湍流模型对数值模拟合成气射流火焰的影响 湍流模型对数值模拟合成气射流火焰的影响

湍流模型对数值模拟合成气射流火焰的影响

  • 期刊名字:燃烧科学与技术
  • 文件大小:213kb
  • 论文作者:李祥晟,李国强
  • 作者单位:西安交通大学能源与动力工程学院
  • 更新时间:2020-10-02
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第21卷第2期燃烧科学与技术2015年4月Journal of Combustion Science and TechnologyApr.2015DOI 10 11715/rskxjs. R201406018湍流模型对数值模拟合成气射流火焰的影响李祥晟,李国强(西安交通大学能源与动力工程学院,西安710049)摘要:采用不同的雷诺平均湍流模型数值模拟美国圣地亚国家实验室的合成气(CO、H2、N2按体积比4:3:3混合而成)非预混射流火焰.以实验数据为基础,分析讨论不同湍流模型对数值模拟该射流火焰的影响.结果显示不同的湍流模型对数值模拟结果的影响非常大,其中只有4种模型能够比较精确地模拟岀该火焰.对于 Standard k-ε模型,将模型常数C的值由1.4改为l.60可以显著提升其计算精度,但是同样的改进对于雷诺应力模型并不完全适用.同时,虽然雷诺应力模型计算量比双方程模型大,但并没有得到更好的计算结果.综合考虑计算结果与计算量,以 Standard k-ω模型的模拟效果最好.关键词:雷诺平均;湍流模型;合成气;射流火焰;数值模拟中图分类号:TK16文献标志码:A文章编号:1006-8740(2015)02-0124-07Influence of Different raNs models on theSimulation of Syngas Jet FlameLi Xiangsheng, Li Guoqiang(School of Energy and Power Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049,ChiAbstract: This paper numerically studied the nonpremixed jet flames of CO/H2/N2 fuel(4: 3: 3 by volume)obtained experimentally by Sandia National Laboratories with different RANS models, whose influence on thesimulation was analyzed based on the experimental data. Simulation results illustrate that different RaNS models leadto completely different results, only 4 of which agree well with the experimental data For Standard k-E model, thechange of Cel from 1.44 to 1.60 improves the numerical result observably, while the same change does not completely applicable to Reynolds stress model. At the same time, despite its larger amount of calculation than two-equation models, Reynolds stress model does not obtain more accurate result. In conclusion, Standard k-c modelcan simulate jet flame most accurately with moderate calculationKeywords: Reynolds average; turbulent model; syngas; jet flame; numerical simulation合成气是以氢气和一氧化碳为主要燃烧成分的也方兴未艾混合气体,可以通过天然气、煤、石油、有机物和有机为了硏究合成气燃烧特性以及为相关的数值研垃圾等获得.在生产合成气的过程中,硫、氮等容究提供实验依据, Barbot等2在美国圣地亚国家实易造成大气污染的成分都已经被除去,所以合成气是验室完成了合成气射流火焰(简称“chn火焰”)实种潜在清洁能源尤其近年来,受温室气体二氧验.该射流火焰几何结构简单,非常适合于检验各种化碳排放的限制以及能源短缺的影响,合成气以其可数值计算模型的准确性,详尽的实验数据可以通过其以从生物质能等可再生能源获取和较低的碳排放等网站获得.在此实验的基础上,Kim等分别使用优点受到越来越广泛的关注,对于合成气燃烧的研究稳态层流小火焰樟刑( steady laminar flamelets model)中国煤化工收稿日期:201406-27.CNMHG作者简介:李祥晟(1972—),男,讲师,is@mail.xjtu.edu.cn.通讯作者:李国强,男,博士,讲师,liguoqingfly@l63.com2015年4月李祥晟等:湍流模型对数值模拟合成气射流火焰的影响125和非稳态层流小火焰模型( unsteady laminar flamelets湍流尺度,对于几乎所有的工程应用以及其他高雷诺mode)模拟了该射流火焰,发现两种小火焰模型均能数流动来说是不可能实现的.所以需要过滤掉部分准确地预测火焰的温度场及主要的化学反应组分分或是全部湍流尺度.过滤掉部分湍流尺度的典型方布,其中的稳态层流小火焰模型也将作为本次数值计法是大涡模拟,大涡模拟只计算大尺度脉动,小尺度算的湍流化学模型. frassoldati等则分别用涡耗散脉动仍然采用亚格子模型求解12.相对于直接数值模型( eddy dissipation model)、涡耗散概念模型模拟,大涡模拟的计算量大幅降低,但这样的计算量( eddy dissipation concept model)和稳态层流小火焰模仍然不适于大范围的应用.工程中比较流行的做法型研究了该湍流非预混合成气火焰,其中,涡耗散概是使用雷诺平均( Reynolds average)方法过滤掉几乎念模型的计算结果与实验值吻合较好,稳态层流小火所有的湍流尺度,从而获得一个平均的速度、压力焰模型计算的火焰轴线上的温度偏高,而涡耗散模型场.但是雷诺平均处理过程中会产生多余的未知项的计算结果最差,不论是温度分布还是主要化学反应即雷诺应力项,需要多余的方程来封闭输运方程,也组分分布都明显偏离实验值.Zhao等使用输运概就是所谓的湍流模型.工程上比较流行的湍流模型率密度函数模型( transported PDF model)模拟了该火是双方程模型,即keε模型和kω模型.其中,3种k焰,并建议可以从湍流模型、辐射换热模型以及化学ε模型貝有相似的形式,玓求解湍流动能κ及其耗散反应机理方面进一步改进数值模拟结果. Giacomaκzi速率ε两个模型输运方程,但是它们计算湍流黏性的等用大涡模拟方法硏究了该火焰,同时揭示了其稳方法不同,控制k和ε湍流扩散的湍流普朗特数以及定特性,尽管燃料喷嘴端面非常薄,数值结果显示正ε方程中的生成项与耗散项也不同.2种kω模型也是在这个端面处存在一个小的回流区,并且有漩涡以具有相似的形式.雷诺应力模型分别求解各个雷诺较高的频率从这个回流区脱落到主流中,从而持续地应力输运方程和一个耗散率方程来封闭雷诺平均N维持射流火焰的稳定. Marzouk和 Huckaby以该射S方程,由于需要求解更多的方程,雷诺应力模型的流火焰为基础比较了⑧种合成气化学反应机理的化计算量比双方程模型大.尽管如此,计算精度却受制学动力学特性,其中3种是简化机理( reduced mecha-于其内部的压力应变和耗散率模型.本文考虑了3nism),另5种是骨架机理( skeletal mechanism).计算种压力应变项模型,分别是线性压力应变模型( linear结果表明骨架机理计算结果普遍好于简化机理,尽管 pressure- strain model,简称 RSM LPS模型)、二次压如此,5种骨架机理也均过高地预测了火焰的最高温力应变模型( quadradic pressure- strain model,简称度;另外,不同的化学反应机理对于计算结果的影响 RSM QPS模型)和低雷诺数S-o模型(low- Re stress非常大,这说明在进行化学反应计算前,除了检测计 omega Model,简称 RSM SO模型).更多的关于湍流算区域、网格疏密、时间步长的敏感性外,还应该比及湍流模型的知识请参考文献[12-14较两种或是更多的化学反应机理对于计算结果的影当 Standard k-ε模型用于模拟圆柱射流时响.其他以该射流火焰为依据的数值模拟研究还有 McGuirk等建议将模型常数Cl的值由144改为文献[9-11等¥1.6, Dally等证实了这种改进, Hossain等还发现以上数值硏究大多釆用 Standard kε湍流模型,这样的改进能够提髙计算的稳定性,文献[4-5,10使没有考虑不同湍流模型对于计算结果的影响.本文用的 Standard k-ε模型也均是这一改进后的模型.当也以该射流火焰为依据,研究各种不同的雷诺平均湍雷诺应力模型使用一次、二次压力应变模型时,其耗流模型对于数值模拟的影响,主要包括 Standard kε、散率方程与 Standard k-e模型的类似, Odedra等卟在rnG K-8、 Realizable k-ε、 Standard k-ω、SSTkω等双进行CH4/H2钝体火焰硏究时发现,同样的改进也能方程模型和雷诺应力模型( Reynolds Stress Model,够提髙雷诺应力模型的计算结果.本文包含了这几RSM)种模型改进前后的计算结果对于湍流化学模型的选择,虽然文献巧5]认为层1数值模型流小火焰模型计算的火焰温度偏高,但 Hossain1在其CH4/H2火焰研究中认为,层流小火焰模型计算的湍流是一种非常不规则的流动现象口2,虽然原火焰温度及主组分的质量分数均与实验值吻则上可以通过N-S方程来描述,但是在现有的计算合得较好,所山中国煤化工稳态层流小火条件下,通过直接数值模拟解出空间和时间上的所有焰模型化学小CNMHG37步14组126燃烧科学与技术第21卷第2期分的骨架机理,该机理由 frassoldati等发展而来,Yom=0.22884,2m=0.76363本文使用的是其最新版本1oar=0.007532网格与边界条件燃料入口温度为292K,由CO/H2/N2按体积比4:3:3组合而成,其各组分的质量分数为chn火焰”有两种,分别是A火焰与B火焰,它Ycofuel=0.55446,YH2et=0.02970,们的燃料完全一样,并且具有相同的燃料出口雷诺0.415数,但A火焰的燃料出口平均流速较高,为76ms(B燃料喷嘴直径较小,入口速度很高,在喷嘴壁面火焰的燃料出口平均速度仅为45ms),模拟难度更附近流速变化非常剧烈,这里根据实验测得的速度大一些,本文选择A火焰作为研究对象A火焰的燃值,采用多项式曲线拟合的方法给定燃料入口速度料喷嘴内径d=4.58mm,外径为6.34mm,喷嘴壁厚v(ms)的边界条件,拟合曲线为0.88mm,其火焰图片见图1104786-1.52313R-5.503R2(0≤R<1.:83)简化的网格结构及喷嘴处局部放大的网格结构=643903-10155+54206R2-09669见图2.计算区域以喷嘴中心为原点,轴向延伸(1.83≤R≤2.29)500mm,径向延伸200mm,并且在喷嘴前方为空气式中R是燃料入口边界的半径,mm.图2中在贴近留出20mm的发展段.燃料喷嘴内壁面处网格节点比较密,就是为了捕捉到计算采用商业软件 ANSYS FLUENT数值计算此处变化剧烈的速度前考虑了3套不同疏密程度的网格,分别是144由于实验数据不足,燃料入口湍流强度Ⅰ无法像280(径向网格节点数×轴向网格节点数)、168×速度那样采用虚线拟合的方法给定.这里根据实验380、184×430,对于kE模型和雷诺应力模型,144×测得燃料入口雷诺数Re,通过经验公式获得280网格就可以得到网格无关解,但k-ω模型使用Ⅰ=0.16Re-18=0.6×16700-18=0.047=47%168×380网格才能得到网格无关解.为了统一起见对所有的湍流模型均采用168×380网格 Standard3计算结果与分析k-ω湍流模型的网格无关性验证见图3.计算结果包含11个算例,各个湍流模型计算的火焰温度场见图4,其中括号里的144、1.6分别指上文对模型常数Ca改进前后的模型.表1是各种湍流模型计算的火焰最高温度及最高温度的位置,其中空气入口,0.7m/s实验值的最高温度与最高温度的位置是由实验所测的温度最高的4个数据点按照3次曲线拟合后取极燃料入口,V=F(R)值得到.结合图4、表1可以发现,不同的湍流模型对计算结果的影响非常大.其中, RSM QPS(1.6)模图1chn火焰图2计算区域及网格型计算的火焰长度过长,而 Realizable k-、RNGk-g、Standard k-(1.44)、SSTk-、 RSM LPS(1.44)模型计1600算的火焰长度又太短,能够较好地预测火焰长度的模强x1200型仅有 Standard k-e(1.6)、 Standard k-o、 RSM LPS■实验值(1.6)、 RSM SO模型,尽管如此,它们也均过高地预-144×280168×380测了火焰的最高温度,同时发现,文献[15]中模型的184×43改进确实能够提升 Standard kε的计算结果,但是文献[18]中提到的对雷诺应力模型进行同样的改进也能提升其计算结果的结论并不准确,对于 RSM LPS图3 Standard k-ω湍流模型的网格无关性验证模型,这样的空气入口流速为07ms,温度为290K,空气中QPS模型并不中国煤化,但对于RSM含有部分水蒸气,其各组分质量分数为CNMHG上的温度分布曲线更加简洁」L迎死,另外,使用雷2015年4月李祥晟等:湍流模型对数值模拟合成气射流火焰的影响127诺应力模型计算时要想达到二阶精度,收敛比较困难,需要严格控制其松弛因子.有的松弛因子被调整到比较小的数值,比如动量松弛因子、平均混合分数松弛因子均为0.4,这样能够得到收敛的结果,但收敛的速度很慢,计算量很大,远大于双方程模型.由于算例较多,全面地分析各个算例显得啰嗦繁杂,同时 RSM QPS、 Realizable k-ε、RNGk=ε等模型轴向距离/m的计算结果明显地偏离实验值,所以下文主要针对Standard k-8(1.6)--SST k-corng kStandard k-8(1. 44)Standard k-8(1.6) Standard k-o RSM LPS(1.6)RSM SO这4种计算结果较好的模型做详细的分析a)双方程湍流模型的计算结果讨论20001200轴向距离/m1234567891011模型RSM SORSMQPS I44.- RSM LPS 1.6模型1-11分别对应 Realizable k、 RNG k-8、 Standard A-e(1.6)(b)雷诺应力湍流模型的计算结果Standard k-g(1.44)、SSTk-o、 Standard k-o、 RSM LPS(1.6)图5各湍流模型计算的火焰轴线上温度分布RSM LPS(1.44)、 RSM QPS(1.6)、 RSM QPS(144)、 RSM SO图6是火焰轴线上各主要化学成分的质量分数图4各种湍流模型计算的火焰温度场分布.可以看到主要反应物CO、H2呈现相似的变化表1各种模型计算的火焰最高温度及位置趋势,而主要生成物CO2、H2O也呈现相似的变化趋流模型最高温度K误差K位置m误差m势.所不同的是H2的反应速率更快一些,其质量分实验值193.6数变化曲线的斜率较大,同时H2O的生成速率也更Realizable k-e1928645.5快,图6中显示,H2O的质量分数最大值在0.2m之RnG k-8214.8前,而CO2的质量分数最大值在0.2m之后.4种湍Standard k-e(144)1932.3-6.1140.8-52.8流模型均能较好地模拟主要反应物CO、H2的质量分1921.5布,其中以 Standard k-o模型的计算结果最佳,其曲Standard k-(o20188RSM LPS(1.6)2033.595.1225732.1线几乎穿过所有的实验点.而主要生成物CO2、H2ORSM LPS (1.44)49.2的质量分数变化曲线则与温度曲线相似,质量分数曲RSM QPS(1.6)204581074290.6线最大值之前各模型计算结果非常接近实验点,最大RSM QPS (1.44)19814167.9RSM SO2014.314.0值之后,不同的模型呈现出不同的计算精度Standard k-ε(1.6)、 RSM LPS(1.6)模型开始偏离实验继续观察图5的火焰轴线上的温度分布曲线,除点,虽然 Standard k-o、 RSM SO模型也有所偏离实验了 RSM SO模型在火焰前半段稍微偏离实验数据点点,但偏离的幅度小得多.外, Standard k-(1.6)、 Standard k-o、 RSM LPS(1.6图7和图8是距离燃料喷嘴30d(d是燃料喷嘴这3种模型的计算结果在此处均与实验点吻合得很内径)距离处(此处在火焰最高温度之前)径向温度好.然而,在接近最高温度值以及随后的区域,4种主要化学成分的质量分数分布变化曲线.图中显示模型的预测效果开始变差,其中, Standard k-ω、RSM4种模型均能够模拟出温度沿半径方向先略有升高,So模型计算结果相对好一些,与实验值偏差不大,然后开始降低中国煤化Trdk=e(1.6)模而 Standard k-a(1.6)、 RSM LPS(1.6)模型的计算结果型计算的温度CNMHG值吻合得较在此处偏离实验值较大好,但在温度降低段则比买验值倔咼,直到半径为128燃烧科学与技术第21卷第2期1800实验值Standard k-E(1.6)1500Standard k-8(1.6)Standard k-(eRSM LPS(1, 6)RSM LPS (1.6)RSM SO-- RSM SO轴向距离/m(a)CO的质量分数分布图7距离燃料喷嘴30d距离处径向温度分布0.20实验值Standard k-o凝0.1RSM LPS (1.6)0.12RSM SO0.050.04RSM LPS (1.6)RSMSO00.0050.010径向距离/m轴向距离/(a)CO的质量分数分布(b)CO2的质量分数分布实验值Standard k-8(1.6RSM SO新0.02RSMLPS(L6)RSMSO0(b)CO2的质量分数分布0.008(c)H2的质量分数分布实验值SMLPS(L6RSM SO0.06实验值Standard k-E(1. 6)0.0200.0050.0100.0150.0200.025SM LPS (1.6)径向距离/mRSMSO(c)H2的质量分数分布轴向距离/m实验值d)H2O的质量分数分布andard k-2(1.6)图6火焰轴线上各主要化学组分的质量分数分布RSM LPS (1.6)RSM SO0.02m处,才又开始接近实验值. RSM LPS(1.6)模型计算的温度曲线在温度下降段与 Standard k-ε(1.6)模型的计算结果非常接近.而 Standard k-o、 RSM SO模型计算的温度曲线在半径较大处明显高于实验值,0.010.02径向距离/m相对于 Standard k-gε(1.6)模型,其在此处变化比较平中国煤化工缓,没有很好地捕捉到火焰边缘处温度变化剧烈的特图8距离燃CNMH化学成分的质性.主要生成物CO2、H2O的质量分数沿半径方向也量分数分2015年4月李祥晟等:湍流模型对数值模拟合成气射流火焰的影响呈现出类似的变化规律,不同的是在温度升高段tandard k-ε(1.6)、 RSM LPS(1.6模型能够捕捉到火CO2的质量分数增大得比较剧烈,而HO的质量分焰边缘处温度变化剧烈的特性.主要生成物CO2数并没有明显的增大.这主要是因为H的传递速度H2O的质量分数沿半径方向也呈现出类似的变化规比较快,4种模型均能反应岀这种特性,其中以律.反应物¢O、H2在距离燃料喷嘴50d处的浓度较Standard k-ε(1.6)模型最为突出.对于反应物CO、H2低,对于其质量分数沿半径方向的变化规律的质量分数沿半径方向的变化规律,2种雷诺应力模 Standard k-ε(1.6)、 RSM LPS(1.6)的计算结果远大于型在半径较小处的计算结果比实验值偏大,而实验值,而只有 Standard k-ω模型的计算结果较为Standard k-ω模型的计算结果与实验值最接近,说明准确.该模型能够较好地预测岀燃料的消耗过程.2000图9和图10是距离燃料喷嘴50d距离处(此处实验值Standard k-E(1.6)在火焰最高温度之后)径向温度、主要化学成分质量1600RSM LPS(L6分数分布曲线.在半径大于001m小于0.03m的地RSMSO1200方, Standard k-∞、 RSM SO模型计算的温度分布曲线与实验值比较接近,但在其他地方的计算结果均高于实验值.半径小于0.03m时, Standard k-e(1.6、RSM00.010.020.030.040.050.06LPS(1.6模型计算的温度曲线也过高地偏离实验值径向距离/m但在半径大于0.03m处与实验值较吻合,再次说明图9距离燃料喷嘴50d距离处径向温度分布0.200.15RSM LPS(1.6)RSM LPS (1.6)RSMSORSM SO0.100.0100.010.020.030.040.050.06径向距离/m(a)CO的质量分数分布(b)CO2的质量分数分布0.06RSM LPS(1.6)RSM LPS(1.6)RSMSO0.0.0002(c)H2的质量分数分布(d)H2O的质量分数分布图10距离燃料喷嘴504距离处径向主要化学成分质量分数分布够改进 Standard k-ε模型对该射流火焰的计算精度4结论但同样的改进对于雷诺应力模型并不完全适用,只有对 RSM LPS模型才有类似的结论本文使用各种不同的雷诺平均湍流模型模拟了(2)不同的湍流模型对于计算结果的影响非常合成气射流火焰,通过与实验值比较,分析各种模型大,11个算例中只有4个比较准确地模拟了该射流对于该合成气射流火焰的不同预测效果,得到如下主火焰,它们的v山凵中国煤化工 Standard k-8要结论RSM LPS模CNMHGSO模型,同(1)将湍流模型常数Ca从1.44改为1.6确实能时,计算量大得多的雷诸应力模型并没有得出比双方130燃烧科学与技术第21卷第2期程模型更精确的计算结果.[9 Lysenko D, Ertesvag I S, Rian K E Numerical simula(3)这4种湍流模型的计算精度也各有不同,它tion of turbulent flames using the eddy dissipation con-们均能在火焰最高温度之前较准确地模拟出火焰的cept with detailed chemistry [C]//7th National Confer-温度场和各主要化学成分的浓度场,但火焰达到最高ence on Computatioal Mechanics. Trondheim, 2013温度以后,改进后的 Standard k-g、 RSM LPS模型计13-14算的结果不论是温度还是主要反应物CO、H2的质量10] Azhirovic s, Scharler r, Kilpinen P. Validation of flow分数都过高地偏离实验值,尽管如此,这2个模型比simulation and gas combustion sub-models for the CFDStandard k-ω、 RSM SO模型更准确地捕捉到了火焰based prediction of NO formation in biomass grate fur-边缘处温度的剧烈变化naces[J]. Combustion Theory and Modelling, 2011(4)综合考虑计算结果, Standard k-o、 RSM SO15(1):61-87模型的模拟效果最佳,但 RSM SO模型的计算量比[11] Ranga Dinesh KK J, Jiang X, Malalasekera W.LargeStandard k-ω模型大得多eddy simulation of fuel variability and flame dynamics ofhydrogen-enriched nonpremixed flames [J]. Fuel Proc参考文献essing Technology, 2013, 107: 2-1312]张兆顺,崔桂香,许春晓.湍流理论与模拟[M.北11 Wender I. Reactions of synthesis gas[J]. Fuel Processing京:清华大学出版社,2005Technology,1996,48(3):189-297Zhang Zhaoshun, Cui Guixiang, Xu chunxiao. Theory[2 Barlow R S, Fiechtner G J, Carter C D. Experimentsand Modeling of Turbulence[M]. 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