气流床气化炉数值模拟中化学反应模型的对比

2022-09-11

1 化学反应模型的介绍

Fluent中的反应模型主要分为三种, 一种为快速反应模型, 包括涡耗散模型、预混燃烧模型、非预混燃烧平衡模型、部分预混模型;另外一种为有限速率模型, 包括层流有限速度模型、涡耗散概念模型、概率密度输运燃烧模型和层流小火焰模型 (稳态/非稳态) 。最后为其它一些模型, 包括离散相模型、污染物形成模型和表面反应。如果流动为层流, 则可直接选择层流有限速率模型, 如果流动为湍流, 则需进一步考察[1]。

气化炉内流动属于湍流, 对于燃料和氧化剂通过多股射流, 以非预混的形式送入炉内, 可以考虑选择有限速率/涡耗散模型、非预混模型、涡耗散概念模型和PDF组分输运模型。文中将有限速率/涡耗散模型与涡耗散概念模型进行对比。

2 模拟对象

本文数值模拟的对象为气化炉三维空间, 模型及计算网格如图1所示。

3 模拟结果与分析

3.1 速度场的对比

炉内存在流体力学各异的三个区, 即射流区、回流区和管流区。在喷嘴附近为射流区。在射流喷出的周围空间内形成回流区。射流衰减到一定程度, 则形成管流区, 一直延伸到炉膛出口。图2中左图为使用涡耗散概念模型模拟的速度场, 可以看出左图流场均匀, 射流区内速度从上到下逐渐减小, 射流的宽度也逐渐增大;回流区中速度在炉体中间最大;管流区中, 由于受缩口的影响, 速度有所增加。右图为有限速率/涡耗散模型模拟的速度场, 速度场向右偏移, 流场不对称, 而且也看不出炉内的三区分布。

3.2 温度场的对比

气化炉的温度分布如图3所示。左图为使用涡耗散概念模型模拟的温度场, 从图中可以看出, 气化炉内存在明显的火焰结构。喷嘴出口附近存在一个高温区, 射流区温度比回流区内温度高, 高温区延伸至回流区底部。从上到下, 炉体整体温度先升高后降低。右图为有限速率/涡耗散模型模拟的温度场, 可以看出, 整体温度场看不出明显的火焰结构, 下部高温区向左偏移, 出现不规则高温区。