氨气-氢气富燃湍流旋转火焰的大涡模拟.pdf

燃烧科学与技术 Journal of Combustion Science and Technology 2023，29(5)：)：561-568DOI 10.11715/rskxjs.R202205012 收稿日期：2022-07-22 基金项目：国家自然科学基金资助项目(91741117).作者简介：程 康(1995 )，男，硕士研究生，.通信作者：王 平，男，博士，教授，.氨气-氢气富燃湍流旋转火焰的大涡模拟 程 康1，王 平1，毛晨林1，Valera-Medina Agustin2，王永倩1，杨证淳1，刘文锋1，田 飞3(1.江苏大学能源研究院，镇江 212013；2.英国卡迪夫大学工程学院，卡迪夫 CF24 3AA，英国；3.江苏大学能源与动力工程学院，镇江 212013)摘 要：为研究氨-氢掺混燃烧特性，利用动态增厚火焰(DTF)燃烧模型，对英国卡迪夫大学燃气轮机模型燃烧室中的一个当量比为 1.2、氨-氢掺混体积比为 11 的湍流旋转火焰进行了大涡模拟(LES)计算，同时结合预混层流火焰和化学反应网络(CRN)方法进行综合分析LES 分析表明：燃烧室中存在一个大的回流区，其质量回流率随轴向距离而改变，最大值可达 65%；燃烧室中的 NO 主要经由 NOHNOH 生成，NO 与温度、OH 之间存在着正相关性在 NO 的排放预测方面，无论是预混层流火焰的计算结果还是 CRN 计算结果，均与 LES 预测的湍流场中结果存在不小的差异，其原因可归结于两者的简化分析方法未能准确描述复杂流场中的湍流-化学反应相互作用关系 关键词：氨气-氢气掺混燃烧；旋转湍流火焰；大涡模拟；化学反应网络方法；NO 排放 中图分类号：TK16 文献标志码：A 文章编号：1006-8740(2023)05-0561-08 Large Eddy Simulation of Rich Ammonia-Hydrogen Turbulent Swirling Flame Cheng Kang1，Wang Ping1，Mao Chenlin1，Valera-Medina Agustin 2，Wang Yongqian1，Yang Zhengchun1，Liu Wenfeng1，Tian Fei3(1.Institute for Energy Research，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China；2.School of Engineering，Cardiff University，Cardiff CF24 3AA，United Kingdom；3.School of Energy and Power Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)Abstract：In order to study the combustion characteristics of ammonia-hydrogen blending fuel，large eddy simu-lation(LES)with dynamic thickened flame(DTF)combustion model was performed to calculate an ammonia-hydrogen turbulent swirling flame，whose equivalence ratio is 1.2，in a gas turbine model combustor of Cardiff University，UK.The volume ratio of ammonia-hydrogen is 11.Additionally，premixed laminar flame calcula-tion and chemical reaction network(CRN)were used to analyze NO emission.LES analysis shows that there is a large recirculation zone in the combustion chamber，and mass recirculation rate changes with the axial location，whose maximum value is about 65%；NO in the combustion chamber is mainly generated through NOHNOH，which is positively correlated with temperature and OH.A big difference is found in NO emission prediction between the calculation results of the premixed laminar flame and the CRN and those of LES in the turbulent flow 燃烧科学与技术 第 29 卷 第 5 期 562 field.The reason can be attributed to the fact that their simplified analysis methods fail to accurately describe the interaction between turbulence and chemical reaction in complex flow field.Keywords：ammonia-hydrogen blend combustion；swirl turbulent flame；large eddy simulation；chemical reac-tion network；NO emission 氢气作为一种理想燃料，在储存运输上存在着一些困难 另一种利用氢的方式是用化学方法将氢储存在氨中，氨是一种良好的氢能载体，其中氢的质量百分比为 17.8%1，氨更容易液化(在室温下约0.85MPa)，更容易储存运输 然而，目前氨气还不能直接应用于现代燃气轮机或其他燃烧系统中，这主要是因为氨层流火焰速度低2，化学计量比条件下约为甲烷火焰的五分之一，这使得稳定纯氨火焰比较困 难3；燃烧后的氮氧化物排放很高 日本东北大学的 Hayakawa 等4的实验研究表明，在一定范围的当量比和入口流速条件下，氨-空气预混火焰可以在旋流下稳定 更多研究则集中在了氨与其他反应性更强的燃料的混合燃烧上5-10 氨-甲烷混合物作为其中的一种，受到了广泛的关注和研究 然而，与甲烷或其他碳氢燃料掺混均会引入碳元素，燃烧后还是会产生大量的二氧化碳，这会降低“零碳经济”的收益 氢气化学性质活泼，在氨气中加入氢气可以大大改善氨气的燃烧特性，如提升燃烧速度，减小着火延迟期等，并且氨-氢混合燃烧不产生二氧化碳 因此，氨-氢掺混燃烧有很好的应用前景，近年来受到广泛的关注 英国卡迪夫大学的 Valera-Medina 等9，11通过实验研究证明，燃料混合物中氨-氢的体积比为73 时，富燃、贫燃状态下模型燃气轮机燃烧室内的火焰均可以稳定，且当量比大于 1.3 时，NO 的排放量显著降低 大涡模拟(LES)方法可以准确描述湍流场的变化，在 湍 流 燃 烧 的 研 究 中 得 到 了 广 泛 应 用.Somarathne 等12采用详细化学机理结合 LES 方法对一个旋流燃烧器中的氨气-空气火焰和氨气-氢气火焰进行了详细计算 目前的三维数值模拟主要集中在纯氨燃烧和氨气混合气的贫燃燃烧上13，针对富燃下氨-氢的 LES 计算研究不多 氨气的燃烧复杂，包含很多的基元反应，氨气掺混其他气体时中间的交叉反应更多，然而目前还没有一个公认的简化机理能准确预测氨-氢在贫燃和富燃状态下 NO 的生成 Valera-Medina 等7在研究氨-氢体积比为 11的完全预混燃烧时发现，火焰只在很低的当量比(0.410.56)下稳定 为了研究更高的当量比对燃烧状态及排放特性的影响，就必须采用更加合适的氢气进气方式，减小回火的风险 本文采用动态增厚火焰(DTF)燃烧模型14-15对卡迪夫大学开发的一新型旋流燃烧器进行大涡模拟，分析氨-氢火焰的流场和 NO的生成及影响因素 此外还采用 CHEMKIN-PRO 软件包对该火焰进行层流火焰计算和化学反应器网络(CRN)分析，分析在当量比为 1.2、氨-氢体积比为11 时 NO 的生成及排放特性 1 物理模型和数值方法 1.1 物理模型 本文所建立的卡迪夫大学旋流燃烧器模型如图1 所示 主要包括预混合段，径向旋流器，6 个沿周向均匀布置的氢气入口，一个圆柱形燃烧室 氨气和空气在燃烧器的预混合段充分混合后进入旋流器，径向旋流器包含 9 个相同的进气通道，产生的旋转流动有助于稳定火焰 旋流数 S 代表旋流运动的强度，计算公式16如下：图 1 燃烧器示意 Fig.1 Photograph of the combustor ar 1GS=G r(1)式中：Ga和 Gr分别为角动量和径向动量；r1为旋流器管腔的半径 狭缝处的速度 wsQ/(nstsLs)，其中 Q程 康等：氨气-氢气富燃湍流旋转火焰的大涡模拟 燃烧科学与技术 563 是总体积流量，ns、ts和 Ls分别是狭缝数量、厚度和每个狭缝的长度预混气体单位体积的角动量为ws(r1-ts/2)，(r1-ts/2)是中心轴和狭缝中心之间的距离，总角动量 Ga表示为 GaQws(r1-ts/2)Q2(r1-ts/2)/nstsLs 平均轴向速度 U 定义为 UQ/r12，总径向 动 量Gr QU Q2/r12，因 此S (r1-ts/2)r1/nstsLs 本文中 r116mm，ns9，ts4.6mm，Ls15.8mm，S1.05 氢气则是由位于旋流器下游的 6 个沿周向均匀布置的圆孔射入旋流器通道内，圆孔的直径为 1.5mm，氢气的射入角斜向下游呈 45，这样的进气方式可以减小回火的风险 燃烧室的直径为 84mm，高为 314.6mm 1.2 数值方法和化学反应机理 采用 LES 方法进行数值模拟研究，LES 是对大尺度的涡直接模拟，小尺度的涡则采用亚网格应力模型进行封闭 LES 通过空间过滤的方法，对质量、动量和能量进行求解，空间滤波后的 NavierStokes 方程在文献17中有详细介绍 采用 DTF 燃烧模型对火焰进行求解，在前期工作中 Wang 等18-20已经验证了 DTF 模型在求解旋转湍流甲烷、氢气火焰时具有的良好性能 在CHEMKIN-PRO 平台上建立了预混层流火焰模型和 CRN 模型，对 NH3/H2/空气富预混燃烧进行计算研究 CRN 模型的示意图如图 2 所示，本文所使用的CRN 由两种理想反应器组成：完全搅拌反应器(PSR)和塞流反应器(PFR)PSR 反应器是一种假定流场完全紊流，混合速率高的理想反应器 PFR 是假定理想气体稳定、一维、无黏流的理想反应器 反应器网络采用 PSR 表示入口附近的混合区、中央回流区、主火焰区；采用 PFR 表示火焰后区域 在旋转湍流燃烧室的主区域，由于回流区较强，反应物和温度分布较均匀，选择 PSR 可以保持足够的停留时间和高湍流水平21 进气条件与三维模拟相一致，中央循环区的再循环率分别设定为最大值 65.3%，平均值 16%图 2 CRN模型示意 Fig.2 The CRN model of the combustor 一个良好的化学动力学机制，对理解火焰的燃烧特性和化学反应特性很重要 对于含氨火焰，不仅要研究火焰的结构，更要能准确预测各个状态下各种组分的生成和消耗过程，这对控制污染物的排放十分重要 过于复杂的机理对于计算资源的要求很高，但过于简化的机理会忽略中间重要的反应导致预测精度不够 毛晨林等22通过 Cantera 程序对一维层流火焰开展了系统性的分析，对比了 3 种(Xiao，UT-LCS，Li-)不同的机理，发现 Xiao 机理在计算 NH3/H2/air的层流火焰速度和预测 NO 的排放上表现较好，且Xiao 机理最节省计算资源 因此，本研究选择 Xiao等提出的 28 组分和 91 步反应机理用于三维NH3/H2/air 湍流火焰模拟23 1.3 一维层流预混火焰结构 模拟在 T288K、p0.1MPa 条件下进行，当量比为 1.2，空气的流量为 254L/min，NH3和 H2的体积流量均为 51L/min 使用 CHEMKIN-PRO 软件中的预混火焰模型分别计算了当量比为 1.2 的甲烷非拉伸层流火焰和当量比为 1.2 的氨-氢(体积比为 11)非拉伸层流火焰 甲烷的绝热火焰温度为 2136K，层流火焰速度为 0.342m/s，层流火焰厚度为 0.43mm，氨-氢的绝热火焰温度为 2080K，层流火焰速度为 0.42069m/s，层流火焰厚度为 0.5mm 对比两种火焰，发现氨-氢层流火焰厚度略厚于甲烷火焰，层流火焰速度大于甲烷火焰 从图 3 的层流火焰结构可以看出除 NO 的不同外，甲烷火焰和氨-氢火焰的结构是相似的，DTF模型15可用于计算当前状态下的氨-氢火焰 （a）甲烷 （b）氨-氢 图 3 当量比为 1.2时甲烷和氨-氢的层流火焰结构 Fig.3Laminar flame structures of CH4 and NH3-H2when R1.2 燃烧科学与技术 第 29 卷 第 5 期 564 1.4 LES计算网格 数值域由圆柱形燃烧室和带钝体的喷嘴、径向旋流器、进气管道等组成 设定进气管壁、旋流器为绝热、无滑移条件，在燃烧室壁面上设置了 850K 的恒定温度 网格划分上使用全结构化分块网格，网格数目为 217 万，图 4 所示为网格局部视图，在氢气的入口处布置了足够数目的网格，在火焰区域，网格的大小约为 0.4mm 参考前期的湍流火焰 LES 计算算 例19及上述的层流火焰数据，本文采用的网格是可以满足 LES 计算要求的 图 4 全结构网格示意 Fig.4 Schematics of global grid and local grid 2 结果与分析 2.1 流场结构特征 燃烧室下游的温度场如图 5 所示 从图中可以看出靠近旋流器出口处存在一个大的中央回流区(CRZ)，CRZ 内的气体温度高，气体流动方向与来流方向相反，这有利于点燃刚进入燃烧室的新鲜反应气，提高燃烧的稳定性 由于燃烧室壁面的存在，旋转而出的气流在与壁面碰撞后在燃烧室底部产生了外部回流区(ORZ)图 5 瞬时温度分布(白线：Ux0，黑线：流线)Fig.5 Instantaneous distribution of temperature(white lines：Ux0，black lines：streamlines)研究发现旋流有助于掺氨火焰的稳定燃烧9,18，这得益于回流区的存在，其中回流区的强度或者气体质量流量再循环率(逆流气体质量流量与综合的顺流气体质量流量)对流场存在较大的影响 在 CRN 分析中需要预先设置此再循环率，但是目前许多的研究将再循环率设为固定值，如 20%再循环率无疑与特定的燃烧器构造、旋流数等因素有关，有必要根据不同的状态设定更准确的再循环率 为了从旋流产生再循环的角度理解燃烧的稳定特性，计算了燃烧器沿轴向方向的不同截面处的顺流质量流量和回流质量流量，结果如图 6 所示，其综合顺流气体质量流量约为定值 6g/s 从图中可以看出顺流和回流的流量呈现相同的特征，即先增大后减小，在 x 等于 0.1m 左右时(以进气截面中心点为原点，钝体与燃烧室接触面中心点的 x 等于 0.088m)，顺流和回流的流量均达到 最 大 值，此 时 再 循 环 率 也 达 到 最 大 值 约 为65.3%而在 0.088mx0.2m 区间，再循环区的平均再循环率约为 16%继续向下游流动，回流的流量等于 0，再循环率也降为 0，顺流流量等于 6g/s，这和设定的入口条件是一致的 图 6 质量流量和再循环率分布 Fig.6 Distributions of mass flow rate and recycle fraction 2.2 LES计算得到的 NO分布 从图 7 中 NH3和 H2的瞬时质量分数云图中可以看出，喷嘴下游至出口气体的混合是不均匀的，这是受氢气的进气方式影响的结果 氢气以 45喷入空气流中，在涡流的作用下，氢气更靠近中央钝体侧，所以中间区域氢气的质量分数略高于外侧，且氢气的浓度大于氨气的浓度 新型的进气方式实现了卡迪夫大学之前的构想，更多的氢气在氨之前燃烧，以帮助分解 NH3 火焰后区域没有 NH3但存在未燃烧的H2，其中一部分就来自于 NH3的分解 H2O 和 N2的分布图显示燃烧室下游的主要组分是 N2和 H2O NO 的平均和瞬时质量分数分布如图 8(a)和8(b)所示 平均场显示钝体附近生成了少量的 NO，在火焰顶端和壁面附近观察到大量 NO 的生成，沿着该区域大部分 NO 聚集向燃烧室的下游流动，下游的NO 被稀释后浓度有一定的降低 NO 瞬时场捕捉了存在于火焰顶端和沿着燃烧室壁面的 NO 气团的脱离 瞬时场还显示旋涡结构和高浓度 NO 区域相对应，NO 生成受停留时间影响，当流体在漩涡内的停留时间增加时，漩涡区局部 NO 的生成量较高 程 康等：氨气-氢气富燃湍流旋转火焰的大涡模拟 燃烧科学与技术 565 （a）NH3瞬时质量分数分布 （b）H2瞬时质量分数分布 （c）H2O 瞬时质量分数分布 （d）N2瞬时质量分数分布 图 7 NH3、H2、H2O 和 N2的瞬时质量分数分布 Fig.7 Instantaneous mass fraction distributions of NH3，H2，H2O and N2 （a）NO 平均质量分数分布 （b）NO 瞬时质量分数分布 （c）OH 瞬时质量分数分布 图 8 NO的平均质量分数分布及 NO和 OH的瞬时质量分数分布 Fig.8 Time averaged mass fraction of NO，instantaneousmass fraction distributions of NO and OH 对于含氨燃料的燃烧，NO 主要产生于两种途径，热力型 NO 和燃料型 NO 图 5 的温度图中显示，主燃区的温度高于 1900K，会通过 Zeldovich(1946)机制产生更多的 NO，即热力型 NO 富燃状态下，H2先被氧化，释放出大量的 OH，OH 自由基会促进其他自由基的产生，如 NH2等，通过 NHiOXNOHiX，OX 是一种含氧组分(例如 OH)，生成大量的NO，即燃料型 NO 由于燃料不停向下游运动，反应持续发生，火焰顶端和壁面附近出现更高浓度的NO 对比 8(c)的 OH 图发现高浓度 NO 对应的区域OH 浓度也很高，这表明当地的高 OH 浓度是燃烧室内局部 NO 水平升高的主要原因 为了进一步研究 NO 和 OH 质量分数与温度的关系，图 9(a)、(b)中分别显示了图 8(b)中黑框区域中各点的 OH、NO 对温度的散点图 可以看出随着温度的升高，OH 和 NO 的质量分数也随之增加，外循环区及壁面附近温度较低，导致一定区域的 NO 浓度降低 当温度大于 2000K，OH 的质量分数最大时，NO 的质量分数最高 这说明，NO 的生成与温度和 OH 之间存在着正相关 图 9(c)、(d)中显示的是NH 对 N 的散点图，可以看出 N 来自于 NH 的氧化 图 9(c)中当 N 的量趋近于 0 时 NO 存在两种情况，趋近于最高值或最低值，这是由于 N 在火焰面上存在着两个反应，通过 NOHNOO，促进了热力型 NO 的生成；通过 NNON2O，将 NO 还原成 N2，减少了 NO 的生成 图 10 为 DTF 模型中动态增厚因子 F 和亚网格尺度褶皱因子 E 的云图分布，对照图 8(c)的 OH 云图可以看到 F 和 E 都是在火焰面处进行加厚和褶皱 在火焰外侧，网格尺寸大，所以 F 和 E 值大，此处的 F 和 E 的最大值分别为 8.07 和 2 在燃烧室的大部分区域 F 和 E 为 1，代表 LES 准确判断出此处没有燃烧反应，火焰增厚效应自动消减为 0，此处的湍流扩散作用得以准确描述 2.3 低维数值分析 一维预混层流火焰模拟结果(1D)和 CRN 模拟的结果均显示 NH3在火焰区域已经消耗完全，而在火焰的下游有部分未燃的 H2，这和 LES 的结果是对应的 图 11(a)中显示了一维层流预混火焰模型中的部分组分的变化情况 为了分析 LES 模拟和一维模拟下的 NO 的排放，将 4 种数值计算结果进行了对比，如图 11(b)所示 通过对比可以看出，1D 情况下NO 的排放最高，两种不同再循环率的 CRN 结果不相同，说明再循环区的存在和大小对 NO 的排放是有影响的 对比 LES 和 CRN 的结果，三者有一定的差燃烧科学与技术 第 29 卷 第 5 期 566 异，这是由于旋转湍流情况下的三维流场更加复杂，再循环率在各个位置并不是均匀分布的，且由于局部当量比和燃料组分体积比的变化，NO 的生成情况更加复杂，而这些是 CRN 模拟所不能反映出来的 为了进一步揭示 NO 的生成机理，分析了在绝热条件下，当量比为 1.2，氨-氢体积比为 11 时燃烧的 （a）OH 对温度的散点图(用 NO 染色)（b）NO 对温度的散点图(用 OH 染色)（c）NH 对 N 的散点图(用 NO 染色)（d）NH 对 N 的散点图(用 OH 染色)图 9 火焰区 OH-T、NO-T 和 NH-N 的散点图 Fig.9 Scatter plots of OH-T，NO-T and NH-N in flame zone （a）动态加厚因子 （b）亚网格褶皱因子 图 10 DTF模型的动态加厚因子 F 和亚网格褶皱因子 E Fig.10Dynamic thickening factor F and sub-grid scale wrinkling factor E of DTF model （a）一维层流预混火焰部分组分变化 （b）NO 排放的对比 图 11 一维预混火焰的组分变化和 NO排放的对比 Fig.11Schematics of compositions change and compari-son of four NO value 反应路径，重点关注关键组分的反应 该项工作是在上述的 CRN 计算中进行的，CRN 中的 PSR 即零维反应器可以用来表示主火焰区 结果如图 12 所示，可以看出，N 对 NO 的生成贡献最大，HNO 次之，N和 HNO 分别来源于 NH，NH2的氧化而 NNO?N2O，NHNO?N2OH 和 NH2NO?NNHOH 反应对 NO 的消耗起着重要作用 程 康等：氨气-氢气富燃湍流旋转火焰的大涡模拟 燃烧科学与技术 567 （a）NO 的生成速率 （b）NO 的反应路径 图 12 NO的生成速率和反应路径 Fig.12 Absolute rate of production of NO at the flame andthe reaction path analysis related to NO concen-tration.3 结 论 本文用 LES 方法结合 DTF 模型研究了富燃状态下氨-氢体积比为 11 时的旋转湍流火焰，重点分析了流场和 NO 的形成及影响因素 结果表明：(1)燃料中含氮成分的含量决定了总的高 NO 排放水平，NO 主要生成于火焰面上，流场结构对 NO的排放有影响，旋涡与 NO 分布之间存在一定的相 关性 (2)NO 的生成与温度、OH 之间存在着正相关，燃烧室中的 NO 主要由热力型 NO 组成，即通过反应NOH?NOH 生成，HNO 等组分的氧化也贡献了一部分，而 N，NH 和 NH2对 NO 的消耗起着重要作用(3)通过比较 1D，CRN，LES 结果发现三者存在差异，而造成这种差异的主要原因是回流区的存在及大小，以及气体在局部混合程度的不同 相较于一维模拟和 CRN 分析，LES 方法可以描述实时流场的变化情况 参考文献：1 Kobayashi H，Hayakawa A，Somarathne K D K A，et al.Science and technology of ammonia combustionJ.Proceedings of the Combustion Institute，2019，37(1)：109-133.2 Khateeb A A，Guiberti T F，Zhu X，et al.Stability limits and NO emissions of technically-premixed ammo-nia-hydrogen-nitrogen-air swirl flamesJ.International Journal of Hydrogen Energy，2020，45(21)：22008-22018.3 Verkamp F J，Hardin M C，Williams J R.Ammonia combustion properties and performance in gas-turbine burnersJ.Symposium on Combustion，1967，11(1)：985-992.4 Hayakawa A，Arakawa Y，Mimoto R，et al.Experi-mental investigation of stabilization and emission charac-teristics of ammonia/air premixed flames in a swirl com-bustorJ.International Journal of Hydrogen Energy，2017，42(19)：14010-14018.5 Um D H，Joo J M，Lee S，et al.Combustion 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