, 钟晨1, 谭传智2, 刘校兵21. 重庆大学 汽车工程学院, 重庆 400044;
2. 重庆长安汽车股份有限公司, 重庆 400023
收稿日期：2016-01-20
基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目(51405045)；重庆市科技计划项目基础科学与前沿技术研究专项一般项目(cstc2016jcyjA0494)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(CDJZR14110002)。
作者简介：谢翌(1983-)，男，重庆人，重庆大学副教授。
摘要：采用二维轴对称的仿真方法对JHC实验中的第二级MILD燃烧进行数值模拟, 研究了燃料体积流量不变时, 掺氢比对甲烷-氢气湍流扩散火焰的影响规律.结果表明:随着掺氢比增加, 燃料与氧化剂的混合程度逐渐提高, 混合气体的总流速及其径向分量不断减小, 火焰锋面逐渐向氧化剂侧倾斜, OH自由基的最大质量分数呈现出先上升后下降的趋势; 在燃烧温度方面, 虽然MILD燃烧主要放热反应区域内的燃烧温度随掺氢比的增加不断增大, 但当掺氢比大于20%时, 掺氢比的进一步提高对最高燃烧温度影响很小.
关键词：MILD燃烧掺氢比速度分布温度分布OH自由基分布
Effect of Hydrogen Content of CH4-H2 Mixture on Structure of Turbulent Diffusion Flame Under MILD Condition
XIE Yi1
, ZHONG Chen1, TAN Chuan-zhi2, LIU Xiao-bing21. School of Automotive Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China;
2. Chongqing Chang'an Automobile Co., LTD, Chongqing 400023, China
Corresponding author: XIE Yi, E-mail: claudexie@cqu.edu.cn
Abstract: MILD combustion in the second stage of JHC experiment was simulated by using two-dimensional axisymmetric numerical simulation method. The influence of hydrogen content of CH4-H2 mixture on the turbulent diffusion flame was studied under the condition of constant volume flux of fuel mixture. The results show that the mixing between fuel and oxidant augments, the velocity magnitude and its radial component falls down with the increase of hydrogen content of fuel mixture. In addition, as the hydrogen content of fuel mixture goes up, the flame front gradually leans to the oxidant side and the max mass fraction of OH free radical goes up firstly and then goes down. As for the combustion temperature, although the combustion temperature in the main exothermic reaction zone increases with increasing the hydrogen content of fuel mixture, the influence of hydrogen content on the temperature is very small when it is over 20%.
Key Words: MILD combustionhydrogen content of fuel mixturevelocity distributiontemperature distributiondistribution of OH free radical
近年来国际燃烧领域提出了许多新兴的燃烧方式, 其中MILD(moderate & intense low-oxygen dilution)燃烧方式能在保证高燃烧热利用效率的同时, 实现极低的NOx排放, 被认为是最具发展前景的燃烧技术之一.MILD燃烧被定义为在中度或极度低氧条件下的温和燃烧方式[1], 通常为扩散燃烧, 燃烧过程中不存在局部高温区, 为无焰燃烧.由于MILD燃烧具有反应速率低、局部放热少、热量分布均匀、温度峰值低等特点[2], 自提出以来, 迅速得到了广泛关注.近年来, 国内外学者针对MILD燃烧开展了一系列的相关研究.其中, Plessing等[3]研究了炉膛内的FLOX燃烧器的燃烧混合过程, 结果表明，当燃料与氧化剂化学反应速率低于混合速率时, 反应区为低放热率和低Damkohler状态.Tsuji等[4]研究表明，MILD燃烧发生在充分搅拌的反应容器中, 快速反应模型不再适用.李鹏飞等[5]研究了氧浓度对甲烷-氢气射流火焰的影响, 证明MILD燃烧具有稳定、易维持的特点.Mi等[6-7]对MILD燃烧的研究表明，主流Re数对无焰燃烧建立具有重要作用, 通过提高射流初始Re数, 可在无预热空气条件下实现MILD燃烧.
对MILD燃烧的研究, 目前集中在改变燃料以及入口条件方面, 关于燃料掺氢对MILD燃烧的影响, 报道较少.在这些报道中，Yu，Sabia等[8-9]的研究具有一定的代表性.Yu等[8]将燃料掺氢与MILD燃烧结合, 研究了掺氢对排放的影响; Sabia等[9]研究了MILD条件下掺氢对甲烷燃烧火焰动态特性的影响, 发现随着氢气组分增加, 反应区内化学震荡幅度显著降低.为进一步了解MILD条件下, 燃料掺氢对烃类燃料燃烧特性的影响, 本文基于Dally等[10]的JHC实验模型, 采用仿真方法, 研究了掺氢比对MILD燃烧条件下甲烷-氢气的湍流扩散火焰的影响情况.
1 数值仿真模型1.1 几何模型本研究主要基于Dally等[10]的JHC实验进行, 其中燃烧器的结构如图 1所示.本文的研究模型将基于JHC实验的第二级MILD燃烧.根据第二级燃烧器结构, 本文建立了如图 2的仿真模型.图 2中, 轴向为X轴, 径向为Y轴, 燃烧器出口截面X=0, 计算域下边界Y=0;计算域长500 mm, 宽210 mm, 为二维轴对称结构; 燃料入口圆管直径为4.25 mm, 氧化剂入口外圆管直径为82 mm, 两圆管壁厚均为0.3 mm.为了更好地模拟第二级MILD燃烧, 在模型中加入空气入口, 其外边界直径为420 mm.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 燃烧系统结构Fig.1 Schematic diagram of the combustion system |
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 计算域(mm)Fig.2 Computational domain |
1.2 物理模型本文基于二维轴对称的RANS模型进行求解.湍流模型方面, Christo，Mardani等[11-12]将标准k-ε模型中的系数Cε1调整为1.6后, CFD的仿真结果与JHC实验的测量结果更加吻合, 故本文采用标准k-ε模型, 配合标准壁面函数, 并将经验常数Cε1调整为1.6, 以此来模拟湍流.化学反应方面, 本文拟采用EDC涡耗散模型结合GRI MECH3.0[13]化学反应机理模拟掺氢条件下甲烷-氢气的MILD燃烧过程.此外, 由于辐射传热对JHC扩散火焰没有显著影响[11], 所以本文在仿真时忽略火焰辐射传热.
1.3 网格划分本文采用结构化网格对其进行划分.由网格无关解验证可知, 最终计算网格数约为7万, 壁面最大Y+值为10, 网格划分结果如图 3所示.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 计算网格Fig.3 Computational mesh |
1.4 边界条件及计算方法由JHC实验[10]可知, 第二级燃烧装置中心圆管为燃料通道, 在本研究中燃料为甲烷和氢气的混合气体; 中心管和外圆管之间为氧化剂通道, 其组分包括氧气、水蒸气、二氧化碳以及氮气, 其质量分数如表 1所示; 外圆管外侧区域为JHC实验中空气流通区域.在边界条件方面, 为了与JHC实验条件一致, 燃料、氧化剂以及外流空气入口均采用速度入口边界条件, 三者的速度为66, 3.2, 3.2 m/s, 静温为305, 1 300, 300 K.气体出口包括计算域的上边界和右边界, 由JHC实验可知, MILD燃烧在大气中进行, 故计算域出口采用压力出口边界条件, 出口静压为标准大气压.计算域的下边界为整个计算域的对称轴, 采用轴边界条件.此外, 各固壁面均采用无滑移壁面边界条件.本文改变了燃料中氢气的质量分数, 使其在5%到25%之间变化, 以此来研究燃料中掺氢比对MILD燃烧的影响.
表 1(Table 1)
 表 1 燃料和氧化剂入口组分Table 1 Composition of fuel and oxidant
| 表 1 燃料和氧化剂入口组分 Table 1 Composition of fuel and oxidant |
为提高仿真的计算精度, 本研究对控制方程各项的离散均采用高阶格式, 其中压力项采用二阶格式, 速度、湍流等其他项的离散采用QUICK格式.速度和压力的耦合采用SIMPLE算法.在计算收敛判断方面, 本研究收敛标准如下:(Ⅰ)计算中各项的绝对残差为10-6量级; (Ⅱ)X=30 mm, 60 mm, 90 mm截面, CO2质量分数最大值、温度峰值随迭代步数增加的相对变化量小于2%.
1.5 实验结果与CFD方法对比为验证仿真方法的可行性, 采用本文的计算方法对文献[9]实验中的氧气质量分数wO2为3%的工况(该工况下MILD燃烧最为明显)进行了仿真, 并将X=30 mm横截面处的燃烧温度及OH质量分数计算值与测试结果进行了对比(见图 4).由对比可知, 在燃烧器出口垂直于流动方向的截面上, 计算值与实验值变化趋势一致, 且相差不大.其中, CFD计算温度与实验测试温度的平均相对误差为4.6%, 最大相对误差为16%.实验测得的OH质量分数在燃料射流中心位置附近(Y＜6 mm)高于CFD计算值.这是因为高温氧化剂通过燃烧器壁面将热量传递给燃料, 导致燃料的化学反应提前, 从而提高了射流出口附近的OH质量分数, 而CFD仿真没有考虑这一现象.在OH质量分数的计算误差方面, CFD计算值与实验测试值的平均相对误差为29.6%.由此可知, 本文的数值仿真方法能够较为精确地模拟MILD条件下甲烷-氢气的湍流扩散燃烧.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 X=30 mm处径向温度和OH质量分数径向分布Fig.4 Temperature and OH mass fraction distribution along radial direction at the X=30 mm cross section |
2 结果与讨论2.1 MILD燃烧扩散火焰分析当氢气质量分数为10%时MILD燃烧特征明显, 故本文以此为例对掺氢后的MILD燃烧进行分析.10%掺氢比模型在不同轴向位置处的速度和径向速度沿径向的分布如图 5所示.图中, 左侧纵坐标为气体的径向速度vr, 右侧纵坐标为总速度v.由图 5可知, 随着流动的发展, 射流剪切层逐渐扩张, 燃料逐渐与氧化剂混合反应, 速度逐渐降低.在X=30 mm截面处, 燃料射流中心最高速度为71 m/s, 而在X=90 mm截面位置, 射流中心最高速度为29.5 m/s.在径向速度方面, 气体径向速度的分布呈现出增加—减小—增加—减小的趋势.在X=30 mm截面处, 当Y＜3.9 mm时, 气体径向速度为正, 这表明燃料逐渐向氧化剂侧扩散, 其中当Y＜2.2 mm时, 受燃料浓度梯度逐渐增加的影响, 燃料气体的径向速度沿径向逐渐增加, 扩散作用逐渐增强, Y=1.73 mm时, 燃料质量分数沿径向的梯度达到峰值(其中, 甲烷为0.16 mm-1, 氢气为0.02 mm-1)，此时, 气体径向速度为最大, 其值为0.65 m/s.当径向距离在Y>3.9 mm区间变化时, 气体径向速度为负, 且在经历增加—减小后, 逐渐趋于0.这说明在Y>3.9 mm区间, 气体的流动状态主要为氧化剂通过剪切层向燃料侧扩散, 当Y=6.61 mm时, 向燃料侧扩散的径向速度达到最大, 其值为-1.07 m/s, 由此可知, 在X=30 mm截面位置处, 主要放热反应发生在剪切层中.随着轴向距离的增加, 剪切层逐渐向外扩散, 燃料和氧化剂沿径向的浓度梯度逐渐降低, 扩散速度逐渐减缓, 故径向速度的正、负最大值不仅逐渐减小, 且位置也逐渐向氧化剂侧偏斜.在X=60 mm, X=90 mm位置处, 向燃料侧的径向速度最大值分别为-0.76 m/s, -0.54 m/s, 其径向位置Y分别为10.32 mm, 14.44 mm.这表明随着轴向距离的增加, 主要放热反应的径向位置穿过剪切层向氧化剂侧偏移(X=60 mm, X=90 mm位置外剪切层径向距离分别为10.32 mm, 14.03 mm).
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 10%掺氢比下, 不同轴向距离位置气体速度及其径向分量沿径向的分布Fig.5 Radial profiles of velocity magnitude and its radial component at different X cross sections under Case 2. |
10%掺氢比模型在不同轴向位置处的温度沿径向分布如图 6所示.当Y＜24 mm时, 在相同截面位置, 随着径向距离的增加, 气体温度呈现出先增大后减小, 最后趋于1 300 K的分布规律.X=30，60和90 mm位置处, 最高温度点的径向位置Y分别为7.02，10.73和14.85 mm, 这再一次表明MILD燃烧的主要放热反应位置由射流主体段内部剪切层边界逐渐向氧化剂侧偏移.此外, 由于氧化剂中氧气的质量分数仅为3%, 这有效地控制了燃料的反应速率, 限制了燃烧的放热速率, 最终导致MILD燃烧反应区域内的最高燃烧温度沿轴向变化不大.X=30，60和90 mm位置处, 10%掺氢比模型的最高燃烧温度分别为1 425, 1 423和1 421 K, 其值变化极小.
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 10%掺氢比下, 不同轴向距离位置温度沿径向的分布Fig.6 Radial profiles of temperature at different X cross sections under Case 2. |
2.2 掺氢比对MILD燃烧流场的影响不同掺氢比下, MILD燃烧流场中, 气流速度的径向分量在不同流向位置处, 随径向距离的变化规律如图 7所示.由于掺氢比的增加强化了燃料与氧化剂的混合, 故射流主体段相同径向位置, 气体的径向速度随掺氢比的增加逐渐降低.X=30 mm截面处, 5%, 15%和25%掺氢比模型中, 燃料向氧化剂的最大径向速度为0.73, 0.66和0.61 m/s, 氧化剂向燃料的最大径向速度为-1.14, -1.03和-0.95 m/s.此外, 在相同轴向位置, 随着掺氢比的增加, 径向速度负值波峰略向氧化剂侧偏移.X=90 mm截面位置, 5%, 15%及25%掺氢比模型中, 最大负径向速度的径向位置Y分别为14.5, 14.6和14.9 mm.由此可知, 随着掺氢比的增加, MILD燃烧主要放热反应区域略向氧化剂侧偏移.
图 7(Fig. 7)
 | 图 7 不同掺氢比下, 不同轴向距离处速度的径向分量沿径向的分布Fig.7 Radial profiles of radial component of velocity at different X cross sections when the hydrogen content of fuel mixture changes |
2.3 掺氢比对MILD燃烧温度的影响不同掺氢比下, MILD燃烧的温度分布和燃烧温度在不同流向位置处随径向距离的变化规律分别如图 8、图 9所示.由图 8可知, 随着掺氢比的增加, 燃烧器出口位置附近, 燃料射流低温区域逐渐收窄, 这表明掺氢比增加使得化学反应逐渐提前.此外, 随着掺氢比的增加, 燃料向氧化剂的扩散逐渐增加, 燃料和氧化剂间剪切层的温度逐渐增大.同样受氢气强化混合燃烧的影响, 在燃烧区域后段, 燃烧高温区(温度大于1 200 K的区域)的面积随掺氢比的增加也不断扩大.如图 9所示，在最高燃烧温度方面, 当氢气的质量分数从5%增加到10%时, 最高燃烧温度随掺氢比的增大迅速增加, 在X=60 mm截面处, 10%掺氢比模型的最高燃烧温度较5%模型分别增加了61.9 K; 当氢气质量分数在10%到20%之间变化时, 随着掺氢比的增加, 最高燃烧温度的上升速度逐渐放缓.在X=60mm截面处, 20%掺氢比模型的最高燃烧温度较15%掺氢比模型增加了16 K; 当掺氢比大于20%时, 最高燃烧温度的上升速度进一步放缓.在X=30 mm截面处, 25%掺氢比模型的最高燃烧温度较20%掺氢比模型仅增加了5 K.由此可知, 在控制甲烷-氢气总体积流量情况下, 当掺氢比过高时, 掺氢比的进一步提高对MILD燃烧的最高燃烧温度影响很小.此外, 相同轴向位置处, 随着掺氢比的增加, 最高燃烧温度的径向位置变化不大.在X=60 mm截面位置, 5%, 15%和25%掺氢比模型的最大温度所对应的径向位置分别为Y=10.7, 11和11.2 mm.对于主要放热区域以外的位置, 由图 9可知, 气体温度随掺氢比的增加变化很小.在X=30 mm截面, Y=6.2 mm和Y=10.3 mm两位置处, 不同掺氢比模型间最高燃烧温差仅为13 K和20 K.
图 8(Fig. 8)
 | 图 8 不同掺氢比下的燃烧温度的分布Fig.8 Temperature distribution under different hydrogen content (a)—wH2=5%；(b)—wH2=15%；(c)—wH2=25%. |
图 9(Fig. 9)
 | 图 9 不同掺氢比下, 不同轴向距离处温度径向分布Fig.9 Radial profiles of temperature at different X cross sections when the hydrogen content of fuel mixture changes |
2.4 掺氢比对燃烧产物的影响不同掺氢比下, 在不同流向位置处OH的最大质量分数wOH_max及其径向位置YOH_max随掺氢比wH2的变化规律如图 10所示：当掺氢比小于10%时, OH自由基的最大质量分数随掺氢比的增加迅速增大.这是因为当掺氢比从5%增加至10%时, OH自由基的主要生成反应H+O2→OH+O的化学反应速率峰值大幅提高.在X=30 mm截面位置处, 10%掺氢比模型的化学反应速率最大值为5%掺氢比模型的2.4倍.
图 10(Fig. 10)
 | 图 10 OH质量分数峰值及其位置随掺氢比变化规律Fig.10 Variation of wOH_max and YOH_max with hydrogen content of fuel mixture |
当掺氢比大于10%时, H+O2→OH+O的反应速率峰值变化很小, 故单个反应中, OH生成速率变化不大.与此同时, 由于燃料体积流量不变, 过高的掺氢比会导致燃料中碳氢比过大, 从而导致参与H+O2→OH+O反应的H原子总量降低.故掺氢比大于10%时, 随着掺氢比的增加, OH的生成量降低, 最大质量分数下降.由图 10b可知, 随着掺氢比的增加, OH最大质量分数的径向位置逐渐向氧化剂侧偏移.在X=30 mm截面上, 25%掺氢比模型中OH最大质量分数的径向距离为7.4 mm, 较10%掺氢比模型在径向距离上提高了0.3 mm; 在X=90 mm截面上, 25%掺氢比模型中OH最大质量分数的径向距离为15.6 mm, 较10%掺氢比模型提高了0.6 mm.这表明随着掺氢比的增加, 燃烧火焰锋面向氧化剂侧偏移.
3 结论1) 在MILD燃烧区域内, 随着轴向距离的增加, OH质量分数峰值下降, 但燃烧温度变化不大.此外, MILD燃烧的主要放热反应穿过剪切层逐渐向氧化剂侧偏移.
2) 在气体流动方面, 混合气体流速的径向分量随掺氢比的增加均不断减小.
3) 虽然MILD燃烧主要放热反应区域内的温度随掺氢比的增加而增大, 但当掺氢比大于20%时, 提高掺氢比对最高燃烧温度影响很小.
4) 在OH分布方面, 主要放热反应区域中, OH的最大质量分数随掺氢比的增加呈现出先上升后下降的趋势, 当氢气质量分数为10%时, 其流场中OH自由基的最大质量分数最高.
5) 在火焰锋面位置方面, 随掺氢比的增加, 在相同流向位置处, MILD燃烧火焰锋面呈现出向氧化剂侧偏移的趋势.
参考文献
| [1] | Cavaliere A, Joannon M D. MILD combustion[J].Progress in Energy and Combustion Science, 2004, 30(3): 329–366. |
| [2] | 李鹏飞, 米建春, DallyB B, 等. MILD燃烧的最新进展和发展趋势[J].中国科学:技术科学, 2011, 41(2): 135–149. ( Li Peng-fei, Mi Jian-chun, Dally B B, et al. Progress and recent trend in MILD combustion[J].Scientia Sinica Technologica, 2011, 41(2): 135–149.) |
| [3] | Plessing T, Peters N, Wünning J G. Laser optical investigation of highly preheated combustion with strong exhaust gas recirculation[J].Proceedings of the Combustion Institute, 1998, 27(2): 3197–3204.DOI:10.1016/S0082-0784(98)80183-5 |
| [4] | Tsuji H, Gupta A K, Hasegawa T, et al. High temperature air combustion:from energy conservation to pollution reduction[M]. Boca Raton: CRC Press, 2003. |
| [5] | 李鹏飞, 米建春, DallyB B, 等. 当量比和反应物混合模式对无焰燃烧的影响[J].中国电机工程学报, 2011, 31(5): 20–27. ( Li Peng-fei, Mi Jian-chun, Dally B B, et al. Effects of equivalence ratio and mixing pattern of reactants on flameless combustion[J].Proceedings of the CSEE, 2011, 31(5): 20–27.) |
| [6] | Mi J C, Li P F, Dally B B, et al. Importance of initial momentum rate and air-fuel premixing on moderate or intense low oxygen dilution (MILD) combustion in a recuperative furnace[J].Energy & Fuels, 2009, 23(11): 5349–5356. |
| [7] | Li P F, Mi J C.Critical Reynolds numbers for realization of MILD combustion in a recuperative furnace[C]//The 8th International Symposium on High Temperature Air Combustion and Casification.Poznan, Poland, 2010. |
| [8] | Yu Y, Wang G F, Lin Q Z, et al. Flameless combustion for hydrogen containing fuels[J].International Journal of Hydrogen Energy, 2010, 35(7): 2694–2697.DOI:10.1016/j.ijhydene.2009.04.036 |
| [9] | Sabia P, Joannon M, Fierro S, et al. Hydrogen-enriched methane MILD combustion in a well stirred reactor[J].Experimental Thermal and Fluid Science, 2007, 31(5): 469–475.DOI:10.1016/j.expthermflusci.2006.04.016 |
| [10] | Dally B B, Karpetis A N, Barlow R S. Structure of turbulent non-premixed jet flames in a diluted hot coflow[J].Proceedings of the Combustion Institute, 2002, 29(1): 1147–1154.DOI:10.1016/S1540-7489(02)80145-6 |
| [11] | Christo F C, Dally B B. Modeling turbulent reacting jets issuing into a hot and diluted coflow[J].Combustion and Flame, 2005, 142(1/2): 117–129. |
| [12] | Mardani A, Tabejamaat S, Ghamari M. Numerical study of influence of molecular diffusion in the MILD combustion regime[J].Combustion Theory and Modeling, 2010, 14(5): 747–774.DOI:10.1080/13647830.2010.512959 |
| [13] | Smith G P, Golden D M, Frenklach M, et al.GRI-Mech 3.0[EB/OL].[2015-10-28].http://www.me.berkeley.edu/gri_mech/. |
