Розрахунок LES безполярного горіння - PDF Завантажити безкоштовно

Розрахунок безполярного горіння Майстер з питань енергетики, аеронавтики та космічних досліджень Спеціалізація з аеронавтики та космічної практики - вересень 2006 р. Ронан VICQUELIN Ecole Centrale Париж Керівник: Тьєррі Пуанзо - CERFACS Директор групи CFD Реф. CERFACS: WN/CFD/06/70

безполярного

Контактні дані Стажер: Ронан ВІКВЕЛІН: CERFACS 42, пр. Г. Коріоліс 31057 Тулуза Седекс, Франція Тел: 33 5 61 19 30 19 Факс: 33 5 61 19 30 00 Електронна адреса: [email protected] Керівник: Тьєррі Пойнсо: CERFACS 42, Av. G. Coriolis 31057 Тулуза Седекс, Франція Тел: 33 5 61 19 30 34 Факс: 33 5 61 19 30 00 Електронна адреса: [email protected]

Зміст Позначення 1 Вступ 3 1 Вступ до безпламкового горіння 5 1.1 Характеристики безпламкового горіння. 5 1.2 Зменшення викидів оксидів азоту. 6 1.3 Розведення реагентів. 11 1.4 Попередній нагрів. 13 1.5 Інші властивості. 15 1.6 Механізми та моделі безполярного горіння. 17 1.7 Програми. 18 2 Широкомасштабне моделювання 23 2.1 Фільтрування. 24 2.2 Рівняння. 24 2.3 Використані моделі. 25 2.3.1 Моделі підмережі. 25 2.3.2 Граничні умови. 26 2.3.3 Модель випромінювання. 27 2.3.4 Модель кінетичної хімії. 27 2.4 Код AVBP. 29 3 Результати та інтерпретації 31 3.1 Вибрана конфігурація. 31 3.2 Нестійке нерозтягнуте одновимірне полум’я. 32 3.3 Розрахунок 3D. 34 3.3.1 Видові поля. 34 3.3.2 Теплові втрати. 36 3.3.3 Зона реакції. 37 3.3.4 Безперечне горіння. 40

Висновки та перспективи 45 ДОДАТКИ 46 A Деталі печі 49 B Граничні умови NSCBC 53 C Закони стін 55 D Числові методи, що зустрічаються в AVBP 59 Бібліографія 66

6 Розрахунок LES безполярного горіння Рис. 1.1 Діаграма, що порівнює різні режими горіння (Мілані та Сопрано, 2001). Рис. 1.2 Порівняння горіння з полум’ям або без нього (Мілані та Сопрано, 2001). 1.2 Зниження викидів оксидів азоту Низька швидкість викидів оксидів азоту (NOx) - це мета, яка досягається безполярним згорянням. Заснований на принципі попереднього нагрівання повітря для економії палива, він лише зберігає переваги. Насправді, основною проблемою попереднього нагрівання є збільшення температури закінчення горіння, що збільшує вироблення NOx (термічно) в геометричній прогресії. Три основні шляхи виробництва оксиду азоту такі: шлях теплового виробництва, описаний механізмом Зельдовича N2 + ONO + N (1.1) N + O2 NO + O (1.2) N + OH NO + H (1.3), ранній шлях виробництва де азот реагує з паливними радикалами: CH + N2 HCN + N (1.4)

LES розрахунок безполярного горіння 15 Рис. 1.11 Саморегенеруючий пальник від компанії WS. Одна форсунка повітря в центрі, шість периферійних форсунок (три - для палива, три - для виходу диму, що чергується протягом циклів). Рис. 1.12 Домен горючості як функція теплотворної здатності палива Q f, початкової температури суміші та її багатства, φ (Katsuki and Hasegawa, 1998). струм, описаний Maruta et al. (2000), попередньо нагріте повітря впорскується з одного боку, а паливо, розведене в азоті, - з іншого. Випробування проводили в нормальній вазі та в мікрогравітації. Межа вигорання збивається далі, коли температура попереднього нагрівання підвищується (рис. 1.13). 1.5 Інші властивості Випромінювальні властивості Випромінювання полум’я залежить від хімічних речовин, що беруть участь у реакції. Хімічні механізми, що беруть участь у попередньо нагрітому та розбавленому згорянні, відрізняються від механізмів, що беруть участь у звичайному полум’ї (Gupta et al., 1999; Nicolle, 2005). Радикалами, відповідальними за світність полум'я, є в основному С 2 і СН. Їх участь у реакційному шляху, що супроводжується безвідмінним горінням, зменшується.,

Розрахунок LES безполярного згоряння (а) 30 тонн сталі на годину 21 (б) 54 тонни сталі на годину (в) Вид художника всередині ланцюга Рис. 1.20 Промислові печі з використанням променевих трубок (зображення взяті з www.flox.com) (a) Фотографія форсунок та центральної порожнини (b) Варіації NOx, CO, UHC (незгорілі: Cx Hy) та температура спаленого газу як функція багатства Рис. 1.21 Приклад пальника для безполярної камери згоряння та деякі результати (Guoqiang et al., 2006)

22 LES розрахунок безполярного горіння

Глава 2 Широкомасштабне моделювання Широкомасштабне моделювання (LES для моделювання великих вихрів) надає більше інформації, ніж підходи RANS (усереднений Рейнольдсом Навуер-Стокс). Ці два методи застосовують оператор до рівнянь Нав'є-Стокса та моделюють незамкнуті доданки, але концептуально дуже різні. У випадку RANS нас цікавить тимчасове або ансамблеве середнє значення, потім масштабуються всі масштаби турбулентності. У LES вирішені великі структури та змодельовані найменші до шкали Колмогорова (рис. 2.1). Тоді модель LES дає змогу отримати інформацію - Рис. 2.1 Енергетичний спектр однорідної ізотропної турбулентності: концепція НЕСТАЦІЙНОСТІ на фізичних полях. Цей підхід дуже добре підходить для турбулентних реактивних потоків, і кілька прикладів свідчать про його прогнозуючу силу (Veynante, 2006). Це дозволяє вивчати нестабільність внаслідок акустики та турбулентності при згорянні, що неможливо при дослідженні RANS. З іншого боку, методи LES є більш ресурсоємними для проведення розрахунків. 23

30 LES розрахунок безполярного згоряння DESIRE на взаємодію структури рідини в газових турбінах, FUELCHIEF на нестабільність горіння, LESSCO2 для поршневих двигунів, а також LESfoil і LESblade на LES, застосованих до крил і лопаток турбіни. Ось також декілька поточних проектів: TIMECOP-AE, INTELLECT D.M., ECCOMET. Зауважте, що використання AVBP не обмежується Францією, наприклад, можна цитувати іспанський проект SIE-MAT. Детальна інформація про чисельну реалізацію рівнянь LES наведена у Додатку D.

Глава 3 Результати та інтерпретації 3.1 Вибрана конфігурація Вибраною конфігурацією є експеримент, що проводиться в CORIA (Міжпрофесійний аеротермальний хімічний дослідницький комплекс) у Руані. Геометрія досить проста: прямокутна коробка розміром 0,5 м * 0,5 м * 1 м з повітрозабірником і входом метану з кожного боку. Секція випуску звужується і закінчується димоходом. Паливом, яке використовується, є метан. Деталі наведені в додатку А. Теза Массона (2005) містить додаткову додаткову інформацію. Сітка включає саму піч є пар- Рис. 3.1 Фотографія інсталяції (Masson, 2005). зовнішньої атмосфери, щоб максимально відхилити умову граничного тиску (рис. 3.2). Зауважте, що розмір коробки дуже великий у порівнянні з розміром найдрібніших сіток, конвективний час tc (відношення об’єму печі до об’ємних потоків повітря та метану), необхідне для евакуації всередину, величезне порівняно з часовий крок розрахунку LES (tc = 13 с і t = 7,10 7 с). Тому необхідна велика кількість ітерацій. 31

Розрахунок LES безполярного горіння 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 (м) Температура (K) 2500 2000 1500 1000 500-0,04-0,02 0,02 0,04 х (м) (а) Види (б) Температура Рис. 3.3 Профілі для одновимірного дифузійного полум'я на z-діаграмі складаються з відрізків ліній (Poinsot and Veynante, 2005, Chap. 3). Полум'я горить до такої міри, що суміш між реагентами є стехіометричною. Оскільки хімія нескінченно швидка, паливо та окислювач не можуть співіснувати в цей момент. Потім полум'я розташовується на z = z st з z st = Масові частки даються таким чином: На стороні палива (z> z st) На стороні окислювача (z