收稿日期：2014-10-14。
基金项目：山东省科技发展计划（2012GGX10421）。
作者简介：周乃香（1987-），女，山东潍坊人，工程师，硕士，主要研究方向为强化换热与节能技术。
E-mail ：queenznx@ 通讯作者：冷学礼（1977-），男，山东潍坊人，副教授，博士，主要研究方向为强化换热与节能技术。
E-mail ：lengxl@H 2/N 2同轴喷射湍流火焰的数值研究周乃香1，艾旭1，冷学礼2，荣启华3（1.山东省城乡规划设计研究院，山东济南250013； 2.山东大学能源与动力工程学院，山东济南250061；3.肥城市城市热力有限公司，山东泰安271600）摘要：利用Ansys Fluent 模拟了H 2/N 2的同轴喷射湍流燃烧情况，采用雷诺时均法（Reynolds-AveragedNavier-Stokes ，RANS ）处理燃料与氧化剂的湍流流动，涡扩散概念（Eddy Dissipation Concept ，EDC ）模型用来耦合湍流与化学反应。
得到了燃烧室内部的温度（T ）、混合分数（f ）、H 2、O 2以及H 2O 的质量分数（F ），并与实验结果进行了对比。
结果表明，T 沿轴向方向逐渐增大，f 沿轴向逐渐降低。
在火焰区域沿径向，T 和F （H 2O ）先增大后降低，F （H 2）逐渐降低，F （O 2）逐渐升高，最后均稳定于伴随流的入口值。
虽有一定偏差，但模拟结果较好地预测了实验结果的趋势。
综合考虑两种RANS 模型与实验结果的吻合情况，推荐RSM 湍流模型结合EDC 模型来研究类似的喷射燃烧情况。
关键词：喷射火焰；H 2/N 2燃烧；数值模拟；EDC 模型中图分类号：TK91文献标志码：A文章编号：1671-5292（2015）07-1086-050引言随着能源危机以及环境问题的日益严重性，强化换热以及新能源的利用已经成为一个保证可持续发展的重要课题，国家的能源战略规划中将新能源的开发利用作为重点支持和发展的对象。
新能源的分类较多，氢能[1]、水能、太阳能、核能、地热能、海洋能等是现在较为热门的研究方向。
氢气作为一种高效清洁的燃料，在航空航天、氢能汽车[2]以及燃料电池[3]等多个领域有着重要的应用。
对氢能的研究主要集中于氢气的制备[4]、储存[5]等领域，伴随燃料电池的发展，对氢气的利用研究也逐渐增多。
由于氢气混合火焰燃烧特性的机理复杂，对于氢气的燃烧设备设计以及利用研究还较少。
探索氢气的燃烧湍流火焰特性和燃烧稳定性，对于设计氢气燃烧器有着重要的作用，为此，国内外学者进行了一些实验和数值研究。
BarlowrS 实验研究了CO/H 2/N 2的混合燃烧，发现湍流燃烧中的扩散效应小于层流燃烧[6]。
Cabrar 设计了一个实验用的同轴H 2/N 2燃烧器，利用拉曼-瑞利激光诱导荧光方法对氢气燃烧进行实验研究，测定了不同截面各组分的含量以及火焰形态并和模拟结果进行了对比，模拟结果和实验结果吻合较好[7]。
Myhrvoldt 对H 2/N 2的同轴燃烧进行了数值模拟，发现火焰稳定于化学反应与湍流小尺度混合的平衡点[8]。
Cao R R 采用预混燃烧模型研究了湍流提升火焰，发现轴流温度提升1%会使抬升高度提高2倍[9]。
Duwigc [10]采用大涡模拟湍流模型研究了H 2燃烧时火焰的动态特性以及稳定机理。
Luo Kun [11]利用DNS 方法研究了H 2火焰的结构以及燃烧特性，数值结果与实验对比较好。
大涡模拟（Large Eddy Simulation ，LES ）和直接数值模拟（Direct Numerical Simulation ，DNS ）可以精确捕捉较小的湍流涡，具有较高的精度，但对于计算资源的消耗以及配置要求较高，目前在工程实际中还很难得到广泛的应用。
本文主要使用雷诺时均方法（RANS ）研究H 2/N 2的湍流燃烧情况，并与Cabrar [7]的实验进行对比，探究简化的EDC 模型耦合RANS 湍流模型在H 2/N 2燃烧中应用的可行性。
1物理模型及数学描述本文的模拟主要与Cabrar 的H 2/N 2同轴燃烧实验进行对比，燃烧室如图1所示[7]。
H 2/N 2作为喷射燃料由轴线处的喷嘴喷出，喷嘴周围伴随H 2/空气，燃料在燃烧室内进行混合燃烧，测定距离喷嘴不同位置处各组分的含量及温度值的变化规律。
可再生能源Renewable Energy Resources第33卷第7期2015年7月Vol.33No.7Jul.2015·1086·DOI:10.13941/ki.21-1469/tk.2015.07.020整个反应室为轴对称结构，将问题简化为二维轴对称模型，几何模型及网格划分情况如图2所示。
模型尺寸为105mm ×200mm ，喷嘴直径d =4.57mm ，轴向以x /d 为坐标值，径向以r /d 为坐标值，其中r 代表径向坐标值，x 代表轴向坐标值。
考虑到燃烧火焰的氢气氧气界面流动变化剧烈，对中心轴附近进行了网格加密，同时由文献[11]中可以看出，基本长度方向在25d 以后各参数基本稳定，仅对长度0~25d 划分较密网格。
整个计算区域网格数目为48000个，对网格进行数量加倍后的计算结果与当前网格密度的相对误差小于1%，当前网格已经满足无关性检测，本文最终采用网格数目为48000个。
边界条件的设定如图2所示，轴流和伴随流区域设为速度入口（Velocity inlet ）边界条件，其值如表1所示。
上壁面设为无滑移壁面（Wall ）边界条件，温度设为伴随流的温度305K 。
出口设为压力出口（Pressure outlet ）边界条件，下边界设为Axis 边界。
H 2/N 2燃烧的流动与换热控制方程如下。
质量连续方程：坠坠x （ρv x ）+坠坠r（ρv r ）+ρv r r ＝S m（1）动量守恒方程：坠（ρv ）+荦·（ρvv ）=-荦P+荦·[μ（荦v+荦v T ）]+ρg +F （2）能量方程：荦·[v軆（ρE+p ）]=荦·k eff 荦T -jΣh j J j +（τ軉eff ·v軆）軉軉軉軉軉軉軉軉軉軉軉軉軉軉軉軉軉軉+S h （3）其中：荦·v軆=坠v x +坠v r +v r （4）本文模拟仅采用一步反应，并未考虑H 2燃烧的中间产物的影响，化学反应方程式如下：2H 2+O 2→2H 2O（5）湍流模型采用RANS 中的k ~ε（KE ）模型以及雷诺应力模型（Reynolds Stress Model ，RSM ）。
燃烧反应采用组分输运方程进行模拟，湍流与化学反应之间的关系采用EDC 模型进行模拟。
EDC 模型假设化学反应仅在小湍流结构内发生，组分j 的平均反应速率定义为R軍j =-ρ軃γ*2/3m 觶*（Y j 0-Y j *）（6）式中：Y j 0，Y j *分别代表组分j 在小湍流结构区域以内、以外的质量体积分数。
组分j 在小湍流结构内的质量平衡方程为d Y j *d t =R j *ρ*+1τ*（Y j 0-Y j *）（7）连续性、动量、能量、湍流、组分输运以及EDC 模型耦合在一起求解计算域的燃烧传热传质过程，公式（1）~（7）中各参数的定义、湍流模型的具体方程参考Fluent 帮助文件。
2计算结果与讨论定义化学反应的燃料/氧化剂的H/O 混合分数f 为f =1/2M H 軃軃Y H -Y H ，2軃軃-1/M H 軃軃Y O -Y O ，2軃軃1/2M H 軃軃Y H ，1-Y H ，2軃軃-1/M H 軃軃Y O ，1-Y O ，2軃軃（8）式中：Y 为燃料组分的质量分数，M 为摩尔质量。
图1燃烧室示意图Fig.1Sketch map of combustor剪切层提升喷射火焰H 2/空气伴随流H 2/N 2射流H 2/空气伴随流图2几何模型及边界条件Fig.2Geometry model and boundary conditions表1喷射湍流抬升火焰的数值模拟入口边界条件Table 1Inflow boundary conditions for simulation of the liftedturbulent jet flame边界条件喷嘴入口伴随流温度/K 3051045速度/m ·s -11073.5Y （H 2）0.0240.0Y （O 2）0.00.1709Y （H 2O ）0.00.0645Y （N 2）0.9760.746注：Y 代表质量分数x /d =114H 2/空气伴随流（速度入口）H 2/N 2射流（速度入口）轴x /d壁面压力出口r /d102030403020100.511.5r /d 周乃香，等H 2/N 2同轴喷射湍流火焰的数值研究·1087·角标1代表H 2/N 2喷射入口，角标2代表伴随流入口。
2.1温度T 及混合分数f 沿轴线模拟结果与实验值的对比图3中EXP 代表Cabrar [7]的实验值，KE ，RSM 分别代表本文两种不同RANS 湍流模型的模拟结果。
由图3可知，轴线方向上随着流动的发展，温度呈现上升趋势。
当0≤x /d ≤7时，温度基本等于喷射口H 2的温度；当7<x /d <23时，温度逐渐增大，温度沿轴向变化趋势恒定，H 2燃烧释放热量，加热了混合气体，使温度升高；当x /d ＞23时，温度变化趋势减小，表明此区域为火焰燃烧的后期区域，已经没有燃烧物继续参与反应，此部分的温度主要是由前部分区域的燃烧反应热与伴随流的湍流换热平衡得到。
在x /d =7之前，f 的变化趋势基本平缓，此处的H ，O 含量基本与入口处一致，燃烧并未进行。
在7<x /d <23区域，f 随着x /d 的增大而降低，H 的质量分数减小，O 的质量分数增大，H 2进行燃烧反应。
利用KE 以及RSM 湍流模型得到的结果与实验模拟的结果趋势一致，吻合较好。
由于并未考虑入口处组分的输运过程，数值模拟结果的f 在入口处基本没变化，而实验结果有轻微的降低。
从两种RANS 湍流模型与实验结果的比较看出，RSM 湍流模型更适合于同轴湍流燃烧工况。
2.2T ，Y （H 2），Y （O 2）沿径向与模拟结果的对比图4~6为x /d =1，14截面上，T ，Y （H 2），Y （O 2）沿径向的变化规律，截面相对于计算区域的位置见图2。
由图4（a ）可知，在靠近入口距离（x /d =1）处，r /d <0.3区域温度基本不变，与H 2/N 2入口温度相同。
在0.3<r /d <1区域，温度基本呈线性增高的趋势，该区域为喷射流与伴随流的换热混合区域，温度变化主要是由燃料与伴随气流间的对流换热导致的。
