平均数量与瞬时值通过PDF,因此这将提高预测精度的平均值。

平均温度的径向变化与实验测量结果进行比较,如图8。火焰的轮廓显示发达最高温度为2019 k。这个温度是典型的这种类型的反应物。尽管有一些微小的差异,使用小火焰单元方法的计算值与实验数据吻合较好,轴向位置。相同级别的协议也观察到的主要物种质量分数等 , ,和在这项研究中没有报告。

计算平均值的小物种比较有限,没有实验数据和数据所示9和10。小火焰单元方法已经吸引了这些物种的典型径向剖面。公司处于良好协议的比较上游燃料港口附近。对于轴向位置x / D = 0.60 x / D = 0.90,有些差异是显式地注意到,在径向位置r / D> 12。这种行为可以归因于湍流的影响,需要进一步的调查。的协议与实验测量高度overpredicted在轴向位置大于1.3。

质量分数没有被低估了轴向位置的火焰。与缓慢的时间尺度预测污染物如没有从燃烧系统对湍流燃烧模型是一个挑战。这些结果是一致的早些时候报道研究使用更复杂的燃烧模型。这些差异的原因是,小火焰单元模型并不足以捕捉有限速率化学效应和剪切湍流具体地说,对于物种与缓慢的时间尺度,如氮氧化物。类似的行为是指出在轴向位置大于x / D = 1.3。

6。摘要和结论

本研究的总体目标是使用小火焰单元预测污染物的方法从nonpremixed火焰稳定钝头体和比较的结果与实验测量,准确地说,预测污染物等慢时间尺度也没有。小火焰单元法是一种行之有效的方法,它被用于计算nonpremixed先前的研究和预混合火焰在跑和LES范例。B4F3A火焰的喷射速度最低,被认为测试RANS-Flamelet方法。主喷射包含一个(按体积50/50%)甲烷和氢气的混合物初始温度293 k。湍流模型使用标准k -ϵ模型。使用GRI-mechanism的化学动力学模型,其中包括公司的形成和没有。这种机制包括325种化学反应和53。PDF是通过假设一个函数。计算值是观察到的协议与实验数据还算良好。虽然一些underpredictions观察主要是没有和公司在火焰的下游位置,这些结果与之前是一致的使用更复杂的燃烧模型的研究报道。这些差异的原因是,小火焰单元模型并不足以捕捉有限速率化学效应和剪切湍流具体地说,对于物种与缓慢的时间尺度,如氮氧化物。

数据可用性

大部分的数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。然而,一些没有提供计算数据大小限制。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

引用

1. m .杂粮面包全球变暖:原因,影响和未来公司与旅客出版社,明尼阿波利斯,明尼苏达州,美国,2007年。
2. c . n .巷酸雨:概述和抽象,Nova科学,纽约,纽约,美国,2003年。
3. r·a·霍顿“当代的碳循环中,”论述地球化学d·h·荷兰和k . k . Turekian Eds。,pp. 473–513, Pergamon, Oxford, UK, 2003.视图:谷歌学术搜索
4. 欧洲委员会统计,可再生能源统计,欧洲委员会统计,2010年。
5. d·d·兰金精益燃烧技术和控制爱思唯尔,加州,加州,美国,第1版,2008年版。
6. j . c . Lieuwen辛B.T.,“A mechanism of combustion instability in lean premixed gas turbine combustors,”燃气轮机工程和权力,卷123,不。1,第189 - 182页,2001。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. 马斯里,r .种植,r·巴洛,“湍流nonpremixed火焰的结构揭示了Raman-Rayleigh-LIF测量,”能量和燃烧科学的进步,22卷,不。4、307 - 362年,1996页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. a·r·马斯里比比磨磨蹭蹭的,快r·s·巴洛和c·d·卡特,“阻流体的紊流区燃烧室的结构,“研讨会(国际)在燃烧,25卷,不。1,第1308 - 1301页,1994。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. t . Poinsot和d . Veyante燃烧理论和数值大学出版社,费城,宾夕法尼亚州,美国,2005年。
10. f·a·威廉姆斯,“湍流燃烧”燃烧的数学Ed, j . d . b .主人,页。97 - 132年工业与应用数学学会(暹罗),费城,宾夕法尼亚州,美国,1985年。视图:谷歌学术搜索
11. n .彼得斯在湍流燃烧层流小火焰单元概念,“研讨会(国际)在燃烧,21卷,不。1,第1250 - 1231页,1988。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. 答:色差、f . Galzin和r . Borghi”统一PDF-flamelet湍流预混燃烧模型”,燃烧科学与技术,卷175,不。9日,第1609 - 1573页,2003年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. h . Kolla n . Swaminathan,“紧张的小火焰单元湍流预混火焰,我:制定和平面火焰的结果,“燃烧和火焰,卷157,不。5,943 - 954年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. h . Kolla n . Swaminathan,“紧张的小火焰单元为湍流预混火焰2:实验室火焰的结果,“燃烧和火焰,卷157,不。7,1274 - 1289年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. n .彼得斯“层流扩散小火焰单元模型non-premixed湍流燃烧,“能量和燃烧科学的进步,10卷,不。3、319 - 339年,1984页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. h . Pitsch和n .彼得斯”一致的小火焰单元制定non-premixed燃烧考虑微分扩散效应,”燃烧和火焰,卷114,不。1 - 2,26-40,1998页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. 比比磨磨蹭蹭的,快a·r·马斯里r·s·巴洛和g . j . Fiechtner“湍流non-premixed钝体燃烧器火焰稳定,”桑迪亚报告,1996年。视图:谷歌学术搜索
18. “阻流体流动和壶”,http://web.aeromech.usyd.edu.au/thermofluids/bluff.php。视图:谷歌学术搜索
19. n .彼得斯湍流燃烧、剑桥专著力学,剑桥大学出版社,2000年,英国剑桥。视图:出版商的网站|MathSciNet
20. r . Borghi“湍流燃烧模型”,能量和燃烧科学的进步,14卷,不。4、245 - 292年,1988页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. j . Janicka n·彼得斯,“预测湍流射流扩散火焰发射使用pdf输运方程,”研讨会(国际)在燃烧,19卷,不。1,第374 - 367页,1982。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. n . Swaminathan和k·n·c·布雷湍流预混火焰英国剑桥,剑桥大学出版社,2011年。
23. o . r . Darbyshire动荡的分层火焰造型[博士。论文)英国剑桥,剑桥大学,2011年。
24. a·r·马斯里r . w .种植,r·s·巴洛”Raman-rayleigh测量钝头体稳定的碳氢燃料的火焰,“研讨会(国际)在燃烧,24卷,不。1,第324 - 317页,1992。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
25. a·马斯里和r . Bilger湍流扩散火焰的碳氢化合物燃料稳定虚张声势的身体,“研讨会(国际)在燃烧,20卷,不。1,第326 - 319页,1985。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
26. s·h·金姆和刘贤美哈,“使用关闭条件矩模型的预测没有形成湍流CH₄/小时₂火焰在钝头体。”燃烧和火焰,卷130,不。1 - 2、94 - 111年,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
27. k·肖、d·施密特和马斯河,“PDF模拟湍流non-premixed CH4 / H2-air火焰使用自动减少化学动力学,”研讨会(国际)在燃烧,27卷,不。1,第1080 - 1073页,1998。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
28. m·侯赛因·j·c·琼斯,w . Malalasekera”造型的钝头体nonpremixed火焰燃烧使用耦合辐射/小火焰单元模型,”流、湍流和燃烧,卷67,不。3、217 - 234年,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2018 Nelu Munteanu Shokri m . Amzaini。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。