掺氢比对高Ka数射流预混湍流火焰的影响

俞森彬，刘 潇, 2，周 波

掺氢比对高数射流预混湍流火焰的影响

俞森彬1，刘 潇1, 2，周 波3

(1. 隆德大学能源科学系，隆德 22100，瑞典；2. 哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，哈尔滨 150001；3.南方科技大学力学与航空航天工程系，深圳 518055)

在同步多物种平面激光诱导荧光(PLIF)测量的实验基础上，采用大涡模拟(LES)湍流模型耦合输运概率密度函数(TPDF)燃烧模型，以及44组分及268步CH4化学反应机理模拟了CH4/H2/空气混合气的不同掺氢比(0，20%，50%)时对高数下预混湍流射流火焰的影响．结果表明，LES耦合TPDF模型可以较为准确地捕捉火焰高度，模拟该类火焰的速度分布、反应锋面CH的分布以及火焰褶皱及局部熄火等现象．随着掺氢比的升高，火焰高度降低，火焰根部的局部熄火得到显著改善．相比于掺氢，在未掺氢时，由于其更小的临界拉伸率及更少的H2与伴生火焰带来的自由基反应的机会，使得火焰根部出现局部熄火更为频繁．同时进一步发现，火焰根部的燃烧模式与主燃烧区域存在很大区别，火焰根部的扩散作用更为显著．

分布反应区；局部熄火；燃烧模式；大涡模拟-TPDF燃烧模型；掺氢

近年来，为了更深入地研究预混湍流火焰在分布反应区内的表现，Michigan大学[5-6]，Lund大学等[7]机构依靠激光测量平台相继开展了细致的实验研究．Wabel等[8]发现在数略超过100的情况下，火焰仍保持着预热层被增厚，而反应区仍保持很薄的状态，与薄反应区内的火焰形态极为相似．Zhou等[9]则发现，在分布反应区内，CH燃料中与释热率有直接联系的CH及HCO层有一定程度的增厚．

掺氢作为一种降低排放的有效手段，近年来也受到极大重视[10]．在高数下的分布反应区中，由于湍流涡尺度与反应区厚度一个量级，H2的高扩散性将会在火焰的发展中起到很大作用，因此对其的研究显得尤为重要．为此，Lund大学也开展了一系列的研究．

以上的精细实验数据为进一步发展及验证湍流燃烧模型在分布反应区的表现，具有重大的意义．相比于RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)较低的准确度和直接数值模拟DNS(direct numerical simulation)的昂贵计算成本，大涡模拟LES(large eddy simulation)是一种性价比很高的模拟方法，其可以在接受范围内的计算成本捕捉到较为细致的湍流流场中涡团的运动特征[11]．另一方面，湍流燃烧模型的难点在于如何封闭化学反应源项时将湍流和燃烧之间的相互作用考虑在内．因为高数下相互作用很强，需要合适的模型对其进行求解．湍流输运概率密度函数(TPDF)模型[12]方法不再对湍流与火焰之间的相互作用进行假设，因此其可通用在各种类型的燃烧中，包括高数下的湍流预混火焰，并且适合处理带有自点火[13]、局部熄火及再燃等[14]湍流火焰强烈的相互作用的燃烧问题．本文将采用44物种、268步CH4机理，利用LES耦合输运PDF燃烧模型对Lund大学的LUPJ系列掺氢火焰进行了数值模拟，验证LES/PDF模型在捕捉高数分布反应区内火焰的效果，同时分析掺氢比(分别为0，20%，50%)对火焰形态及燃烧模式的影响．

1 数值方法

1.1 LES湍流模型

LES中大尺度流动通过直接计算，而小尺度流动通过模型来封闭．经过盒式滤波函数滤波后的质量方程、动量方程表示为

其中的二阶矩项则通过模型来封闭，其中右边最后一项即SGS应力项用涡黏假设，即

1.2 PDF燃烧模型

2 实验及边界条件

图1 实验装置示意及计算域网格划分

计算区域为包含燃烧器及部分外部环境的倒圆台，如图1(b)所示．底面直径为70，高度70，顶部直径为105，中央长直管为20．速度入口采用“MAP”的方式从长直管下游距出口5mm处截面获得速度场值一直输入到速度入口处，相当于是在无限长的直管内流动，以此产生充分发展湍流．燃烧室底部最小网格尺度为0.03mm，沿轴向及径向增大，网格总数约500万．入口边界条件设置为质量流量入口，温度为室温298K；出口及外侧自由边界条件设置为常温常压环境；壁面设置为无滑移．采用开源软件OpenFOAM编写代码求解上述方程，时间离散采用backward二阶方法，空间离散采用高斯线性二阶方法求解，压力速度耦合采用PISO方法求解．

3 计算结果与讨论

图3为不同掺氢比下几种中间基(H2、CH、OH)及热释放率(HRR)的瞬时结构图．可以看出，反应前置物H2分布在靠近未燃混气的一侧，而OH则靠近已燃物的一侧，同时CH和HRR在当前高数下的分布位置几乎一致，保持较薄的状态，可作为释热区的标志物．并且PDF燃烧模型可以很好地捕捉到火焰褶皱结构以及局部火焰孤岛现象．随着掺氢比的增大，H2在上游的分布更加集中，而H2与O反应生成的OH也自然更靠近上游，同时介于H2与OH之间的CH反应层也更靠近上游，表明H2作为重要的反应中间基，也可有效促进反应的进行，使得火焰高度变短，根据质量流量守恒，其对应的湍流火焰速度也更高，能与更高的来流速度在上游达成平衡．值得注意的是，在低掺氢比下的射流火焰根部，CH及OH的分布均较小，释热率也不明显，表明火焰在高速下有出现局部熄火的可能，而PDF模型正好可以捕捉到这一现象．随着掺氢比的升高，火焰根部的局部熄火现象得到明显改善，射流火焰变得更为连续．未燃混合气在出口处，由于伴生火焰扩散而来的热量及自由基能够加速化学反应的进行，而H2具有很高的扩散性，很快就在伴生火焰带来的热量下转化成自由基，从而促进火焰在根部的持续稳定燃烧．由此可以推测，方程中的扩散项在火焰根部占据比较重要的地位．

图3 瞬时中间产物H2、CH、OH及热释放率HRR分布

图4 平均轴向速度及脉动速度沿轴向的分布

图5给出了实验和LES得到的平均及脉动的归一化CH体积分数在不同高度沿径向的分布对比．从图中可以看出，由于CH信号在火焰反应区外信号较弱，因此其实验值存在一些噪点．模拟和实验值对于平均和脉动的归一化CH体积分数在上游/＝5、下游＝25这两个高度上均吻合得很好，虽然对于火焰中部＝15会略为过度预测其宽度(更宽)，这可能是由于LES模拟中湍流的大涡耗散更快，导致其结构更向外扩张，但其整体的趋势吻合得很好．总体来看，此模型可以很好地捕捉以CH为代表的火焰反应区锋面．

图6显示了H2在两个高度下随进展变量变化的分布．进展变量根据温度定义为(－u)/(b－u)，u为外界环境温度298K，三者的绝热温度b在此很接近，均在1660K附近，在此取层流火焰的1660K作为b．在掺氢比为0时，＝15下，H2随着进展变量增大先增大后减小，这是由于在＜0.64时，H2作为中间物种被生成，之后则开始被消耗生成其他自由基．而在＝30时，H2则一直被消耗而减少，直至＞0.75被消耗完全．在掺氢比为20%及50%下，两者则表现出类似的规律．在/为15和30时，由于出口处的H2含量较高，H2一致被消耗，但在＜0.64前，H2含量减小的斜率较低，这是由于生成CH4一部分中间反应会生成H2，使得H2消耗率相较于＞0.64时较低，随后H2一直到～0.75附近被消耗完全．值得注意的是，不论掺氢与否，H2最终被消耗完全所对应的进展变量非常接近，这也表示温度达到一定高度，H2即被完全消耗．

图7为3种掺氢比下OH在进展变量空间下的分布．类似的是，在火焰中部位置＝15，OH开始随着温度的上升而有一个显著的上升，且最高点均在～0.7附近，随后OH则被快速消耗，高温化学反应起更大作用．但随着掺氢比的上升，OH开始出现的位置不断前移，即可在较低的温度下形成OH．这是由于伴生火焰携带的热量及残余O自由基与掺氢工况下的大量H2发生一系列低温化学反应，促进了OH的提早出现．这也表明在射流火焰底部，伴生火焰中的自由基扩散及热量传输对稳定火焰起到很大帮助．而在更下游位置的＝30，高OH含量全部集中在高进展变量下，且在很窄的范围内，被高温化学反应快速消耗．

图6 3种掺氢比下H2在不同高度下随着进展变量的变化

图7 3种掺氢比下OH在不同高度随着进展变量的变化

为了说明火焰根部和火焰下游的燃烧模式存在区别，图8和图9分别给出了为5及30，3种掺氢比扩散项与反应项的散点分布图．可以看出，在掺氢比为0时，H2量较小(小于1kg/(m3·s)，但其扩散项大于反应项，表明此时的H2主要是来自于伴生火焰带来的自由基．随着掺氢比的逐渐上升，H2量明显上升，且其扩散项逐步和反应项处于1个数量级，并在掺氢比50%时超过反应项，说明了燃料中的H2在火焰根部的反应中逐步占据主导地位，进而影响火焰形态．而CH则在此处一直由反应项占据主导地位，主要由化学反应生成而非扩散．不同的是，CO2作为主要产物一直由扩散项占据主导地位，这是由于火焰根部的伴生火焰接近完全燃烧，大量的产物向射流火焰扩散，而射流火焰此时刚开始燃烧，尚未能生成大量产物．表明火焰根部刚进入燃烧状态，并受伴生火焰影响较大．

图9则说明了在射流火焰的下游，化学反应项占据主导地位(反应项为扩散项的数倍)，包括H2、CH及CO2．尤其是CO2项的分析，表明产物正在此处大量生成．

以上已经说明了火焰根部及火焰燃烧主区域燃烧模式上存在本质上的区别，下面将进一步给出低掺氢比下火焰根部会出现当地熄火的另一个原因，即高的拉伸率会引起火焰熄灭．图10为未掺氢时火焰根部位置/＝5处的OH体积分数及温度随着拉伸率的变化．从图中可以看出，随着拉伸率的上升，OH体积分数及温度会有显著的下降，表明在拉伸率超过一定临界值后，火焰即有淬熄的可能．而掺氢之后，由于H2的高扩散性使得其临界拉伸率增大，在本文中三者近似的流动环境下，掺氢后的火焰更难熄火．

图8 x/d＝5时3种掺氢比下的输送项分析

图9 x/d＝30时3种掺氢比下的输运项分析

图10 火焰根部的温度及OH体积分数随着拉伸率的变化

4 结 论

(1) LES/PDF模型可以较为准确地捕捉火焰高度、火焰结构甚至局部熄火现象．而随着掺氢比的升高(0、20%和50%)，火焰高度降低，火焰根部的局部熄火明显改善．

(2) 相比于掺氢，在未掺氢时，由于其更小的临界拉伸率及更少的H2与伴生火焰带来的自由基反应的机会，使得火焰根部出现局部熄火更为频繁．

(3) 同时进一步发现，扩散和反应率在火焰根部及下游区域存在显著差别，扩散在根部(＝5)作用很大(扩散项与反应项大小接近)，而在下游(＝30)反应项则起主导作用(反应项远大于扩散项)，由此也使得不同位置处的火焰燃烧模式存在很大区别.

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Effects of Hydrogen Blending Ratio on Turbulent Premixed Pilot Jet Flame at High Karlovitz Number

Yu Senbin1，Liu Xiao1, 2，Zhou Bo3

(1. Department Energy Sciences，Lund University，Lund 22100，Sweden； 2. College of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；3. Department of Mechanics and Aerospace Engineering，Southern University of Science and Technology，Shenzhen 518055，China)

The effects of hydrogen blending ratio(0，20%，50%) on the turbulent premixed pilot jet flame at a high Karlovitz number were studied using the large eddy simulation(LES) coupled transport probability density function (TPDF) method with the 44-species and 268-reactions chemical mechanism. The results show that the LES/TPDF model can capture flame height，flame velocity distributions CH distributions，flame wrinkling and local quenching. With the increase of hydrogen blending ratio，the flame height decreases and the flame continues at the flame root. Compared with hydrogen blending，local quenching occurs more frequently in the case in which no hydrogen is blended due to the smaller critical strain rate and less chance of hydrogen reacting with radicals from pilot flame. Furthermore，the diffusion at the flame root is far more obvious than that downstream the flame，indicating that the flame modes at different locations could be totally different.

distributed reaction zone；local quenching；combustion mode；LES-TPDF combustion model；hydrogen blending

TK11

A

1006-8740(2021)01-0052-08

10.11715/rskxjs.R201911001

2020-01-28．

国家科技重大专项资助项目(2017-Ⅲ-0006-0031)；黑龙江省博士后基金资助项目(LBH-Z18049).

俞森彬（1990—  ），男，博士研究生，senbinyu@163.com．

刘 潇，男，博士，副教授，liuxiao_heu@163.com.