燃烧器三维流动和燃烧的数值模拟及优化结果

第２６卷　第３期

２００４年３月武　汉　理　工　大　学　学　报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＷＵＨＡＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．２６　Ｎｏ．３　Ｍａｒ．２００４

燃烧器三维流动和燃烧的数值模拟及优化结果

王家楣1，2，彭　峰2

（１．武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室，武汉４３００７０；２．武汉理工大学交通学院，武汉４３００６３）

摘　要：　对某大型工业燃烧器进行了三维全尺寸数值模拟。计算结果比较合理的反映了燃烧室内发生的流动以及传热、传质、燃烧等复杂的化学反应过程。针对所计算的结果，指出了该燃烧室存在的结构缺陷并通过分析、比较，提出了一种优化方案对其继续模拟计算，最终达到了优化燃烧，控制高温区的范围，生成的S O 2明显增加等主要优化目的。优化后的燃烧器投入使用后，运行情况良好，解决了原燃烧器经常出现的问题。

关键词：　燃烧器；　数值模拟；　优化方案

中图分类号：　TK 223．23；　V 211．1文献标识码：　A 文章编号：１６７１－４４３１（２００４）０３－００７９－０４

收稿日期：２００３－１０－２４．

基金项目：国家“８６３”计划（２００２ＡＡ３３５０５０）．

作者简介：王家楣（１９５１－），女，副教授．Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｍｗａｎｇ＠ｍａｉｌ．ｗｈｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ

传统的燃烧器设计主要依赖于经验公式，由于测试手段、方法的限制，难于获得燃烧器内部流场的真实详细信息。因而造成了以往高性能产品的总体设计完成之后，需要对其反复测试、修改才获得研制成果。随着计算机技术和计算流体力学（ＣＦＤ）的发展，利用ＣＦＤ来研究燃烧器内部湍流，多组份扩散，化学反应等复杂流动现象，为设计定型提供了有力的参考依据，尤其在燃烧器技术方案论证及优化设计中起着越来越重要的作用。所采用的计算模型为某废气处理装置上的燃烧器，其用途为处理石油副产品中的大量酸性废气，主要成分为Ｈ２Ｓ、ＮＨ３和各种大分子碳氢化合物。

通过将酸性废气充分燃烧得到ＳＯ２，再经水吸收制成硫酸。经废气处理装置对这些气体加以利用，既可提高企业生产的综合效益，又可降低大气污染。该装置在实际运行中，产物内有大量的硝酸，且烧嘴容易烧坏。采用大型ＣＦＤ软件ＦＬＵＥＮＴ６．０对原燃烧器进行数值分析，找到了原燃烧器设计上的结构缺陷，在此基础上提出优化方案，优化方案的数值模拟结果表明，优化后的燃烧器的性能得到明显改善。优化方案投入使用后，经检测结果表明产物内的硝酸成分明显降低，且烧嘴工作状况良好。解决了原燃烧器经常出现的不良问题。

1　数学模型

燃烧室内为强湍流流动，采用ｋ－ε双方程模型。其连续方程，动量方程，能量方程及ｋ－ε

方程在柱坐标下的通用形式为［１，

２］ｔ（ρｕφ）＋ｒｒ（ｒρｖφ）＋ｒθ（ρｗφ）＝ｘΓφφｘ燏＋ｒｒｒΓφφｒ燏＋φｒ２θ燏Γφφθ＋Ｓφ（１）

式中，φ为流体的应变量，Γφ为流体相对于φ的交换系数，Ｓφ为源项，在方程（１）中，若设φ＝１，Γφ

＝０，则可导出连续方程；若设φ＝ｕ、ｖ、ｗ，Γφ＝μｅ，则可分别导出ｘ、ｒ、θ方向的动量方程；若设φ＝ｋ、ε，Γφ＝μｅ／σｋ，μｅ／σε，则可导出ｋ－ε方程；若设φ＝ｃｐＴ，Γφ＝μｅ／σｋ，

则可导出能量方程。由于标准的ｋ－ε

湍流模型对强旋射流的模拟不能令人满意，在计算中采用了ＦＬＵＥＮＴ提供的一个修正模型——Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅｋ－ε模型［３，４］。该模型继承了标准ｋ－ε

模型良好的收敛性，同时能较好模拟旋转射流的细致结构，而所需计算量增加不多。采用ＳＩＭＰＬＥ法求解雷诺平均的Ｎ－Ｓ方程，

同时采用标准壁面函数。采用２种不同的燃烧模型分别求解，并作相互印证。一种是非绝热的ＰＤＦ模型，不是求解单个组份的输运方程，而是求解混合组份份数的输运方程，各组份浓度由混合份数分布求得。该模型用概率密度函数ＰＤＦ来考虑湍流效应，适

用于湍流扩散火焰的模拟和类似反应过程。其反应机理通过化学平衡计算来处理。另一种是有限速率模型，需要准确的给出化学反应的细节。而反应与湍流的相互作用采用涡扩散原则，即主要由湍流控制反应速率。因对该燃烧室内实际反应过程的了解有限，而大量的中间反应无法给出详尽的数学表达，故采用２种反应模型分别模拟，相互印证是有必要的。ＰＤＦ模型的计算结果体现出详细的中间反应信息，而有限速率模型的结果体现主要反应的影响。２个计算结果的相互印证有助于对燃烧室内的实际反应过程的深入认识。燃烧的模拟共涉及种元素，１８种组份。在有限速率模型中定义的主反应为式（２）和式（３），附反应为式（４）。

２Ｈ２Ｓ＋３Ｏ２２Ｈ２Ｏ＋２ＳＯ２　４ＮＨ３＋３Ｏ

２２Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ　２ＮＨ３Ｎ２＋３Ｈ２（２）４ＮＨ３＋５Ｏ２４ＮＯ＋６Ｈ２Ｏ

（３）Ｃ３Ｈ８＋５Ｏ

２３ＣＯ２＋４Ｈ２Ｏ ＣＨ４＋２Ｏ２ＣＯ２＋２Ｈ２ＯＣＯ２＋Ｈ２ＳＣＯＳ＋Ｈ２Ｏ ＣＯ２＋２Ｈ２ＳＣＳ２＋２Ｈ２Ｏ（４）

对于ＮＯｘ模型，以后处理方式，在获得准确的温度场和浓度场的基础上求解ＮＯ的输运方程，模拟３种ＮＯｘ类型，即为ＴｈｅｒｍａｌＮＯｘ，ＰｒｏｍｐｔＮＯｘ和ＦｕｅｌＮＯｘ。其中，ＴｈｅｒｍａｌＮＯ

ｘ模型采用扩展Ｚｅｌｄｏｖｉｃｈ机制，ＰｒｏｍｐｔＮＯｘ所占比例很小；对于ＦｕｅｌＮＯｘ生成，主要是ＮＨ３的转化，使用的方程为式（３）和式（６）。辐射

模型采用Ｐ－１模型。它是Ｐ－Ｎ模型的简化，适用于大尺度辐射的计算。Ｎ＋Ｏ２Ｏ＋ＮＯ Ｏ＋Ｎ２Ｎ＋ＮＯ Ｎ＋ＯＨ

Ｈ＋ＮＯ（５）４ＮＨ３＋６ＮＯ５Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ

（６）2　几何结构、网格和边界条件

图１　原燃烧器几何剖面图 原燃烧器几何结构如图１所示。酸性气体由上部的进气口进入燃烧室。空气通

过中部进气口进入，再经过２级稳压室和旋流片组，到达喷口，与燃料气体混合。空

气通流部位，特别是经过旋流片部位结构复杂，几何尺寸变化大。这里采用大量非

结构化网格，较好模拟出真实的情况。而其它部分，则尽量使用结构化六面体网格。

旋流片部分使用了大约４０万个四面体网格，总网格数量大约８０万个。由挡板的网

格看出，挡板上部使用四面体网格，而下部使用六面体网格。燃烧器结构优化方案

不同，其网格也有一定差别。但网格的大体情况一致，数目也在相当的水平。数值计

算的边界条件与燃烧器实际工作条件一致。燃料气体成分如表１所示。在燃料入口

和空气入口采用‘质量入口边界’，给定流量，温度和恰当的湍流参数。在燃烧室出

口采用‘压力出口边界’，给定出口背压、温度、回流参数和适当湍流参数。给定燃

烧室壁面温度，以考虑辐射的影响。其具体数值为：燃料入口流

量　１．２４ｋｇ・ｓ－１；燃料入口温度　３１３Ｋ；空气入口流量　

１１．１８７ｋｇ・ｓ－１；空气入口温度　５３３Ｋ；燃烧室压力　１０ｋＰａ；燃

烧室壁面温度　１３２３Ｋ。表1　燃料气体成分 w ／％Ｈ２ＳＣＯ２ＣＨ４ＮＨ３Ｃ３Ｈ８Ｈ２Ｏ７２．６６２０．４４２２．４１．５１3　原燃烧器计算结果和讨论

针对原燃烧器进行数值模拟，并与实际运行燃烧器相应的数据对比。图２为燃烧室压力云图，结果表明空气流经部位的压力损失主要发生在旋流片至喷口处。图３为燃烧室速度场。由于喷口至燃烧室结合处的几何结构，使得空气与燃料气体在喷口混合后，快速改变方向，在尖角处形成高速区，而在其下面形成较强的回流区，但混合气体在燃烧室轴线上的速度较低。图４显示燃烧室温度场。从图示情况看，火焰面较小，接近喷口。综合计算结果和实际运行情况的比较表明，原燃烧器的主要问题在于：１）空气流经处结构过于复杂，造成较大流动损失。即空气要经过２次混合（两层稳压室），旋流片，再转过一直角才达喷口。实际运行也反映空气流经处流动阻力过大，空气流量升不上去。２）喷口到燃烧室处的几何结构造成射流在燃烧室颈部快速分离，轴线上速度较低，而回流较强。结果是高温区集中，火焰面贴近喷口。这是燃烧器喷嘴被烧坏的主要原因３）由于燃烧集中于喷口附近，燃烧变坏，污染物水平较高。４）由于混合气体在燃烧室轴线上的速度较低，高温区集中，火焰面贴近喷口，在火焰尾端和火焰中部生成的ＳＯ２水平较低（见图８）。

０８ 武　汉　理　工　大　学　学　报 ２００４年３月