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不同旋流强度下燃烧器燃烧特性的数值模拟
不同旋流强度下燃烧器燃烧特性的数值模拟
芮文明， 刘宇， 王爱华，田赛
(东北大学 材料与冶金学院 沈阳 110819) 摘 要： 采用计算流体力学 (CFD)商业软件 Fluent 对燃烧器在不同旋流强度下的天然气纯氧燃烧进行数值模拟， 获得了在不同旋流强度下， 燃烧室内的速度场、温度场以及生成物浓度分布。结果表明：通过比较和分析速度场、 温度场和生成物浓度分布的变化趋势，得到该燃烧器结构下最优化的旋流强度取值，即当叶片角度在 30°时轴向叶 片旋流器，燃烧室内温度分布比较均匀，没有局部高温区，温度梯度小，燃烧效果较好。 关键词： 旋流强度；纯氧燃烧；数值模拟；温度场
Numerical Simulation of the Combustion Characteristics of Different Swirl Intensity Burner RUI Wen-ming, LIU Yu, WANG Ai-hua, TIAN Sai (Northeastern University, School of Materials and Metallurgy, Shenyang, 110819) Abstract: Utilizing computational fluid dynamics (CFD) commercial software Fluent is simulated at different swirl intensity of oxygen gas combustion. Obtained velocity field, the temperature field and the resultant concentration distribution in the combustion chamber at different swirl intensity. The results show: By comparing and analyzing the mutative trends of velocity field, temperature field and the resultant concentration distribution, obtained the optimized swirl intensity values under the burner structure. when the blade angle of 30 °, the combustion chamber of Axial vane swirl burner temperature is more evenly distributed, no local high temperature zone, temperature gradient is small, combustion effect is better . Key Words: swirl intensity；oxygen combustion；numerical simulation；temperature field
1 前言 目前，由于人类工业活动所产生温室气体的排放对全球气候造成了巨大的影响，引起了人们对 环境的担忧，迫使国内外针对 CO2 的排放与治理进行大量的研究。纯氧燃烧由于能在燃烧过程中对 CO2 进行富集然后压缩存储因而被认为是一种新型高效的碳捕集技术[1]。由于具有很好应用前景而成 为世界各国研究机构的研究重点，然而目前对纯氧燃烧技术的研究主要集中于纯氧燃烧的基本理论， 且多侧重于煤粉的纯氧燃烧技术，天然气纯氧燃烧的研究较少。因此，关于天然气纯氧技术及燃烧 器的开发迫在眉睫。 首先根据 oxy-fuel 燃烧特性[2]设计出相应的燃烧器，确定燃烧器的功率、尺寸、进气速度、旋流 叶片的旋转角度等参数。然后建立物理模型及网格划分，建立流动、传热与燃烧数值模型。最后利 用 Fluent 软件对燃烧过程进行数值模拟， 分析研究不同旋流强度下燃烧器内流场流动特性， 旋流强 度对流场的影响，从而确定燃烧器的最佳的技术参数，如合理的旋流强度。 2 数学模型
2.1 燃烧器的设计 本文燃烧器的功率设计为 P=0.8 MW，燃料种类为天然气，燃烧方式为纯氧燃烧。其中天然气 各组分摩尔分数如表 1。 表 1 天然气各组分摩尔分数
设计的燃烧室直径 D=1000 mm，长为 3500 mm 的圆柱形燃烧室其结构见图 1，燃烧器采用两层 共轴套管形式，燃料天然气通过内管直流进入燃烧室，氧气通过外环旋流进入燃烧室，在氧气风管 内布置轴向叶片旋流产生器，燃烧器出口采用扩口结构， 燃烧器及燃烧室结构示意图如 1-3 所示。
图 1
图 2 燃烧器进口图 燃烧器及燃烧室结构图(单位： mm)
图 3 燃烧器结构图
其中燃烧器长度为 160 mm，内环直径 D1=16 mm，外环直径 D2=28 mm。燃烧计算操作工况如 表 2 所示。 表 2 燃烧计算操作工况
旋转射流的旋转强度简称旋流强度，是表征旋流的重要参数，也叫旋流数。它是区别一般射流 的，影响旋转运动的重要参数。旋转程度的大小不同，旋转射流的特性也有差异。用旋流数 S 来表 征旋转程度。研究表明， 燃烧器的旋流强度几乎决定了炉膛内旋转气流的特性。因而选择合理的旋 流强度，成为燃烧器的设计工作中的重点内容。参考相关文献[3]本文选用轴向旋流叶片作为旋流产 生器。在氧气风管内布置轴向叶片旋流产生器，叶片数量为 6 个，叶片厚度为 1 mm，叶片高度为 20 mm。选用圆形扩口， 扩张角度为 15°。采用的叶片倾斜角及对应的旋流强度如表 3 所示。 表 3 模拟计算工况
当旋流数 S<0.6 时，属于弱旋流，当旋流数 S>0.6 时，属于强旋流。本文研究对象 15°和 30° 燃烧器的旋流数低于 0.6 为弱旋流， 45°情况下， 为强旋流。 2.2 模型建立 烧嘴结构图如图 4 所示。天然气入口为直径 D1=16 mm 的圆孔，氧气入口为圆环。氧气出口采
用扩口结构。
(a)叶片旋流角度 15°
2.3 网格划分
(b)叶片旋流角度 30° 图 4 燃烧器的物理模型
(c)叶片旋流角度 45°
对于燃烧室和燃烧器的流通部分划分采用六面体网格，这样利于流动问题的计算精度的体改和 程序的较快收敛。由于结构的复杂性，对于叶片旋流器网格的划分采用了四面体的非结构化网格。 对可能产生回流区的喷口和燃烧区域进口段网格加密，其余则随流动发展区域平缓而逐渐变得稀疏。 本文将网格沿着流线的方向深入到了炉膛内部，这样可以减小伪扩散带来的误差。通过优化计算， 共划分了 313163 个单元，节点网格数量约为 226834，网格划分情况如图 5-7 所示
图 5 燃烧器、燃烧室以及出口的整体网格划分 2.4 流动、传热与燃烧数值模型建立 图 6 燃烧器网格划分 图 7 旋流叶片网格划分
用标准k 边界条件：气流入口为速度入口， 烟气出口为压力出口，采用负压；壁面采用绝热壁面，不考 虑分子扩散和气体内部的导热的影响，选用分段线性定压比热容。求解方法：对差分方程，按一阶 迎风格式进行迭代；按 SIMPLE 规则进行压力场速度场的耦合计算；除设置能量和辐射残差值 10-6 外其余残差值均为 10-3。 3 结果及分析 3.1 速度场分布图 图 8 是叶片倾角分别为 15°、 30°、 45°时炉内燃烧的速度分布。从总体上看， 随着叶片倾角 的增大，燃烧器的旋流强度随之增大，速度场的分布越来越扁平，当叶片角度为 45°时， 因为过大 的旋流强度，导致气流过早向炉膛壁面扩散， 从而形成“飞边”现象。
图 8 燃烧室内速度分布图 (m/s) 3.1.1 不同轴向位置处径向速度分布 图 9 为不同轴向位置处三种旋流强度情况下， 距燃烧器 0.2 m、0.6 m、1 m 以及 1.4 m 位置处， 径向速度分布。根据旋流强度相关理论当旋流强度小于 0.6 时为弱旋流， 当旋流强度大于 0.6 时为强 旋流。从图可以看到 15°和30°情况下径向速度趋势相似，而在 45°强旋流情况下，其速度比 15° 和 30°情况大一个数量级。在燃烧器出口 0.2m 位置处可以看到 15°和30°时径向速度呈旋转对称， 而 45°时速度呈轴对称分布。首先分析弱旋流情况，由图看到沿着轴向距离方向径向速度减小， 对 比 15°和 30°情况下径向速度差距缩小， 表明旋流强度对速度的影响逐渐减少。从 0.2m 位置处径 向速度分布图可以明显的看到旋流强度对速度的影响，在中心轴线位置处速度接近于 0，随着径向 距离延伸，速度迅速增加之所以这样分布主要原因是由于回流区存在于旋转射流的流场内部，所以 在回流区和其外侧的顺流这两股方向相反的气流之间能够形成一个边界层， 在该边界层中，由外到 内气流速度从顺流中的高速逐渐降低为零， 然后从零再逐渐递增， 可以看到 30°时最大速度为 15° 的 3 倍多。在强旋流 45°情况下，在轴向 0.2m 处径向速度呈对称分布， 0.6m 位置处后， 速度分布 和 15°及 30°情况相似， 且径向速度小于 15°和 30°情况。主要原因是强旋流情况下速度与距离 成反比，随着距离变大慢速度下降很快。
(a)轴向 0.2m 处径向速度 (b)轴向 0.6m 处径向速度
(c)轴向 1m 处径向速度 (d)轴向 1.4m 处径向速度 图 9 不同轴向位置处径向速度分布 3.1.2 不同轴向位置处轴向速度分布图
(a)轴向 0.2m 处轴向速度 (b)轴向 0.6m 处轴向速度
(c)轴向 1m 处轴向速度 (d)轴向 1.4m 处轴向速度 图 10 不同轴向位置处轴向速度分布 图 10 为三种叶片角度时距喷口不同距离的横截面轴向速度分布。由图可以看出， 因为旋流的作 用都存在着负向速度，说明存在着回流区。根据旋流燃烧的相关理论可以分析其产生主要原因是燃 料和空气混合物以旋转射流的方式进如燃烧室内后，由于旋转的离心作用， 在燃烧区内形成了较大 的径向压力梯度，从而在流动的中心区域便产生了一个小于大气压的低压区，形成一个环流回流区 [6]。另外， 可以看到 15°和30°情况下， 轴向速度符合高斯分布， 45°情况时轴向速度与距离成反
比， 这符合旋流燃烧基本理论， 证明了模拟的正确性。单独分析 15°和30°情况， 可以看到从轴向 0.2m 位置处到 1.4m 位置处， 其速度迅速下降，但是都符合高斯分布。 45°时在燃烧器出口位置负 向速度较大，之后波动很小，其原因就是较大的旋流强度使得气体从燃烧器出来后迅即旋流扩散完 毕。 3.2 不同旋流强度对温度影响 图 11 是叶片倾角分别为 15°， 30°， 45°时炉内燃烧的速度分布。当叶片角度为 15°时， 旋 流强度为 0.276 。从燃烧器中心截面温度分布云图中可以看出， 温度场前段的温度值并不是最高的， 而随着空气与天然气的混合，燃气与空气燃烧充分，表现为中心燃烧区域温度最高，这就是甲烷与 空气的非预混扩散燃烧过程， 这与基本的物理化学理论是相符合的。燃烧火焰集中于炉膛前部 1.2m 位置处，中心部位温度高达 4500K，究其原因主要是由于旋流强度较小天然气与氧气流的掺混和卷 吸作用较弱，扩散性差。由燃气的燃尽理论可知， 由于混合型性较差导致化学未完全燃烧所占的百 分比也越大，未燃烧的混合物必须通过较长的距离以完成充分燃烧，所以， 此时的火焰的长度就越 长。燃烧区域位于 1~1.5m 之间， 相对于另外两种情况高温区偏后。
(c) 45°时速度分布
图 11 燃烧室内 XY 中心截面温度分布图(K) 当叶片角度为 30°时，旋流强度为 0.591。由图可以明显看出燃烧火焰均匀性较好，温度梯度 小，高温区主要集中于天然气和旋流氧气混合交界面处， 最高温达到 4400K，且温度较为分散。其 主要原因是天然气从直流内管出来后与旋流氧气进行了较好的混合、扩散， 使得燃烧温度分布较为 理想。 当叶片角度为 45°时，旋流强度为 1.025。由图可以看出，较大的旋流强度导致天然气和氧气 在燃烧器出口即快速混合。由于较大的径向速度在出口 30mm 的地方燃料与氧气已经充分混合， 发 生剧烈的反应， 造成了燃烧器出口高温区，达到了 4500K。 3.3 不同旋流强度对组分浓度影响 3.3.1 CO2 的浓度分布 分析下图 12 天然气纯氧燃烧主要产物 CO2 的摩尔分数分布图。首先可以看出燃烧反应发生剧烈 的地方，其产物浓度越集中。分析 15°时 CO2 浓度分布可以看到在燃烧器出口至 1m 距离内， 产物 浓度不是很高， 随着混合的加剧。之后， 由于燃烧完全， CO2 浓度逐渐趋于稳定， 含量约在 40%-50% 之间。当叶片角度为 30°时。从图可以看到由于出口壁面氧气的高浓度使得 CO2 浓度较低， 在氧气 和天然气交界面处浓度不断上升，在 1.3m 左右，随着混合的加剧， 燃烧产物剧烈产生， CO2 质量分 数达到了 85% ，之后， 中心轴线上 CO2 浓度逐渐降低， 燃烧室后部 CO2 的含量逐渐趋于稳定。当叶
片角度为 45°时 CO2 的浓度分布可以明显看到因为旋流的作用导致在燃烧器出口 50mm 的地方，CO2 大量产生， 质量分数高达 80%左右，在 100mm 之后， 浓度开始降低，由于反应完全发生，天然气燃 尽， CO2 浓度开始逐渐趋于稳定。随着旋流强度增大， CO2 的浓度分布区域从 15°时的中后部 2m 左右、 30°时的前端 1m 位置处直至45°时燃烧器出口。
图 12
中心截面上 CO2 的浓度分布 (摩尔分数%) 图 13
(a) 15°时 H2O 的浓度分布
(b) 30°时 H2O 的浓度分布
中心截面上 H2O 的浓度分布 (摩尔分数%)
3.3.2 H2O 的浓度分布 分析图 13 中心截面 H2O 的浓度分布可以发现于图 12 所示 CO2 分布正好相反，CO2 浓度高的地 方正是 H2O 浓度低的地方，而两者摩尔分数加和约为 1。 4 结论 研究了三种叶片角度(15°、 30°、 45°)下即不同旋流强度时燃烧室内的速度场、温度场及 流场分布。得出如下结论。 (1) 叶片角度大小直接影响了燃烧室内的流动以及传热。 ①旋流强度越大，轴向和径向速度也 越大， 但是距燃烧器出口越远， 速度衰减也越快。 ②对比温度分布，在 15°时高温区主要集中于燃 烧室内中心区域，并且局部高温。在 30°时，高温区出现在天然气和旋流氧气混合交界面且温度均 匀分布，温度梯度小。在 45°情况下，由于旋流强度较大导致燃烧器出口壁面温度分布集中， 容易 烧坏燃烧器。 (2) 叶片角度大小决定了燃烧室内各生成物浓度分布。①对比 CO2 的浓度分布， 当叶片角度为 15°时，开始阶段，产物浓度不是很高， 随着混合的加剧， CO2 浓度逐渐趋于稳定。当叶片角度为 30°时，由于出口壁面氧气的高浓度使得 CO2 浓度较低， 随着混合的加剧， 燃烧产物剧烈产生，燃 烧室后部 CO2 的含量逐渐趋于稳定。当叶片角度为 45°时，CO2 的浓度分布可以明显看到因为旋流的 作用导致在燃烧器出口 50mm 的地方， CO2 大量产生，在 100mm 之后， 浓度开始降低，由于反应完 全发生，天然气燃尽，CO2 浓度开始逐渐趋于稳定。随着旋流强度增大，CO2 的浓度分布区域从 15° 时的中后部 2m 左右、30°时的前端 1m 位置处直至45°时燃烧器出口。②中心截面 H2O 的浓度分 布与 CO2 分布正好相反， CO2 浓度高的地方正是 H2O 浓度低的地方， 而两者摩尔分数加和约为 1。 (3) 通过对比分析流场、温度场和浓度场确定最佳叶片角度为30°。
参考文献 [1] BP. Statistical review of world energy 2014 workbook[EB/OL]. [2] Wolsky A M, Daniels E J, Jody B J. Recovering CO2 from large and medium size stationary combustion[J]. Air Waste Manage. Assoc, 1991, 41: 449-454. [3]焦森林. 燃气燃烧器流场及燃烧特性数值模拟[D]. 郑州：郑州大学, 2010.
[4] Andersen J, Rasmussen C L, Giselsson T, et al. Global combustion mechanisms for use in CFD modeling under oxy-fuel conditions[J]. Energy & Fuels, 2009, 23(3): 1379- 1389. [5] Yin C, Johansen L C R, Rosendah L A, et al. New weighted sum of gray gases model applicable to computational fluid dynamics (CFD) modeling of oxy-fuel combustion: Derivation, validation, and implementation [J]. Energy & Fuels, 2010, 24(12): 6275-6282. [6] Hsu K C, Tsay S B, Wang M R. The influence of swirl on velocity temperature and species characteristics in a combustion[R]. AIAA-90-2545.
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