氫氧加濕燃燒過(guò)程一維數(shù)值仿真

高育科, 彭 博, 胡 巍, 韓新波, 李洪偉, 萬(wàn)榮華

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氫氧加濕燃燒過(guò)程一維數(shù)值仿真

高育科, 彭 博, 胡 巍, 韓新波, 李洪偉, 萬(wàn)榮華

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所, 陜西 西安, 710075)

針對(duì)氫氧燃燒中間加濕過(guò)程, 建立了燃燒摻混及水蒸氣流中冷卻水液滴蒸發(fā)的數(shù)學(xué)模型, 采用歐拉-拉格朗日方法對(duì)燃燒器中氫氧加濕燃燒及冷卻水噴霧蒸發(fā)過(guò)程進(jìn)行了一維(1D)數(shù)值仿真, 得到了燃燒器內(nèi)蒸汽壓力、溫度等物理量分布及冷卻水液滴的運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程, 并針對(duì)含濕量不同的氫氧入口條件及冷卻水工況進(jìn)行了計(jì)算, 分析了各參數(shù)變化對(duì)摻混燃燒過(guò)程的影響, 為氫氧加濕燃燒過(guò)程分析和燃燒室的初步設(shè)計(jì)提供參考。

氫氧加濕燃燒; 數(shù)值仿真; 燃燒器; 噴霧

0 引言

以氫氧為燃料的燃燒室中氫氧燃燒產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)? 為了運(yùn)行安全和得到符合要求的輸出蒸汽工質(zhì), 常通過(guò)噴入冷卻水來(lái)保護(hù)燃燒室和調(diào)節(jié)輸出工質(zhì)參數(shù), 另外在某些應(yīng)用領(lǐng)域, 氫氧進(jìn)入燃燒室時(shí)可能含有一定濕度, 所以其中的過(guò)程涉及一定濕度條件下的含濕氫氧射流燃燒、蒸汽流中冷卻水液滴蒸發(fā)等過(guò)程。本文通過(guò)對(duì)氫氧加濕燃燒過(guò)程和蒸汽流中冷卻水液滴的運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程的分析, 建立了氫氧加濕燃燒的氣相流動(dòng)和液滴運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程的數(shù)學(xué)物理模型, 采用simple算法進(jìn)行氣相燃燒流動(dòng)計(jì)算, 基于軌道模型計(jì)算液相蒸發(fā)過(guò)程, 通過(guò)氣液耦合, 計(jì)算得到燃燒器中各物理量分布及液滴運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程, 并針對(duì)不同工況進(jìn)行仿真計(jì)算, 研究各參數(shù)對(duì)摻混燃燒過(guò)程的影響。

1 工作原理

仿真針對(duì)的燃燒器構(gòu)型如圖1所示, 含濕氫氧射流進(jìn)入燃燒器, 燃燒產(chǎn)生水蒸氣流, 在燃燒后的蒸汽流中摻入冷卻水噴霧進(jìn)行摻混降溫, 通過(guò)噴水不僅可以對(duì)燃燒室起到保護(hù)的作用, 而且可以通過(guò)調(diào)節(jié)噴水條件來(lái)調(diào)節(jié)輸出工質(zhì)的參數(shù)。

圖1 氫氧加濕燃燒器構(gòu)型

2 數(shù)學(xué)模型

氫氧燃燒摻混試驗(yàn)器中的過(guò)程涉及含濕氫氧的射流燃燒及冷卻水噴霧的摻混蒸發(fā)等過(guò)程,燃燒器中氣相數(shù)學(xué)模型由質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒方程構(gòu)成, 液相數(shù)學(xué)模型由液滴的粒徑、速度、溫度變化方程構(gòu)成, 通過(guò)對(duì)液滴各參量的計(jì)算, 得出液滴作用于氣相的質(zhì)量、動(dòng)量、能量源項(xiàng), 將上述源項(xiàng)引入氣相各方程耦合求解, 得到燃燒器中含濕氫氧燃燒及與冷卻水摻混過(guò)程的氣液兩相的完整解。

2.1 氣相模型

質(zhì)量守恒方程

動(dòng)量守恒方程

能量守恒方程[1]

其中,為總焓

,,分別為液相作用于氣相的質(zhì)量、動(dòng)量、能量源項(xiàng)[2], 定義為

2.2 液相模型

液相計(jì)算采用軌道模型, 即在拉格朗日坐標(biāo)系下考察液滴群沿各自軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量損失、動(dòng)量變化和能量變化。計(jì)算中只考慮阻力且假設(shè)液滴溫度均一。

1) 液滴的運(yùn)動(dòng)方程

2) 液滴粒徑變化方程

液滴初始加入時(shí), 其溫度低于環(huán)境壓力下的飽和溫度, 液滴表面由氫氧燃燒后的水蒸氣包裹形成溫度和濃度邊界層, 溫度邊界層中液滴表面和飽和溫度蒸汽界面之間的球殼區(qū)域內(nèi)蒸汽處于未飽和狀態(tài)會(huì)凝結(jié), 而液滴表面蒸汽和蒸汽主流之間的濃度梯度會(huì)導(dǎo)致液滴擴(kuò)散蒸發(fā), 在凝結(jié)和蒸發(fā)共同作用下, 可以假定初始階段液滴質(zhì)量不變, 只有溫度增加而無(wú)蒸發(fā)的過(guò)程, 當(dāng)液滴達(dá)到飽和溫度后, 液滴溫度不變并開(kāi)始蒸發(fā)。

a. 液滴未達(dá)到飽和溫度時(shí)

b. 液滴達(dá)到飽和溫度后

采用Ranz-Marshall關(guān)系式, 可得球形液滴平均數(shù)

由的定義可得

由傳熱與傳質(zhì)的類(lèi)比關(guān)系

可得

假設(shè)=1, 可得

其中,T為飽和溫度。

液滴質(zhì)量為

綜合各式, 得到液滴粒徑平方的變化方程為

3) 液滴溫度變化方程

當(dāng)溫度低于沸點(diǎn)時(shí), 氣相對(duì)液滴進(jìn)行加熱, 溫度升高。溫度變化方程為

氣相與液相之間的對(duì)流換熱

氣相和液相之間的輻射換熱

以上計(jì)算中, 物性參數(shù)隨溫度變化, 且邊界層蒸汽物性參數(shù),,,c依據(jù)1/3定律[4]計(jì)算。

4) 液滴尺寸分布

噴嘴噴霧液滴是連續(xù)分布的, 為進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,必須對(duì)連續(xù)分布的液滴進(jìn)行離散化處理。假設(shè)液滴噴霧尺寸分布符合Rosin-Rammler分布, 將連續(xù)尺寸分布的液相按照該分布分成多個(gè)離散尺寸組, 每組用平均直徑d表示。

3 數(shù)值解法

氣相主方程組的求解基于simple算法[5], 采用交錯(cuò)網(wǎng)格, 分別引入速度、壓力脈動(dòng)值及溫度松弛因子對(duì)各變量進(jìn)行松弛迭代[6], 邊界條件采用速度入口和壓力出口, 利用TDMA算法求解各線(xiàn)性方程組。

采用4階Runge-Kutta法[7]計(jì)算液滴速度、粒徑和溫度變化, 液滴軌道利用線(xiàn)性表達(dá)式計(jì)算[8]

將拉格朗日坐標(biāo)系下的液滴計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化至氣相歐拉坐標(biāo)系下單元格內(nèi), 計(jì)算出源項(xiàng)加入到氣相各方程。先利用simple算法解未加入摻混的氣相各場(chǎng), 待達(dá)到粗收斂時(shí)進(jìn)行液相計(jì)算, 并在各氣相方程中加入源項(xiàng)計(jì)算氣相各場(chǎng), 迭代若干次后, 重新計(jì)算液相參數(shù), 并作為源項(xiàng)加入氣相各方程計(jì)算, 如此反復(fù)多次直至收斂, 上述方法即利用單元內(nèi)顆粒源(particle source in cell, PSIC)方法進(jìn)行氣液耦合計(jì)算[9]。1D計(jì)算程序流程如圖2所示。

圖2 氫氧加濕燃燒過(guò)程1D程序結(jié)構(gòu)

4 計(jì)算結(jié)果及分析

利用文中建立的程序進(jìn)行數(shù)值計(jì)算, 對(duì)化學(xué)恰當(dāng)比燃料流量入口和壓力出口條件下的氫氧摻混燃燒進(jìn)行計(jì)算, 摻混冷卻水垂直燃燒器軸線(xiàn)噴入主流。下文算例中, 摻混水流量變化時(shí), 通過(guò)調(diào)整噴嘴參數(shù)使噴嘴的索特爾直徑保持不變。

1) 含濕氫氧摻混燃燒(氣相分布、液滴變化) 含濕氫氧燃燒且加入摻混水冷卻的燃?xì)鉁囟确植既鐖D3所示(文中圖線(xiàn)涉及物理量軸向分布時(shí), 軸向距離值均由軸向位移與總軸線(xiàn)長(zhǎng)比值來(lái)表示), 同等條件下, 氫氧燃燒溫度高達(dá)3 000~ 4 000 K, 入口燃料含一定濕度條件下氫氧燃燒后溫度只達(dá)到1 460 K, 通過(guò)加入摻混水噴霧冷卻溫度降至1 000 K左右。由燃?xì)馑俣确植紙D4可知, 氣體經(jīng)過(guò)燃燒器前導(dǎo)管時(shí), 速度高達(dá)10~12 m/s且保持恒定, 當(dāng)氣體射流噴出后, 燃燒器截面積擴(kuò)展變大, 平均速度突然降低, 之后由于燃燒溫度增加, 密度減小, 速度也隨之增加, 當(dāng)加入摻混水時(shí), 由于質(zhì)量的加入蒸汽速度略有上升, 直至液滴蒸發(fā)完全后速度保持穩(wěn)定。壓力經(jīng)過(guò)計(jì)算在整個(gè)計(jì)算域內(nèi)幾乎保持一致, 因此可以認(rèn)為燃燒器內(nèi)的過(guò)程是一個(gè)等壓過(guò)程。

圖3 含濕氫氧摻混燃燒燃?xì)鉁囟容S向分布

圖4 含濕氫氧摻混燃燒燃?xì)馑俣容S向分布

由液滴的粒徑和溫度變化圖(圖5和圖6)可知, 初始階段液滴粒徑不變, 即無(wú)質(zhì)量蒸發(fā), 溫度升高, 直至達(dá)到飽和溫度后, 液滴開(kāi)始蒸發(fā), 之后溫度保持飽和溫度不變。液滴初始加入時(shí)軸向初速度為零, 隨著液滴的運(yùn)動(dòng), 其速度不斷增加直至達(dá)到主流速度, 液滴速度變化過(guò)程如圖7所示。液滴初始進(jìn)入時(shí)由于速度較小, 軌跡變化較慢, 隨著速度不斷增加軌跡變化加快, 直至液滴達(dá)到主流速度時(shí), 軌跡變化恒定, 液滴軌跡變化過(guò)程如圖8所示。

不同粒徑的液滴變化規(guī)律表明, 液滴粒徑越小, 蒸發(fā)時(shí)間越短, 蒸發(fā)距離越小, 且隨著粒徑減小, 液滴慣性越小, 速度和溫度變化更快。

2) 不同參數(shù)的含濕氫氧摻混燃燒

不同的氫氧入口含濕條件和冷卻水摻混情況可以改變?nèi)紵鲀?nèi)的各物理量分布, 圖9為在燃料流量相同、摻混冷卻水流量相同、氫氧入口含濕量不同時(shí)燃燒器內(nèi)溫度分布。由圖可知, 燃料含水量越大, 其燃燒后溫度越低, 加入摻混水時(shí)主流溫度越低, 主流達(dá)到平衡溫度所需距離越長(zhǎng), 液滴蒸發(fā)距離越長(zhǎng)。

圖5 不同尺寸液滴粒徑隨蒸發(fā)時(shí)間變化

圖6 不同尺寸液滴溫度隨蒸發(fā)時(shí)間變化

圖7 不同尺寸液滴速度隨蒸發(fā)時(shí)間變化

圖8 不同尺寸液滴軌跡隨蒸發(fā)時(shí)間變化

圖9 含濕量不同時(shí)燃燒器溫度分布

在距入口不同點(diǎn)處加入摻混水對(duì)燃燒器內(nèi)分布也有很大影響, 氫氧入口含水量及摻混冷卻水流量相同的情況下, 分別在距入口不同點(diǎn)處加入冷卻水摻混, 得到燃燒器溫度分布見(jiàn)圖10。不同點(diǎn)處加入摻混水得到的溫度分布不同, 在相同的主流溫度加入摻混水時(shí), 液滴蒸發(fā)距離相同。在燃燒區(qū)加入摻混水時(shí), 溫度由氫氧燃燒生成的熱量和液滴蒸發(fā)吸收的熱量共同控制, 液滴初始加入時(shí)蒸發(fā)吸熱大于反應(yīng)產(chǎn)熱, 燃?xì)鉁囟认陆? 隨著液滴溫度的升高, 質(zhì)量逐漸減小, 液滴吸熱不斷減小直至小于反應(yīng)產(chǎn)熱, 燃?xì)鉁囟戎饾u增加至平衡溫度。由圖10還可知, 在保證燃料含水量和摻混水量一定的情況下, 距入口不同點(diǎn)處摻入冷卻水得到的最終溫度相同, 符合能量守恒。

圖10 不同點(diǎn)處加入摻混水時(shí)燃燒器溫度分布

氫氧入口含水量相同, 在同一點(diǎn)加入不同流量的冷卻水時(shí)燃燒器溫度分布如圖11所示。圖中結(jié)果表明, 不同摻混水量最終的平衡溫度不同, 摻混水量越大溫度越低, 且摻混水量越大達(dá)到平衡所需的距離越長(zhǎng), 冷卻水液滴蒸發(fā)所需距離越長(zhǎng)。

圖11 加入不同量的摻混水時(shí)燃燒器溫度分布

為了燃燒器的安全運(yùn)行和得到符合汽輪機(jī)系統(tǒng)要求的蒸汽參數(shù), 必須選擇合適量的入口燃料濕度和摻混冷卻水流量來(lái)控制輸出蒸汽溫度, 另外為了保證最終蒸汽中液滴完全蒸發(fā), 還必須選擇合理的距離點(diǎn)處加入摻混, 摻入點(diǎn)過(guò)于靠前, 在一定量的冷卻水噴霧作用下氫氧可能無(wú)法點(diǎn)火或者無(wú)法穩(wěn)定燃燒, 摻入點(diǎn)過(guò)于靠后, 會(huì)導(dǎo)致燃燒區(qū)溫度過(guò)高或者出口蒸汽附帶液滴。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析氫氧加濕燃燒及液滴的運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程, 基于文中建立的數(shù)學(xué)物理模型進(jìn)行1D數(shù)值計(jì)算, 得到了燃燒器內(nèi)的氣相分布和液相的運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程, 計(jì)算分析了不同的摻混冷卻方案對(duì)含濕氫氧燃燒的影響, 經(jīng)過(guò)與3D仿真結(jié)果對(duì)比, 液滴蒸發(fā)距離、蒸發(fā)時(shí)間、變化規(guī)律及氣相變化結(jié)果基本相符, 表明文中所建理論和程序的合理性。

通常燃燒室中液滴蒸發(fā)包括燃料液滴的蒸發(fā)和燃?xì)庵欣鋮s水液滴的蒸發(fā)[10], 這2種情況下蒸發(fā)環(huán)境為多元混合物且液滴表面和環(huán)境之間存在很大的濃度梯度, 液滴的蒸發(fā)主要由擴(kuò)散作用所控制, 而本文所涉及的氫氧燃燒后水蒸氣流中液滴的蒸發(fā)過(guò)程, 其蒸發(fā)環(huán)境為水蒸氣流, 蒸發(fā)過(guò)程受控于液滴表面和環(huán)境之間的密度差(濃度差), 也就是由對(duì)流傳質(zhì)所決定, 本文建立的液滴模型對(duì)于認(rèn)識(shí)水蒸氣流中液滴的運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程有重要的指導(dǎo)意義。

利用文中建立的1D計(jì)算程序可進(jìn)行不同結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)下的燃燒器內(nèi)氫氧加濕燃燒過(guò)程計(jì)算, 雖然1D數(shù)值模擬尚不能描述整個(gè)流場(chǎng)的細(xì)節(jié), 但其計(jì)算量較2D和3D仿真大幅減少, 可為初步設(shè)計(jì)提供良好參考, 為后續(xù)研究打下基礎(chǔ)。

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One-dimensional Numerical Simulation of Humidified Hydrogen-oxygen Combustion

GAO Yu-ke, PENG Bo, HU Wei, HAN Xin-bo, LI Hong-wei, WAN Rong-hua

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industrial Corporation, Xi′an 710075, China)

A new mathematical model of humidified hydrogen-oxygen combustion is built to describe combustion blending and cooling water evaporation process. One-dimensional simulation of different hydrogen-oxygen inlet and cooling water conditions are carried out to get the inlet parameters of influencing on humidified combustion by Euler-Lagrange method. The conclusion can provide a reference for analyzing humidified hydrogen-oxygen combustion process and designing combustion chamber.

humidified hydrogen-oxygen combustion; numerical simulation; combustor; atomization

TJ630.32

A

1673-1948(2013)02-0126-06

2012-08-30;

2012-09-12.

高育科(1986-), 男, 在讀碩士, 研究方向?yàn)樗聼釀?dòng)力技術(shù).

(責(zé)任編輯: 陳 曦)