LES изчисление на безпламеното горене

Изчисляване на пламенен магистър по изгаряне в областта на енергетиката, аеронавтиката и космическите изследвания Специализация по аеронавтика и космически стаж - септември 2006 г. Ronan VICQUELIN Ecole Centrale Париж Супервайзор: Thierry Poinsot - CERFACS директор на CFD групата CERFACS: WN/CFD/06/70

изчисляване

Данни за контакт Стажант: Ronan VICQUELIN: CERFACS 42, Av. G. Coriolis 31057 Тулуза Седекс, Франция Тел: 33 5 61 19 30 19 Факс: 33 5 61 19 30 00 Имейл: [email protected] Супервайзор: Thierry Poinsot: CERFACS 42, Av. G. Coriolis 31057 Тулуза Седекс, Франция Тел: 33 5 61 19 30 34 Факс: 33 5 61 19 30 00 Имейл: [email protected]

Съдържание Нотации 1 Въведение 3 1 Въведение в безпламеното горене 5 1.1 Характеристики на безпламеното горене. 5 1.2 Намаляване на емисиите на азотни оксиди. 6 1.3 Разреждане на реагентите. 11 1.4 Подгряване. 13 1.5 Други свойства. 15 1.6 Механизми и модели на безпламенно изгаряне. 17 1.7 Приложения. 18 2 Мащабна симулация 23 2.1 Филтриране. 24 2.2 Уравненията. 24 2.3 Използвани модели. 25 2.3.1 Модели на подмрежа. 25 2.3.2 Гранични условия. 26 2.3.3 Радиационен модел. 27 2.3.4 Модел на кинетичната химия. 27 2.4 AVBP кодът. 29 3 Резултати и интерпретации 31 3.1 Избрана конфигурация. 31 3.2 Нестабилен неразтегнат едноизмерен пламък. 32 3.3 3D изчисление. 34 3.3.1 Видови полета. 34 3.3.2 Топлинни загуби. 36 3.3.3 Реакционна зона. 37 3.3.4 Изгаряне без пламък. 40

Заключения и перспективи 45 ПРИЛОЖЕНИЯ 46 A Подробности за пещта 49 B Гранични условия на NSCBC 53 C Закони на стените 55 D Числени методи, срещани в AVBP 59 Библиография 66

6 LES изчисление на безпламеното горене Фиг. 1.1 Диаграма, сравняваща различните режими на горене (Milani and Soprano, 2001). Фиг. 1.2 Сравнение на горенето с/без пламък (Milani and Soprano, 2001). 1.2 Намаляване на емисиите на азотни оксиди Ниската скорост на емисиите на азотни оксиди (NOx) е целта, която се търси при безпламенно изгаряне. Въз основа на принципа на предварително загряване на въздуха, за да се спести гориво, той запазва само предимствата. Всъщност основният проблем при предварително загряване е повишаването на температурата в края на горенето, което увеличава производството на NOx (термично) експоненциално. Трите основни пътя на производството на азотен оксид са както следва: път на топлинно производство, описан от механизма на Зелдович N2 + ONO + N (1.1) N + O2 NO + O (1.2) N + OH NO + H (1.3) ранен производствен път където азотът реагира с горивни радикали: CH + N2 HCN + N (1.4)

LES изчисление на безпламеното горене 15 Фиг. 1.11 Саморегенерираща се горелка от компанията WS. Един въздушен инжектор в центъра, шест периферни инжектора (три за гориво, три като изход за дим, редуващи се по време на цикли). Фиг. 1.12 Област на запалимост като функция от калоричността на горивото Q f, началната температура на сместа и нейното богатство, φ (Katsuki and Hasegawa, 1998). ток, описан от Maruta et al. (2000), предварително загрят въздух се инжектира от едната страна и гориво, разредено в азот, от другата страна. Тестовете бяха проведени при нормална гравитация и в микрогравитация. Границата на постно изгаряне отива по-далеч, когато температурата на подгряване се повиши (фиг. 1.13). 1.5 Други свойства Излъчващи свойства Излъчването на пламък зависи от химичните видове, участващи в реакцията. Химичните механизми, участващи в предварително загрятото и разредено горене, се различават от тези, които участват в конвенционален пламък (Gupta et al., 1999; Nicolle, 2005). Радикалите, отговорни за светимостта на пламъка, са главно С2 и СН. Тяхното участие в реакционния път, последвано от безпламенно изгаряне, е намалено.,

LES изчисление на безпламенно горене (а) 30 тона стомана на час 21 (б) 54 тона стомана на час (в) Изглед на художника във веригата Фиг. 1.20 Промишлени пещи, използващи лъчисти тръби (изображения, взети от www.flox.com) (a) Снимка на инжекторите и централната кухина (b) Изменение на NOx, CO, UHC (неизгоряло: Cx Hy) и изгаряне на температурата на газа като функция на богатството Фиг. 1.21 Пример за горелка за безпламена горивна камера и някои резултати (Guoqiang et al., 2006)

22 LES изчисление на безпламеното горене

Глава 2 Мащабна симулация Мащабна симулация (LES за силна симулация на Еди) предоставя повече информация от подходите на RANS (Reynolds Averaged Navuer-Stokes). Тези два метода прилагат оператор към уравненията на Навие-Стокс и моделират незатворени членове, но концептуално са много различни. В случая RANS ние се интересуваме от средното време или ансамбъл, всички мащаби на турбуленцията след това се моделират. В LES се разрешават големите структури и се моделират най-малките до скалата на Колмогоров (фиг. 2.1). Тогава моделът LES дава възможност за получаване на информация - Фиг. 2.1 Енергиен спектър на хомогенна изотропна турбуленция: концепция НЕстационарните на физическите полета. Този подход е много подходящ за турбулентни реактивни потоци и няколко примера свидетелстват за неговата прогностична сила (Veynante, 2006). Това дава възможност да се изследват нестабилности поради акустика и турбулентност при горене, което е невъзможно при проучване RANS. От друга страна методите LES са по-интензивни за извършване на изчисления. 23.

30 LES изчисляване на безпламеното горене DESIRE върху взаимодействията на флуидна структура в газовите турбини, FUELCHIEF върху нестабилностите на горенето, LESSCO2 за бутални двигатели, както и LESfoil и LESblade на LES, приложени към крила и лопатки на турбина. Ето и някои актуални проекти: TIMECOP-AE, INTELLECT D.M., ECCOMET. Имайте предвид, че използването на AVBP не е ограничено до Франция, например може да се цитира испанският проект SIE-MAT. Подробности за численото изпълнение на уравненията LES са дадени в допълнение Г.

Глава 3 Резултати и интерпретации 3.1 Избрана конфигурация Избраната конфигурация е експеримент, провеждащ се в CORIA (Междупрофесионален аеротермален химически изследователски комплекс) в Руан. Геометрията е съвсем проста: правоъгълна кутия 0,5м * 0,5м * 1м с вход за въздух и вход за метан от всяка страна. Изходната секция е стеснена и завършена с комин. Използваното гориво е метан. Подробности са дадени в приложение А. Тезата на Masson (2005) съдържа допълнителна допълнителна информация. Мрежата включва самата пещ е пар- Фиг. 3.1 Снимка на инсталацията (Masson, 2005). на външната атмосфера, така че условието за ограничаване на налягането да бъде отхвърлено, доколкото е възможно (фиг. 3.2). Имайте предвид, че размерът на кутията е много голям в сравнение с размера на най-малките отвори, конвективното време tc (съотношението на обема на пещта към обемните потоци въздух и метан), необходимо за евакуация от вътрешността, е огромно в сравнение с времева стъпка от изчислението на LES (tc = 13s и t = 7,10 7 s). Следователно е необходим голям брой повторения. 31

LES изчисление на безпламенно горене 33 Y k (-) 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Y CH4 Y 02 Y H2 O -0,04-0,02 0,02 0,04 x (m) Температура (K) 2500 2000 1500 1000 500-0,04-0,02 0 0,02 0,04 x (m) (a) Видове (b) Температура Фиг. 3.3 Профилите за 1D дифузионен пламък в z диаграма се състоят от линейни сегменти (Poinsot и Veynante, 2005, глава 3). Пламъкът изгаря до точката, в която сместа между реагентите е стехиометрична. Тъй като химията е безкрайно бърза, в този момент горивото и окислителят не могат да съществуват едновременно. Тогава пламъкът се намира на z = z st с z st = Масовите фракции се дават от: От страната на горивото (z> z st) От страната на окислителя (z