燃气燃烧器燃烧特性的数值模拟

基于ANSYS下的燃气燃烧仿真燃气燃烧仿真是一种利用计算机模拟燃烧过程的方法，通过对燃气燃烧过程进行数值模拟，可以分析燃烧产物的生成和分布、火焰形态、燃烧效率等燃烧特性，并评估燃烧设备的性能和优化设计。

ANSYS是一款常用的工程仿真软件，可以用来进行燃气燃烧仿真分析。

ANSYS下的燃气燃烧仿真分为几个关键步骤。

需要建立一个燃气燃烧模型。

这个模型可以是一个具体的燃烧设备，比如燃气燃烧炉，也可以是一个抽象的燃烧区域。

然后，需要确定燃烧模型的边界条件，包括气体的入口条件、燃料和氧气的输送方式等。

在模型设定完毕后，需要定义燃烧过程的数学模型和物理模型。

可以选择使用流体力学方程和化学反应方程来描述燃烧过程。

接下来，需要对模型进行网格划分。

网格划分对于燃气燃烧仿真分析非常重要，它决定了计算的精度和计算时间。

划分完网格后，可以进行数值计算。

ANSYS提供了多种求解方法和算法，可以根据具体情况选择合适的方法。

计算完成后，可以对计算结果进行后处理和分析。

ANSYS提供了丰富的后处理工具，可以对数据进行可视化和统计分析。

燃气燃烧仿真可以帮助工程师和科研人员更好地理解和优化燃气燃烧过程。

通过仿真分析，可以得到燃烧设备的关键参数，比如燃烧温度、氧气浓度和燃料消耗率等。

这些参数对于燃烧设备的设计和性能评估非常重要。

仿真分析还可以在燃烧过程中观察和分析火焰的形态和分布。

通过对火焰的模拟和优化，可以提高燃烧效率和减少有害物质的生成。

ANSYS是一款广泛应用于工程领域的仿真软件，它具有强大的功能和丰富的模块。

在燃气燃烧仿真方面，ANSYS提供了多种模型和求解方法，可以实现对燃烧过程的精确模拟和分析。

ANSYS还提供了用户友好的界面和详细的帮助文档，方便用户进行仿真分析。

使用ANSYS进行燃气燃烧仿真可以大大提高工作效率，减少试验成本，为燃烧设备的设计和优化提供有力的支持。

基于ANSYS下的燃气燃烧仿真ANSYS是目前非常流行的工程仿真软件之一，在众多的应用领域中，燃气燃烧仿真也是其重要的应用之一。

燃气燃烧仿真主要针对的就是工业或家用燃气设备中的燃烧过程，通过仿真分析燃烧器的运行状态，预测其性能，优化设备结构，避免安全事故的发生。

下面我们来介绍一下ANSYS下燃气燃烧仿真的流程和应用。

1.建立计算模型首先，需要建立燃气燃烧器的计算模型。

建立计算模型需要定义燃气燃烧器的几何形状、工作状态、边界条件和材料属性等参数。

在创建模型时，需要选择合适的材料模型、燃烧模型和燃料模型等，并设置合适的网格划分。

2.求解数值模型建立模型后，将模型导入ANSYS进行数值模拟。

在求解数值模型时，需要设置计算过程中各个参数的值，如燃气的温度、压力、流速、混合比等。

求解过程中需要考虑多种因素，如化学反应、热传导、质量传输和湍流等，计算过程需要进行多次迭代，直到得到合适的结果。

求解出的数值结果可以反映燃气燃烧器的运行状态，如燃料的燃烧效率、温度分布和压力分布等。

3.评估仿真结果在得到仿真结果后，需要评估其准确性和可靠性。

评估时需要与实验数据进行对比，看仿真结果是否能够预测实验结果。

如果结果符合实验数据，说明仿真模型具有较高的准确性，并可用于预测燃气燃烧器的性能。

1.优化燃气燃烧器构造通过燃气燃烧仿真，可以优化燃烧器的设计，改进燃烧器的结构和喷嘴，提高燃烧器的效率和稳定性，降低污染物排放和能源消耗。

2.预测燃气燃烧器的性能仿真模型可以帮助燃气燃烧器制造商预测其产品的性能，并在生产过程中对其进行优化。

例如，在燃气轮机中，燃气燃烧器的效率会直接影响轮机的效果，因此优化燃气燃烧器的设计可以提高轮机的效率。

通过燃气燃烧仿真可以评估燃气燃烧器的效率和各项性能指标，为燃气设备的研发和维护提供了有效的工具。

总之，ANSYS下燃气燃烧仿真技术为燃气设备的研究和生产提供了可靠的分析工具。

准确预测和分析设备的运行状态，优化设备结构，提高设备的效率，降低污染物排放，减少能源消耗，对于提高燃气设备的可靠性和安全性具有非常重要的意义。

燃气轮机燃烧室流动特性仿真分析燃气轮机燃烧室是燃烧工程中的重要组成部分。

燃料在燃烧室内被燃烧释放出能量，驱动轮机转动从而产生功。

因此，研究燃气轮机燃烧室的流动特性对于提高燃气轮机的效率和可靠性具有重要意义。

燃气轮机燃烧室的流动特性受多种因素的影响，如燃烧室的几何结构、燃料和空气的进口速度、温度等。

为了实现对燃烧室流动特性的仿真分析，必须建立适当的数值模型。

一种常用的方法是采用计算流体力学（CFD）方法，通过对流动场的离散和求解，得到燃烧室内的各种参数分布。

首先，燃烧室内的流动可以分为内部和外部两个方面。

内部流动主要指的是燃料和空气混合后的流动，这部分流动在燃烧室内部形成了一个混合区，对于燃烧过程至关重要。

外部流动指的是燃烧室外部空气的流动，其可以通过控制燃烧室的出口速度和出口尺寸等参数，来影响燃烧室内部的流动和燃烧过程。

在内部流动的仿真分析中，研究者通常需要考虑多种模型和参数，如湍流模型、喷雾模型、燃料和空气的物性参数等。

湍流模型是燃烧室流动特性分析中的核心模型之一，通过对湍流能量守恒方程的离散和求解，可以得到燃烧室内湍流的分布以及湍流能量的转换过程。

喷雾模型则可以模拟燃料喷射的形成和燃料雾化的过程，为混合区的形成提供基础。

与内部流动相对应，外部流动的仿真分析主要关注燃烧室外部空气的流动和排气过程。

通过对燃烧室的出口速度和出口尺寸等参数的控制，可以调整燃气轮机的输出功率和效率。

在外部流动的仿真分析中，研究者通常需要考虑流动的稳定性、流速分布的均匀性等问题。

除了考虑燃烧室内部和外部的流动特性之外，燃气轮机燃烧室的仿真分析还需要关注其他的一些问题。

例如，燃烧室的温度分布和热负荷分布对于燃气轮机的寿命和性能都有重要影响。

温度分布的不均匀性会导致燃气轮机的部分区域过热或过冷，从而影响其使用寿命。

热负荷分布的不均匀性会导致燃气轮机的某些部分工作在较大的负荷下，从而影响其工作效率和可靠性。

综上所述，燃气轮机燃烧室的流动特性仿真分析是提高燃气轮机效率和可靠性的重要途径之一。

甲烷燃烧的数值模拟及分析主要分为三个部分，第一部分讲解甲烷在炉膛内燃烧的模型建立的方法；第二部分对甲烷燃烧模型的数值模拟结果进行分析和比较；第三部分为结论。

一、模型建立1、在Gambit中建立计算区域在本例中建立圆柱形炉膛，并研究甲烷和空气在炉膛内的燃烧反应。

物理模型如下：甲烷入口直径为10mm；空气入口直径为50mm；炉膛为直径为500mm；长度为1200mm的圆柱形。

如图1。

图1圆柱形炉膛模型图2、绘制网格图2进口网格分布甲烷和空气进口的网格元素选择四边形网格，如图2。

炉膛表面的网格也是四边形网格，如图3。

图3炉膛表面网格分布图4炉膛表面网格分布图5炉膛出口网格分布图6炉膛内部网格分布3、指定边界条件图7炉膛边界条件Inlet1为甲烷入口，边界条件为速度入口；Inlet2为空去入口，边界条件为速度入口；Outlet为炉膛出口，边界条件为自由流；其他炉膛壁面为墙体，边界条件为墙体。

4、导入fluent具体信息如下：54440mixed cells,zone2,binary.326quadrilateral wall faces,zone3,binary.1900quadrilateral wall faces,zone4,binary.350quadrilateral wall faces,zone5,binary.218quadrilateral outflow faces,zone6,binary.204quadrilateral velocity-inlet faces,zone7,binary.18quadrilateral velocity-inlet faces,zone8,binary. 108880triangular interior faces,zone10,binary.11144nodes,binary.11144node flags,binary.缩放信息如下图：图8缩放信息图5、选择计算模型图9定义求解器图10考虑能量方程图11考虑粘性模型图12考虑辐射模型图12考虑燃料模型图13燃烧物质和炉膛材料6、操作环境的设置图14操作环境（压力场和重力场）7、设置边界条件图15空气入口边界条件空气入口的速度为8m/s，温度为300K，入口空气中氧气的含量为21%。

基于ANSYS下的燃气燃烧仿真燃气燃烧仿真是一种通过计算机模拟燃气燃烧过程的方法，它可以帮助工程师们更好地理解和优化燃气燃烧过程。

目前，基于ANSYS的燃气燃烧仿真技术已经成为研究和工程实践中的重要工具之一。

本文将介绍基于ANSYS下的燃气燃烧仿真的原理、方法和应用。

燃气燃烧仿真的原理是基于燃烧流体力学原理和数值模拟方法。

燃烧流体力学原理是描述燃烧过程中流体、热量和化学反应之间相互作用的物理学原理。

数值模拟方法是将燃烧流体力学原理转化为数学模型，并通过计算机进行求解。

在基于ANSYS下的燃气燃烧仿真中，通常采用的数值模拟方法包括有限元法、有限体积法和有限差分法。

有限元法通常用于模拟燃气燃烧过程中的结构变形和热应力分析；有限体积法通常用于模拟燃气燃烧过程中的热传导和流动；有限差分法通常用于模拟燃气燃烧过程中的化学反应和燃烧热释放。

基于ANSYS下的燃气燃烧仿真通常包括以下几个步骤：1. 几何建模：首先需要对燃气燃烧装置的几何形状进行建模，包括燃烧室、燃烧器、进口和出口等。

在ANSYS软件中，可以使用CAD软件进行三维几何建模，然后将几何模型导入到ANSYS软件中进行后续仿真分析。

2. 网格划分：在几何建模之后，需要对几何模型进行网格划分。

网格划分是将整个几何模型分割成小的单元，以便于后续的数值计算。

在ANSYS软件中，可以使用网格划分工具对几何模型进行网格划分，通常会根据需要进行精细或粗略的网格划分。

3. 物理模型设定：在网格划分之后，需要设定燃气燃烧仿真的物理模型，包括流体模型、热传导模型和化学反应模型等。

在ANSYS软件中，可以通过设置不同的物理模型参数来描述燃气燃烧过程中的流体流动、热传导和化学反应。

4. 条件设定：在物理模型设定之后，需要设定燃气燃烧仿真的边界条件和初值条件，包括燃气燃烧过程中的进口条件、出口条件、壁面条件和初始条件等。

5. 求解计算：在条件设定之后，可以通过ANSYS软件进行数值计算求解。

天然气掺混CO2高压燃烧特性数值模拟付忠广;李强;李笑飞;王霄楠;卢可【期刊名称】《热力发电》【年(卷),期】2017(046)004【摘要】针对气体燃料掺混惰性气体燃烧研究的热点问题,本文采用流体力学Fluent计算软件,对天然气掺混CO2高压燃烧的特性进行了数值研究.分别在0.1、1.0、2.0、4.0 MPa压力下,以0.0、0.2、0.4、0.6共4种掺混率的天然气与CO2混合物进行高压燃烧,对燃烧后的温度场高温区域和污染物NOx的排放规律进行数值模拟.结果表明:在相同压力下,天然气掺混CO2燃烧1 500 K高温区段长度随掺混率的增加逐渐减小;在相同CO2掺混率下,1 500 K高温区段长度和最大宽度随着压力的升高而增大;在相同掺混率下,燃烧产生的NOx量随着压力的增大而增大;相同压力下,燃烧产生的NOx量随着掺混率的增大先减小后增大,且压力越大产生NOx量的变化幅度也越大.%At present,research on combustion of gaseous fuels mixed with inert gas is a hot issue.In this paper,the high pressure combustion characteristics of natural gas mixed with CO2 were numerically studied by the Fluent software.The mixtures of natural gas and carbon dioxide with blending ratio of 0,0.2,0.4 and 0.64 were selected to perform high pressure combustion at 0.1 MPa,1 MPa,2 MPa and 4MPa.Moreover,numerical simulation on high temperature area of the combustion and NOx emission characteristics of the mixtures were carried out.The results show that,at the same pressure,the length of the 1 500 K high temperature section of co-combustion of natural gas and CO2gradually decreases with the increasing blending ratio.With the same CO2 blending ratio,the length and the maximum width of the 1 500 K high-temperature section increases with the pressure.In addition,with the same mixing ratio,the produced NOx increases with the pressure under conditions,while at the same pressure,it increases first and then decreases with the blending ratio.Moreover,the produced amount of NOx changed more dramatically with the increasing pressure.【总页数】5页(P22-26)【作者】付忠广;李强;李笑飞;王霄楠;卢可【作者单位】华北电力大学国家火力发电工程技术研究中心,北京 102206;华北电力大学国家火力发电工程技术研究中心,北京 102206;华北电力大学国家火力发电工程技术研究中心,北京 102206;华北电力大学国家火力发电工程技术研究中心,北京 102206;华北电力大学国家火力发电工程技术研究中心,北京 102206【正文语种】中文【中图分类】TK16【相关文献】1.CO2稀释对天然气掺氢预混层流火焰燃烧特性的影响 [J], 宋占锋;张欣;胡尚飞;侯效森;李明亮2.CO2稀释天然气高压燃烧特性数值模拟 [J], 李强;任磊;许昊煜;阮圣奇;吴仲3.CO2掺混比对甲烷HCCI燃烧特性的影响 [J], 赵岩; 王谦; 吴凡; 柏金4.空气掺混CO2对CH4燃烧特性影响 [J], 张高强;张天清;付忠广;宋家胜;高玉才5.预热温度、乙烯掺混对甲烷/空气层流扩散燃烧特性影响的数值模拟研究 [J], 聂晓康;邱冰冰;任航;胡家龙;楚化强因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于ANSYS下的燃气燃烧仿真燃气燃烧是工业生产中普遍存在的一种燃烧方式，常见于燃气锅炉、燃气轮机等设备中。

燃气燃烧仿真是利用计算机模拟燃气燃烧过程的一种技术手段，通过建立数学模型，对燃气燃烧过程中的温度、压力、速度、浓度等参数进行计算和分析，以便优化设计、改善燃烧效率、降低污染排放。

1.几何建模进行燃气燃烧仿真的第一步是进行几何建模。

通过ANSYS软件中的几何建模工具，可以很方便地建立燃气燃烧系统的三维几何模型，包括燃烧室、燃气喷嘴、燃烧器、烟气排放系统等。

在建立几何模型时，需要考虑设备的实际结构和尺寸，以及燃气燃烧过程中涉及的流体流动、热传导、化学反应等物理过程。

2.网格划分几何建模完成后，需要对几何模型进行网格划分。

网格划分是将几何模型离散化为有限体积或有限元网格的过程，它直接影响到燃气燃烧仿真的计算精度和计算效率。

ANSYS提供了多种网格划分算法和工具，用户可以根据实际需要选择合适的网格类型和划分方法，确保在燃气燃烧仿真中获得准确的数值解。

3.物理场设定在进行燃气燃烧仿真之前，需要对仿真模型中涉及的物理场进行设定。

主要包括流体流动、热传导、质量传输和化学反应等物理过程。

通过ANSYS中的物理场设定工具，用户可以对各种物理场的边界条件、初值条件、材料属性、粘性系数等进行设置，为后续的数值求解做好准备。

4.数值求解物理场设定完成后，可以开始进行数值求解。

在ANSYS中进行燃气燃烧仿真通常采用有限元或有限体积方法，通过求解流体动力学方程、能量方程、质量传输方程和化学反应方程等，得到燃气燃烧系统中各种物理场参数的数值解。

在数值求解过程中，需要选择合适的求解器和求解算法，以提高计算精度和计算效率。

5.后处理分析数值求解完成后，需要对仿真结果进行后处理分析。

通过ANSYS中的后处理工具，用户可以对数值解进行可视化显示、数据提取、参数分析等，深入了解燃气燃烧系统中各种物理场的分布规律和相互影响，为优化设计和改善运行提供依据。

第41卷第4期㊀东北电力大学学报Vol.41,No.42021年8月Journal Of Northeast Electric Power University Aug,2021收稿日期:2020-12-31基金项目:山东省自然科学基金面上项目(ZR2020ME181);中央高校自主创新科技专项项目(19CX02031A)第一作者:孙海华(1995-),男,在读硕士研究生,主要研究方向:热能工程通讯作者:张克舫(1969-),女,博士,副教授,主要研究方向:余热回收与利用㊁热能利用与节能技术㊁制冷与热泵技术开发电子邮箱:150****6156@(孙海华);ayliu@(刘安源);lgong@(巩亮);zhangkefang@(张克舫);136****2645@(赵政权)DOI:10.19718/j.issn.1005-2992.2021-04-0035-08丙烷燃烧过程氮氧化物排放特性的数值模拟研究孙海华,刘安源,巩㊀亮,张克舫,赵政权(中国石油大学(华东)新能源学院,山东青岛266580)摘㊀㊀㊀要:为了对油田稠油开发注汽锅炉改烧石油液化气提供指导,文中对丙烷在小型实验装置内的燃烧过程进行了实验和数值研究.将基准工况下CFD 模拟结果与实验装置内丙烷燃烧实验结果进行了对比,两者吻合较好,表明本文所用模型能够用于丙烷实际燃烧过程的模拟.对不同空气系数下丙烷燃烧过程的模拟研究结果表明,空气系数α在1.1~1.2之间存在一个最佳数值既能保证燃料在燃烧室内能够充分燃烬,同时又能有效抑制氮氧化物的排放.对采用烟气再循环时丙烷燃烧过程的模拟研究表明,NOx 排放浓度随烟气再循环率增加而下降,但当烟气再循环率大于15%后,燃烧条件变差,烟气中可燃成分浓度上升较为明显.关键词:实验研究;数值模拟;过量空气系数;烟气再循环;丙烷燃烧中图分类号:TM621.2;TK223.23㊀㊀㊀㊀文献标识码:A世界上已探明的原油资源中,稠油储量比例约占2/3,由于稠油黏度高,所以开采难度大,对开采技术要求较高[1].注蒸汽是针对油田稠油开采的一种有效方式,高温蒸汽一方面可以提高油层温度,降低稠油黏度,另一方面可以提高油层压力,降低驱替难度.注汽锅炉作为制取蒸汽的核心设备,在稠油开采中有着不可替代的作用.目前常用注汽锅炉按照燃料不同可以分为燃煤㊁燃油及燃气锅炉,相对燃煤和燃油锅炉,燃气锅炉具有结构简单㊁氮氧化物排放浓度低㊁节能环保等优点.但随着我国对环境污染的重视,山东㊁上海㊁新疆等地要求新建燃气锅炉核心控制区的排放要降到50mg /m 3以内[2,3],部分稠油开采的燃气注汽锅炉已不能满足现有排放要求.为了满足当前以及将来日益严峻的政策要求,降低燃气设备燃烧过程中NOx 的排放是当前面临的紧迫而重要的课题.烟气再循环技术[4]作为降低NOx 排放的一种方式,在烟道尾部抽出一部分烟气,利用循环风机将烟气通入炉膛入口重新参与燃烧,无需对燃烧器进行改造,费用相对经济被广泛应用[5-7].杨琛琛㊁姜磊㊁宋少鹏[8-10]等利用烟气再循环技术对抑制燃气锅炉氮氧化物排放做了研究,结果指出,烟气再循环能有效降低锅炉运行燃烧时的温度,对降低氮氧化物排放具有显著作用.Liu H [11]等指出烟气再循环位置会影响与空气的混合,对抑制NOx 生成有重要作用.也有一些学者如宋洪鹏㊁王丽辉㊁王珂等[12-15]对过量空气系数与氮氧化物排放的关系进行了研究,较大的过量空气系数会导致燃烧温度较低,存在一个最佳过量空气系数,使得火焰温度较高而产生的NOx 量很少.但目前的文献主要集中于天然气在燃气锅炉中的应用,对以丙烷为主要成分的液化石油气在油田移动注汽锅炉研究很少.对于油田的移动燃气注汽锅炉,对燃料使用的便携性要求较高,甲烷的临界温度为-82.45ħ,在常压下加压不能液化.丙烷的临界温度较高,为96.8ħ,容易液化,便于储存和运输,所以丙烷更适合油田移动式注汽锅炉.本文在小型燃烧试验台上研究了丙烷燃烧时的氮氧化物排放特性,并将实验结果与数值模拟结果进行对比,验证数值模拟的准确性.研究在不同过量空气系数及烟气再循环条件下燃烧室内的温度场㊁组分场和NOx 浓度场,对丙烷燃烧的氮氧化物排放特性进行分析,为工业锅炉的运行改造提供意见.1㊀研究对象和计算方法1.1㊀实验系统介绍丙烷燃烧实验台主要包括冷却水系统㊁燃气供应系统和烟气再循环系统,以及由烟气分析仪㊁热电偶㊁流量计㊁压力计等组成的测量系统,实验系统如图1所示.为保证燃烧实验进行的安全性和准确性,实验开始已前对系统的气密性进行测试.图1㊀试验系统图燃烧室截面尺寸为圆形,直径400mm,长度1000mm,燃烧室外侧为冷却水.实验用的燃烧器型号为RIELLO 40GS10,能使用天然气和液化石油气两种燃料,最大燃烧负荷为100kW.燃烧使用的丙烷纯度为98%,使用德国Honeywell 公司生产的BK -G10M 流量计测量丙烷流量,测量范围0.1m 3/h ~16m 3/h,最大承压75mbar.烟气分析仪为德国MRU Gmbh 公司生产的OPTIMA 7,可以对烟气的氧浓度㊁NOx 浓度㊁CO 浓度以及温度㊁流速等进行测量,其中,NOx 浓度范围0ppm ~5000ppm,CO 浓度范围0ppm ~10000ppm,温度范围0ħ~1300ħ,NOx 浓度误差ʃ5ppm,CO 浓度误差ʃ5ppm,温度误差ʃ2ħ.1.2㊀几何模型及网格划分燃烧器及燃烧室几何模型采用Solidworks 软件按照实际尺寸1ʒ1绘制,对燃烧器原型进行适当简化处理,然后进行三维建模,如图2所示.图2㊀燃烧器头部示意图63东北电力大学学报第41卷㊀㊀气体燃料通过八根直径4mm 的燃料喷管送入燃烧器,燃料为射流,在燃料喷管出口5mm 处有一旋流板,将喷射的只有轴向速度的气体燃料转化成具有周向动能的旋流,方便与空气进行混合.八根燃料喷管的中心是直径为38mm 的钝体回流区,一次风通过回流区边缘处八个直径2mm 圆孔进入钝体,与8股旋转流动的燃气混合,并提供将燃料送入炉膛的轴向速度.二次风通过旋流盘与燃烧器管套之间的缝隙进入,占总风量的90%,通过二次风的扰动使燃烧更加快速㊁强烈.整个计算区域使用Solidworks 进行建模,使用ICEM 软件进行网格划分,计算区域为燃烧器入口到燃烧室出口,采用结构化网格与非结构化网格相结合的形式.燃烧器部分采用非结构网格,燃烧室用结构化网格,并在燃气管出口旋流器部分进行局部加密,网格划分如图3所示,网格质量大于0.38,保证网格具有良好的计算精度.图3㊀网格划分示意图在对研究对象进行数值模拟前,首先检查计算结果是否随网格密度的变化而变化,排除网格数量对计算结果的影响.在确保网格质量近似的前提下,本文采用三组网格进行独立性检验,网格数量及计算结果如下表1所示.可以看出网格1与网格2㊁网格3差异大于10%,网格2与网格3计算结果差异仅为3%,网格2计算时间更短,所以采用网格2进行数值模拟.表1　网格独立性考核参数网格1网格2网格3网格数/万107273386NOx /(mg /m 3)566264出口温度/K154315671572计算时间/h 1430461.3㊀数学模型该实验燃烧器中的气体流动具有强旋流㊁圆孔射流㊁中等强度湍流等特点,综合考虑数值模拟的准确性及计算资源,湍流选择Realizable k -ε模型[16]㊁燃烧选择有限速率/涡耗散模型,辐射采用离散坐标(DO)模型,由于燃料是气体,不含有氮元素,所以污染物的生成只考虑热力型NOx,使用泽尔道维(Zel-dovich)机理[17]进行NOx 计算.控制方程[18]的离散采用控制容积法,压力-速度耦合采用SIMPLE 算法,压力插值采用PRESTO 格式,其它离散格式采用二阶迎风.边界条件为速度入口,压力出口,壁面设置为固定壁温,考虑了浮升力对模拟结果的影响.2㊀结果与分析2.1㊀结果验证保持40kW 负荷不变,测量过量空气系数α为1.1时,距离燃烧器出口260mm㊁800mm㊁1100mm 处燃烧室中心温度,以及α从1到1.3时,燃烧室出口处NOx 浓度.将丙烷燃烧实验数据与CFD 模拟结果进行对比,结果如图4㊁图5所示.73第4期㊀㊀㊀㊀㊀㊀孙海华等:丙烷燃烧过程氮氧化物排放特性的数值模拟研究图4㊀不同轴向位置处火焰温度模拟与测量结果对比图5㊀不同空气系数条件下烟气氮氧化物浓度模拟与测量结果对比图6㊀不同空气系数燃烧室温度分布㊀㊀将实验测量燃烧室出口处NOx 浓度与数值模拟燃烧室出口NOx 浓度进行对比,可以看出实验测得生成的氮氧化物浓度与数值模拟浓度之间存在一定误差,数值模拟NOx 浓度高于实验NOx 浓度.出现这种现象原因是数值模拟对燃烧的混合程度模拟较好,气体组分更容易发生反应,所以模拟温度偏高,热力型NOx 也更加容易生成,模拟的NOx 浓度偏大,图5的模拟温度高于实验温度也刚好验证这一点.但燃烧室出口处NOx 浓度变化趋势是一样的,数值虽然不能精确预测数量,但数值模拟能预测定性分析燃烧室内组分场和温度场变化,为研究丙烷燃烧的氮氧化物排放规律提供依据.2.2㊀空气系数影响不同的空气系数,燃烧室内最高温度不同,对应的温度范围也会很大差距,而甲烷燃烧产生氮氧化物的主要因素就是热力型NOx,所以空气系数对NOx 生成会产生重要的影响.本文中,按照实验工况条件进行不同空气系数的模拟计算,得出适宜燃烧的空气系数.本节模拟的是40kW 负荷下空气系数α从1到1.3的温度分布情况,取燃烧室中心截面进行分析,如图6所示,火焰的高温分布区域较大,主要集中在环形燃烧室中部,这是由于空气和燃气部分混合后通入燃烧室,在燃烧室内边混合边燃烧,燃气通过湍流扩散作用来获得燃烧所需的O 2,对于这样的扩散燃烧,火焰长度较长㊁高温区也较大.随着空气系数的增加,火焰长度和高温区域逐渐减少,这是由于空气流量增加,未参与反应的空气增加,而空气含有较大的比热容,带走了燃烧产生的热量,导致高温区域明显减小;同时由于空气流量增大,流速增大,湍流作用加强,使得气体燃料能在较短的距离内与空气中氧气混合并燃烧,火焰距离变短.燃烧过程发出大量的热,燃烧室中气体受热产生密度差,由于数学模型中考虑到浮升力对计算的影响,所以燃烧室中火焰并不是完全对称,出现轻微的向上漂移.影响热力型NOx 生成的主要因素是温度和氧含量,如图7所示,在空气系数α从1到1.3的过程中,燃烧室内的最高温度出现在距离燃烧器出口200mm ~400mm 的范围内,此时气体燃料与氧气充分㊁快速混合,进行强烈的燃烧,最高燃烧温度达到1946K.但此时NOx 生成物极少,虽然此时满足热力型NOx 需要高温的条件,但此时烟气中氧含量较低,所以NOx 生成物浓度较低.400mm 以后随着燃烧的进行,流场中甲烷的含量逐渐减小,燃烧消耗的氧气含量减少,烟气中剩余氧气含量逐渐增加,当烟气中O 2的质量分数增加到0.02时,NOx 剧烈生成,在空气系数α=1.1,轴向距离500mm 处达到最大值317ppm.83东北电力大学学报第41卷图7㊀温度和氧浓度与NOx生成物之间的关系图8㊀空气系数与NOx 浓度分布云图燃烧器中燃气和空气属于扩散燃烧,如图8所示,热力型NOx 无法在火焰锋面形成,生成区域主要在火焰锋面下游.随着空气系数的变化,NOx 生成物的区域也在变化,α从1到1.3的过程中,NOx 生成物的区域逐渐向燃烧器出口处靠近.α增大,空气流量增大,燃烧器出口处空气流速增加,湍流作用增强,空气与气体燃料的混合效果更好,气体燃料在燃烧器出口较短的距离内燃烧完,烟气中O 2质量分数大于0.02的区域也更加靠近燃烧器出口,所以随着空气系数α的增大,NOx 生成区域逐渐靠近燃烧室前部.而且由于考虑浮升力对模拟的影响,所以NOx浓度不是对称分布,燃烧室中氮氧化物上半部分的浓度要略微大于下半部分.2.3㊀烟气再循环影响燃烧器入口处的氧化剂成分对氮氧化物的生成有着重要影响,本文通过数值模拟方法进行了烟气再循环率对丙烷燃烧过程氮氧化物排放特性影响的研究.对于某一给定烟气再循环率数值条件下的丙烷燃烧过程模拟,为了实现燃烧室出口烟气成分与燃烧器入口再循环烟气成分一致,本文采用了迭代方法完成.首先,假设燃烧室出口烟气成分和流量为纯空气参与燃烧条件下产生的烟气成分及流量,并以该数值为基础抽取一定量烟气进行燃烧器烟气再循环燃烧过程的模拟计算直至模拟过程收敛.然后,以刚得到的燃烧室出口烟气成分和流量为基础抽取一定量烟气重新进行燃烧器烟气再循环燃烧过程模拟计算到模拟过程收敛.经过几轮迭代后,当燃烧器入口烟气成分与燃烧室出口烟气成分基本一致时,则认为已经达到了给定烟气再循环率条件下的数值模拟计算.模拟得到的不同烟气再循环率条件下燃烧器入口处氧化剂成分,如表2所示.93第4期㊀㊀㊀㊀㊀㊀孙海华等:丙烷燃烧过程氮氧化物排放特性的数值模拟研究表2　不同计算工况氧化剂成分烟气再循环率/%05101520氧化剂(体积分数)O 20.21000.19950.18890.17870.1676CO 200.00480.00960.01480.0191H 2O00.01070.02180.03160.0424N 20.79000.78500.77970.77490.7709图9㊀不同烟气再循环率温度分布云图40kW 负荷下燃烧室高温区域分布如图9所示,加入烟气再循环后火焰结构没有明显变化,高温区面积有明显区别.当没有烟气再循环时,红色高温区域最大;加入烟气再循环后,红色高温区域减少.原因是再循环烟气的加入,使得与空气混合后的平均氧浓度降低,在分子级别的氧气分子和气体燃料分子有效碰撞频率会降低[19].这导致化学反应速率变图10㊀NOx 生成速率随烟气再循环率的变化慢,从而导致化学反应放热速率降低,燃烧室内高温区域降低.由于丙烷燃烧产生的氮氧化物主要是热力型NOx,受温度的影响最大,温度越高,空气中N 2在高温下氧化生成NOx 的速度越快,燃烧室中存在高温区,在这些区域生成较多的NOx,对整个燃烧室的氮氧化物排放起到了重要作用.如图10所示,烟气再循环率逐渐增加,NOx 生成的区域也逐渐减小,NOx生成速率也逐渐降低,随之燃烧室内的NOx 浓度也逐渐降低.为了清楚的体现不同烟气再循环工况下氧化剂中氧气的体积分数与燃烧产生的NOx 速率及燃烧最高温度的关系,如图11所示.随着烟气再循环率的增加,燃烧器入口处氧化剂中的氧分压下降,氧气的体积分数每下降1%,燃烧反应的最高温度下降约2%,NOx 生成速率下降约22.4%.这是由于参与反应的单位体积氧浓度降低,所以燃烧理论温度下降,而且热力型NOx 受温度的影响最大,当温度降低时,热力型NOx 的生成速率也变得十分敏感.烟气再循环在降低氧化剂中氧气分压的同时,燃烧室中不参与反应的N 2㊁CO 2等惰性气体含量上升,带走燃烧室中的部分热量,结果就是随烟气再循环率增加而燃烧室内最高温度逐渐降低,在烟气再循环率为20%时达到最低值1814K.图11㊀燃烧温度和NOx生成速率与氧化剂氧气体积分数的关系图12㊀不同轴向位置处NOx 浓度分布随烟气再循环率变化关系04东北电力大学学报第41卷随烟气再循环率增加,当烟气再循环率小于15%时,氮氧化物减排效果明显,但当烟气再循环率大于15%后,氮氧化物减排效果减弱,再循环烟气对NOx 生成影响减小.关于烟气再循环技术对降低NOx 排放的趋势,不同学者做出了不同结果,Baltasar 等的研究显示烟气再循环率对NOx 得减排趋势近似直线下降[20],如图12所示.而Yu 等的实验结果出现加速下降[21].趋势的不同可能与燃烧器结构,烟气再循环方式等存在关系,但对于有限空间(炉膛)内燃烧,Cho [22]等做出与本文相似的趋势.3㊀结㊀㊀论本文对不同空气系数及烟气再循环条件下丙烷燃烧的氮氧化物排放特性进行了研究,得到了以下结论:(1)在实验室的小型燃烧器,一次风比例10%,二次风比例90%,过量空气系数α在1.1~1.2之间存在一个最佳数值,既能保证燃烧室内较高的温度,同时又能有效抑制氮氧化物的排放.(2)NOx 排放浓度并不是随着烟气再循环率呈线性下降,在本文燃烧器条件下烟气再循环率小于15%以前,烟气再循环对氮氧化物生成的抑制效果明显,燃烧效率基本不变.(3)在本文燃烧器条件下,当烟气再循环率大于15%时,对氮氧化物的抑制效果逐渐减弱,且燃烧条件变差,不完全燃烧热损失增加.参㊀考㊀文㊀献[1]㊀蒋琪,游红娟,潘竟军,等.稠油开采技术现状与发展方向初步探讨[J].特种油气,2021,28(1):1-15.[2]㊀建材发展导向编辑部.山东大气污染排放新标准将实施[J].建材发展导向,2019,17(16):40-40.[3]㊀李军,雷鑫,王皓,等.锅炉氮氧化物排放标准对比与低氮燃烧技术[J].区域供热,2018(1):70-74.[4]㊀Chen,Zhang,XH,et al.Effects of flue gas recirculation on emissions from a small scale wood chip fired boiler[J].Enrgy Proced,2015,66:65-68.[5]㊀朱恒刚.燃气锅炉低氮排放技术改造实践[J].中国新技术新产品,2020(11):48-50.[6]㊀刘永风,张玉晨,田刚.燃气锅炉低氮排放技术改造[J].煤气与热力,2019,39(12):8-9,41.[7]㊀郑丹,李明波,王奕程,等.关中地区燃气锅炉低氮改造技术及工程实践[J].电力科技与环保,2019,35(4):39-40.[8]㊀杨琛琛.烟气再循环天然气预混燃烧器性能优化研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2018.[9]㊀姜磊.低NOx 双旋流燃气燃烧器流动及燃烧特性的实验研究[D].北京:中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所),2017.[10]宋少鹏.基于烟气再循环的工业锅炉天然气低氮燃烧研究[D].北京:清华大学,2016.[11]H.Liu,L.Zhang,Q.Li,et al.Effect of FGR position on the characteristics of combustion,emission and flue gas temperature deviation in a1000MW tower -type double -reheat boiler with deep -air 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the model adopted in this work can be furtherly used to simulate the actual combustion process.The results with different air coefficients show that the air coefficientαhas an optimal value between1.1~1.2,which can not only ensure the fuel fully burn in the combustion cham-ber,but also effectively inhibit the emission of nitrogen oxides.The analysis on the propane combustion process is carried out,and the results show that NOx emission concentration decreases with the flue gas recirculation rate increasing,however,when the flue gas recirculation rate is more than15%,the combustion conditions would deteriorate significantly,and the flue gas combustible component concentration increases obviously. Key words:Experimental study;Numerical simulation;Excess air coefficient;Flue gas recirculation。

基于ANSYS下的燃气燃烧仿真燃气燃烧是一种常见的物理过程，燃气燃烧仿真可以帮助工程师深入了解燃气燃烧机理和性能，优化设计，并减少实验成本和时间。

本文将介绍基于ANSYS软件的燃气燃烧仿真。

燃气燃烧仿真更常用的方法包括计算流体力学（CFD）和化学动力学。

CFD方法模拟燃烧器中的流动场和传热过程，而化学动力学方法模拟燃烧过程中的化学反应。

ANSYS软件提供了CFD和化学动力学模块，可以结合使用进行燃气燃烧仿真。

在燃气燃烧仿真中，首先需要建立燃烧器的几何模型。

ANSYS软件提供了多种建模工具，可以生成不同形状和复杂度的几何模型。

几何模型中包括燃烧器的流道、燃烧室和燃料喷嘴等组件。

在建立几何模型之后，需要设定燃气流动的边界条件和初始条件。

边界条件包括入口边界条件和出口边界条件。

入口边界条件包括流量、温度和压力等参数，出口边界条件可以设定为自由出流或者压力出流。

初始条件包括初始温度、初始压力和初始浓度等。

这些条件对于燃气燃烧仿真结果的准确性至关重要。

在设定边界条件和初始条件之后，可以进行数值计算。

CFD模块可以模拟燃气在燃烧器内的流动和传热过程，而化学动力学模块可以模拟燃气燃烧过程中的化学反应。

这两个模块结合使用可以得到燃气在燃烧器中的温度、压力和浓度分布等结果。

燃气燃烧仿真不仅可以得到燃气的基本参数分布，还可以得到燃气燃烧效率、NOx排放和CO2排放等性能指标。

这些指标可以帮助工程师评估燃烧器的性能，并优化设计。

可以通过改变燃气的供给速率和喷嘴结构来改善燃气的混合和燃烧效率，从而减少废气排放。

燃气燃烧仿真还可以用于燃烧器的安全性评估。

可以通过仿真燃气燃烧过程中的火焰传播速度和爆炸风险等参数，评估燃烧器的安全性能，并进行必要的改进。