摻氫比對高Ka數(shù)射流預(yù)混湍流火焰的影響

俞森彬，劉?瀟, 2，周?波

摻氫比對高數(shù)射流預(yù)混湍流火焰的影響

俞森彬1，劉?瀟1, 2，周?波3

(1. 隆德大學能源科學系，隆德 22100，瑞典；2. 哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，哈爾濱 150001；3.南方科技大學力學與航空航天工程系，深圳 518055)

在同步多物種平面激光誘導熒光(PLIF)測量的實驗基礎(chǔ)上，采用大渦模擬(LES)湍流模型耦合輸運概率密度函數(shù)(TPDF)燃燒模型，以及44組分及268步CH4化學反應(yīng)機理模擬了CH4/H2/空氣混合氣的不同摻氫比(0，20%，50%)時對高數(shù)下預(yù)混湍流射流火焰的影響．結(jié)果表明，LES耦合TPDF模型可以較為準確地捕捉火焰高度，模擬該類火焰的速度分布、反應(yīng)鋒面CH的分布以及火焰褶皺及局部熄火等現(xiàn)象．隨著摻氫比的升高，火焰高度降低，火焰根部的局部熄火得到顯著改善．相比于摻氫，在未摻氫時，由于其更小的臨界拉伸率及更少的H2與伴生火焰帶來的自由基反應(yīng)的機會，使得火焰根部出現(xiàn)局部熄火更為頻繁．同時進一步發(fā)現(xiàn)，火焰根部的燃燒模式與主燃燒區(qū)域存在很大區(qū)別，火焰根部的擴散作用更為顯著．

分布反應(yīng)區(qū)；局部熄火；燃燒模式；大渦模擬-TPDF燃燒模型；摻氫

近年來，為了更深入地研究預(yù)混湍流火焰在分布反應(yīng)區(qū)內(nèi)的表現(xiàn)，Michigan大學[5-6]，Lund大學等[7]機構(gòu)依靠激光測量平臺相繼開展了細致的實驗研究．Wabel等[8]發(fā)現(xiàn)在數(shù)略超過100的情況下，火焰仍保持著預(yù)熱層被增厚，而反應(yīng)區(qū)仍保持很薄的狀態(tài)，與薄反應(yīng)區(qū)內(nèi)的火焰形態(tài)極為相似．Zhou等[9]則發(fā)現(xiàn)，在分布反應(yīng)區(qū)內(nèi)，CH燃料中與釋熱率有直接聯(lián)系的CH及HCO層有一定程度的增厚．

摻氫作為一種降低排放的有效手段，近年來也受到極大重視[10]．在高數(shù)下的分布反應(yīng)區(qū)中，由于湍流渦尺度與反應(yīng)區(qū)厚度一個量級，H2的高擴散性將會在火焰的發(fā)展中起到很大作用，因此對其的研究顯得尤為重要．為此，Lund大學也開展了一系列的研究．

以上的精細實驗數(shù)據(jù)為進一步發(fā)展及驗證湍流燃燒模型在分布反應(yīng)區(qū)的表現(xiàn)，具有重大的意義．相比于RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)較低的準確度和直接數(shù)值模擬DNS(direct numerical simulation)的昂貴計算成本，大渦模擬LES(large eddy simulation)是一種性價比很高的模擬方法，其可以在接受范圍內(nèi)的計算成本捕捉到較為細致的湍流流場中渦團的運動特征[11]．另一方面，湍流燃燒模型的難點在于如何封閉化學反應(yīng)源項時將湍流和燃燒之間的相互作用考慮在內(nèi)．因為高數(shù)下相互作用很強，需要合適的模型對其進行求解．湍流輸運概率密度函數(shù)(TPDF)模型[12]方法不再對湍流與火焰之間的相互作用進行假設(shè)，因此其可通用在各種類型的燃燒中，包括高數(shù)下的湍流預(yù)混火焰，并且適合處理帶有自點火[13]、局部熄火及再燃等[14]湍流火焰強烈的相互作用的燃燒問題．本文將采用44物種、268步CH4機理，利用LES耦合輸運PDF燃燒模型對Lund大學的LUPJ系列摻氫火焰進行了數(shù)值模擬，驗證LES/PDF模型在捕捉高數(shù)分布反應(yīng)區(qū)內(nèi)火焰的效果，同時分析摻氫比(分別為0，20%，50%)對火焰形態(tài)及燃燒模式的影響．

1?數(shù)值方法

1.1?LES湍流模型

LES中大尺度流動通過直接計算，而小尺度流動通過模型來封閉．經(jīng)過盒式濾波函數(shù)濾波后的質(zhì)量方程、動量方程表示為

其中的二階矩項則通過模型來封閉，其中右邊最后一項即SGS應(yīng)力項用渦黏假設(shè)，即

1.2?PDF燃燒模型

2?實驗及邊界條件

圖1?實驗裝置示意及計算域網(wǎng)格劃分

計算區(qū)域為包含燃燒器及部分外部環(huán)境的倒圓臺，如圖1(b)所示．底面直徑為70，高度70，頂部直徑為105，中央長直管為20．速度入口采用“MAP”的方式從長直管下游距出口5mm處截面獲得速度場值一直輸入到速度入口處，相當于是在無限長的直管內(nèi)流動，以此產(chǎn)生充分發(fā)展湍流．燃燒室底部最小網(wǎng)格尺度為0.03mm，沿軸向及徑向增大，網(wǎng)格總數(shù)約500萬．入口邊界條件設(shè)置為質(zhì)量流量入口，溫度為室溫298K；出口及外側(cè)自由邊界條件設(shè)置為常溫常壓環(huán)境；壁面設(shè)置為無滑移．采用開源軟件OpenFOAM編寫代碼求解上述方程，時間離散采用backward二階方法，空間離散采用高斯線性二階方法求解，壓力速度耦合采用PISO方法求解．

3?計算結(jié)果與討論

圖3為不同摻氫比下幾種中間基(H2、CH、OH)及熱釋放率(HRR)的瞬時結(jié)構(gòu)圖．可以看出，反應(yīng)前置物H2分布在靠近未燃混氣的一側(cè)，而OH則靠近已燃物的一側(cè)，同時CH和HRR在當前高數(shù)下的分布位置幾乎一致，保持較薄的狀態(tài)，可作為釋熱區(qū)的標志物．并且PDF燃燒模型可以很好地捕捉到火焰褶皺結(jié)構(gòu)以及局部火焰孤島現(xiàn)象．隨著摻氫比的增大，H2在上游的分布更加集中，而H2與O反應(yīng)生成的OH也自然更靠近上游，同時介于H2與OH之間的CH反應(yīng)層也更靠近上游，表明H2作為重要的反應(yīng)中間基，也可有效促進反應(yīng)的進行，使得火焰高度變短，根據(jù)質(zhì)量流量守恒，其對應(yīng)的湍流火焰速度也更高，能與更高的來流速度在上游達成平衡．值得注意的是，在低摻氫比下的射流火焰根部，CH及OH的分布均較小，釋熱率也不明顯，表明火焰在高速下有出現(xiàn)局部熄火的可能，而PDF模型正好可以捕捉到這一現(xiàn)象．隨著摻氫比的升高，火焰根部的局部熄火現(xiàn)象得到明顯改善，射流火焰變得更為連續(xù)．未燃混合氣在出口處，由于伴生火焰擴散而來的熱量及自由基能夠加速化學反應(yīng)的進行，而H2具有很高的擴散性，很快就在伴生火焰帶來的熱量下轉(zhuǎn)化成自由基，從而促進火焰在根部的持續(xù)穩(wěn)定燃燒．由此可以推測，方程中的擴散項在火焰根部占據(jù)比較重要的地位．

圖3 瞬時中間產(chǎn)物H2、CH、OH及熱釋放率HRR分布

圖4?平均軸向速度及脈動速度沿軸向的分布

圖5給出了實驗和LES得到的平均及脈動的歸一化CH體積分數(shù)在不同高度沿徑向的分布對比．從圖中可以看出，由于CH信號在火焰反應(yīng)區(qū)外信號較弱，因此其實驗值存在一些噪點．模擬和實驗值對于平均和脈動的歸一化CH體積分數(shù)在上游/＝5、下游＝25這兩個高度上均吻合得很好，雖然對于火焰中部＝15會略為過度預(yù)測其寬度(更寬)，這可能是由于LES模擬中湍流的大渦耗散更快，導致其結(jié)構(gòu)更向外擴張，但其整體的趨勢吻合得很好．總體來看，此模型可以很好地捕捉以CH為代表的火焰反應(yīng)區(qū)鋒面．

圖6顯示了H2在兩個高度下隨進展變量變化的分布．進展變量根據(jù)溫度定義為(－u)/(b－u)，u為外界環(huán)境溫度298K，三者的絕熱溫度b在此很接近，均在1660K附近，在此取層流火焰的1660K作為b．在摻氫比為0時，＝15下，H2隨著進展變量增大先增大后減小，這是由于在＜0.64時，H2作為中間物種被生成，之后則開始被消耗生成其他自由基．而在＝30時，H2則一直被消耗而減少，直至＞0.75被消耗完全．在摻氫比為20%及50%下，兩者則表現(xiàn)出類似的規(guī)律．在/為15和30時，由于出口處的H2含量較高，H2一致被消耗，但在＜0.64前，H2含量減小的斜率較低，這是由于生成CH4一部分中間反應(yīng)會生成H2，使得H2消耗率相較于＞0.64時較低，隨后H2一直到～0.75附近被消耗完全．值得注意的是，不論摻氫與否，H2最終被消耗完全所對應(yīng)的進展變量非常接近，這也表示溫度達到一定高度，H2即被完全消耗．

圖7為3種摻氫比下OH在進展變量空間下的分布．類似的是，在火焰中部位置＝15，OH開始隨著溫度的上升而有一個顯著的上升，且最高點均在～0.7附近，隨后OH則被快速消耗，高溫化學反應(yīng)起更大作用．但隨著摻氫比的上升，OH開始出現(xiàn)的位置不斷前移，即可在較低的溫度下形成OH．這是由于伴生火焰攜帶的熱量及殘余O自由基與摻氫工況下的大量H2發(fā)生一系列低溫化學反應(yīng)，促進了OH的提早出現(xiàn)．這也表明在射流火焰底部，伴生火焰中的自由基擴散及熱量傳輸對穩(wěn)定火焰起到很大幫助．而在更下游位置的＝30，高OH含量全部集中在高進展變量下，且在很窄的范圍內(nèi)，被高溫化學反應(yīng)快速消耗．

圖6?3種摻氫比下H2在不同高度下隨著進展變量的變化

圖7?3種摻氫比下OH在不同高度隨著進展變量的變化

為了說明火焰根部和火焰下游的燃燒模式存在區(qū)別，圖8和圖9分別給出了為5及30，3種摻氫比擴散項與反應(yīng)項的散點分布圖．可以看出，在摻氫比為0時，H2量較小(小于1kg/(m3·s)，但其擴散項大于反應(yīng)項，表明此時的H2主要是來自于伴生火焰帶來的自由基．隨著摻氫比的逐漸上升，H2量明顯上升，且其擴散項逐步和反應(yīng)項處于1個數(shù)量級，并在摻氫比50%時超過反應(yīng)項，說明了燃料中的H2在火焰根部的反應(yīng)中逐步占據(jù)主導地位，進而影響火焰形態(tài)．而CH則在此處一直由反應(yīng)項占據(jù)主導地位，主要由化學反應(yīng)生成而非擴散．不同的是，CO2作為主要產(chǎn)物一直由擴散項占據(jù)主導地位，這是由于火焰根部的伴生火焰接近完全燃燒，大量的產(chǎn)物向射流火焰擴散，而射流火焰此時剛開始燃燒，尚未能生成大量產(chǎn)物．表明火焰根部剛進入燃燒狀態(tài)，并受伴生火焰影響較大．

圖9則說明了在射流火焰的下游，化學反應(yīng)項占據(jù)主導地位(反應(yīng)項為擴散項的數(shù)倍)，包括H2、CH及CO2．尤其是CO2項的分析，表明產(chǎn)物正在此處大量生成．

以上已經(jīng)說明了火焰根部及火焰燃燒主區(qū)域燃燒模式上存在本質(zhì)上的區(qū)別，下面將進一步給出低摻氫比下火焰根部會出現(xiàn)當?shù)叵ɑ鸬牧硪粋€原因，即高的拉伸率會引起火焰熄滅．圖10為未摻氫時火焰根部位置/＝5處的OH體積分數(shù)及溫度隨著拉伸率的變化．從圖中可以看出，隨著拉伸率的上升，OH體積分數(shù)及溫度會有顯著的下降，表明在拉伸率超過一定臨界值后，火焰即有淬熄的可能．而摻氫之后，由于H2的高擴散性使得其臨界拉伸率增大，在本文中三者近似的流動環(huán)境下，摻氫后的火焰更難熄火．

圖8?x/d＝5時3種摻氫比下的輸送項分析

圖9?x/d＝30時3種摻氫比下的輸運項分析

圖10?火焰根部的溫度及OH體積分數(shù)隨著拉伸率的變化

4?結(jié)?論

(1) LES/PDF模型可以較為準確地捕捉火焰高度、火焰結(jié)構(gòu)甚至局部熄火現(xiàn)象．而隨著摻氫比的升高(0、20%和50%)，火焰高度降低，火焰根部的局部熄火明顯改善．

(2) 相比于摻氫，在未摻氫時，由于其更小的臨界拉伸率及更少的H2與伴生火焰帶來的自由基反應(yīng)的機會，使得火焰根部出現(xiàn)局部熄火更為頻繁．

(3) 同時進一步發(fā)現(xiàn)，擴散和反應(yīng)率在火焰根部及下游區(qū)域存在顯著差別，擴散在根部(＝5)作用很大(擴散項與反應(yīng)項大小接近)，而在下游(＝30)反應(yīng)項則起主導作用(反應(yīng)項遠大于擴散項)，由此也使得不同位置處的火焰燃燒模式存在很大區(qū)別.

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Effects of Hydrogen Blending Ratio on Turbulent Premixed Pilot Jet Flame at High Karlovitz Number

Yu Senbin1，Liu Xiao1, 2，Zhou Bo3

(1. Department Energy Sciences，Lund University，Lund 22100，Sweden； 2. College of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；3. Department of Mechanics and Aerospace Engineering，Southern University of Science and Technology，Shenzhen 518055，China)

The effects of hydrogen blending ratio(0，20%，50%) on the turbulent premixed pilot jet flame at a high Karlovitz number were studied using the large eddy simulation(LES) coupled transport probability density function (TPDF) method with the 44-species and 268-reactions chemical mechanism. The results show that the LES/TPDF model can capture flame height，flame velocity distributions CH distributions，flame wrinkling and local quenching. With the increase of hydrogen blending ratio，the flame height decreases and the flame continues at the flame root. Compared with hydrogen blending，local quenching occurs more frequently in the case in which no hydrogen is blended due to the smaller critical strain rate and less chance of hydrogen reacting with radicals from pilot flame. Furthermore，the diffusion at the flame root is far more obvious than that downstream the flame，indicating that the flame modes at different locations could be totally different.

distributed reaction zone；local quenching；combustion mode；LES-TPDF combustion model；hydrogen blending

TK11

A

1006-8740(2021)01-0052-08

10.11715/rskxjs.R201911001

2020-01-28．

國家科技重大專項資助項目(2017-Ⅲ-0006-0031)；黑龍江省博士后基金資助項目(LBH-Z18049).

俞森彬（1990—??），男，博士研究生，senbinyu@163.com．

劉?瀟，男，博士，副教授，liuxiao_heu@163.com.