CN111723538A - 一种非预混燃烧过程无焰燃烧状态的数值判断方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非预混燃烧过程无焰燃烧状态的数值判断方法，步骤如下：1、进行非预混一维火焰的化学动力学计算，以获取理想条件下火焰理论温度及在不同燃烧状态下释热率的变化；2、提取理想条件、无焰燃烧状态下，一维火焰释热率的空间分布特征并将该特征用数学语言进行描述，使其成为复杂燃烧条件下无焰燃烧状态的判据；3、收集待判断燃烧状态的CFD二维或三维非预混燃烧过程模拟结果并提取其中的释热率空间分布数据；4、基于步骤3提取所得的CFD模拟结果释热率数据，进行步骤2中判据所需的释热率特征计算；5、利用步骤2中的无焰燃烧状态判据，对步骤4中计算的释热率特征进行判断，从而判别CFD模拟结果的燃烧状态。

Description

一种非预混燃烧过程无焰燃烧状态的数值判断方法
技术领域
本发明属于无焰燃烧技术领域，涉及一种非预混燃烧过程燃烧状态的数值判断方法，特别是关于由计算流体力学（CFD）软件所得非预混燃烧场的燃烧状态判断方法。
背景技术
于二十世纪90年代被发现的无焰燃烧（Flameless Combustion，MILDCombustion）现象具备超低氮氧化物排放的重要特性，多年来，相应的燃烧技术一直在不断发展。无焰燃烧建立后，炉膛内看不到明亮的火焰锋面，炉内温度和亮度分布也非常均匀。因此，在实际实验中，基于视觉或图像判定无焰燃烧状态是常用而有效的办法。例如，利用申请号为201911100135.4的中国发明专利中提及的火焰图像量化特征提取的方法来监督并判断炉膛内的燃烧状态，或采用申请号为201811470436.1的中国发明专利提及的基于CCD采集图像的火焰状态检测方法，均可以加以改进从而对实际炉膛内是否实现无焰燃烧进行判断。需要注意的是，这些判断方法均需要进行实验，更适用于已有系统在运行过程中的燃烧状态检测。对于仍处于初步设计或者优化阶段的燃烧系统，进行大量的实验测试需要消耗大量的人力物力。随着计算机算力的不断增长，以及燃烧数值模型的发展，采用数值模拟的办法筛选可靠的设计方向，并通过参数化计算进行燃烧系统工作条件的优选以完成原始设计，是更为经济高效的方法。
然而，由于当前的燃烧数值模拟结果中并未包含燃烧发光信息，仅靠温度或组分浓度等的分布难以利用上述提及的图像方法来判断数值结果的燃烧状态是否处于无焰燃烧状态，导致无法真正实现数值模拟指导无焰燃烧系统的原始设计和优化。德国学者提出利用炉膛温度和烟气卷吸率的方法来预测炉膛内的燃烧状态（J.A. Wünning, J.G. Wünning, Flameless oxidation to reduce thermal NO-formation, Progress In Energy and Combustion Science. 23 (1997) 81–94.），目前的无焰燃烧系统也大多遵循这一方法的理念，尽量将炉内烟气卷吸提高以实现无焰燃烧。在实践中，该方法很难给出数值模拟结果或者实际炉膛燃烧状态的定量判断。意大利学者提出更为定量的无焰燃烧定义，利用温升和反应物进口温度来判断燃烧状态（A. Cavaliere, M. de Joannon, Mildcombustion, Progress In Energy And Combustion Science. 30 (2004) 329–366.）。在实践中，该方法不适用于无初始预热的无焰燃烧系统，也无法直接应用于CFD燃烧模拟。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种基于释热率的数值判据来判别燃烧状态的方法，利用燃料的放热/吸热特性来进行火焰锋面的识别和判断，可便捷地判断CFD燃烧模拟结果的燃烧状态，尤其是非预混燃烧过程，从而可以利用CFD燃烧模拟对无焰燃烧系统的几何设计和运行参数提供指导和优化建议，有效提升无焰燃烧系统的设计效率、可靠程度、能效及减排效果，并可扩展无焰燃烧技术在不同工业领域的应用。
为了实现上述目的，本发明公开了一种无焰燃烧状态的数值判断方法，所述方法采用以下技术方案：
一种无焰燃烧状态的数值判断方法，包括以下步骤：
步骤1、进行非预混一维火焰的化学动力学计算，以获取理想条件下（绝热、均匀流动）火焰理论温度及在不同燃烧状态下释热率的变化，用于总结无焰燃烧的火焰特征；在理想条件下的对冲火焰模型中对一维火焰进行参数化计算，以确保所得结果覆盖火焰从传统燃烧至无焰燃烧的转变，涉及的一维火焰设置参数可包括：当量比、进口温度、进口稀释度、进口应变率、进口速度、停留时间、环境压强等；
步骤2、提取理想条件、无焰燃烧状态下，一维火焰释热率的空间分布特征并将该特征用数学语言进行描述，使其成为复杂燃烧条件下无焰燃烧状态的判据；
步骤3、收集待判断燃烧状态的CFD（计算流体力学）二维或三维非预混燃烧过程模拟结果并提取其中的释热率空间分布数据；
步骤4、基于步骤3所提取得到的CFD模拟结果释热率数据，进行步骤2中判据所需的释热率特征计算；
步骤5、利用步骤2中的无焰燃烧状态判据，对步骤4中计算的释热率特征进行判断，从而判别CFD模拟结果的燃烧状态。
优选地，步骤2的具体过程如下：
步骤2.1、利用无焰燃烧的温升定义判断所计算的一维火焰的燃烧状态：
根据反应物在零维或一维燃烧过程中，反应物的初始温度Tin以及燃烧前后温度的增加量ΔT 与反应物的自着火温度Tsi之间的关系来判断燃烧状态；
当Tin > Tsi且ΔT > Tsi时，为高温燃烧状态；
当Tin > Tsi且ΔT < Tsi时，为无焰燃烧状态；
当Tin < Tsi且ΔT > Tsi时，为有焰燃烧状态；
当Tin < Tsi且ΔT < Tsi时，燃烧不发生或无法维持；
其中，ΔT = Tfinal- Tin，Tfinal为反应物燃烧后的温度；
步骤2.2、对比无焰燃烧状态与有焰燃烧状态的一维火焰计算结果中释热率分布的不同，并根据两种状态下的一维火焰计算结果中释热率分布的不同确定如下作为复杂燃烧条件下无焰燃烧状态的判据；
其中，无焰燃烧状态的情形下，释热率分布存在正负释热区分离的现象，正负释热区之间存在dHRR/dx = 0，或仅存在正释热区；
有焰燃烧状态的情形下，释热率分布存在正负释热区相邻的现象，负释热区与正释热区峰值之间的释热率空间导数不为零。
优选地，步骤3中，收集CFD模拟结果并提取释热率分布（燃烧化学基元反应单位时间内放热或者吸热量的总和）通过选取过燃料喷管的中轴截面数据，以减少后续步骤的数据计算量；对于多喷孔的非预混燃烧而言，通过选取燃料喷管和空气喷管各自中轴截面数据，以及这两个截面之间的中间截面数据，以减少后续步骤的计算量。
本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：
1.本发明简单、高效、成本低，只需通过数值计算即可判断燃烧系统的设计是否能够实现无焰燃烧，并为无焰燃烧过程的控制优化提供数值判据。
2.本发明适用于使用不同燃料的非预混无焰燃烧系统的CFD模拟燃烧状态判断。
3.本发明适用于不同几何尺寸和燃烧器设计的燃烧系统CFD模拟燃烧状态判断。
4.本发明适用于不同类型的CFD模拟：直接数值模拟（DNS），大涡模拟（LES），雷诺平均模拟（RANS）。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
图2是非预混丙烷一维火焰的化学动力学计算结果。
图3是用于验证本发明的非预混丙烷/空气燃烧系统。
图4是不同条件下非预混丙烷/空气燃烧系统内的燃烧状态图像及基于图像判定的燃烧状态结果。
图5是非预混丙烷/空气燃烧系统的CFD数值模拟结果的释热率云图。
图6是利用提取的丙烷无焰燃烧特征判断CFD数值模拟结果燃烧状态与实验所得燃烧状态的对比。
图7是利用本发明判断非预混丙烷/空气燃烧系统无焰燃烧状态的准确率。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明的方法流程如图1所示。本实例选取非预混丙烷/空气燃烧系统的CFD数值模拟燃烧状态判断进行分析。按照本发明的实施步骤，本实施例首先进行非预混丙烷一维火焰的化学动力学计算，选取进口燃料浓度进行参数化设置，计算丙烷体积浓度从1.0变为0.01过程中，火焰温度和释热率的变化，如图2所示。按照无焰燃烧的温升定义（A.Cavaliere, M. de Joannon, Mild combustion, Progress In Energy And CombustionScience. 30 (2004) 329–366.），可判断当进口燃料体积浓度约为0.05时，计算结果为无焰燃烧状态。可以发现，有焰燃烧状态与无焰燃烧状态的释热率空间分布有着显著的差异：第一，有焰燃烧状态下，火焰的释热率存在两个负释热区，分别是由于丙烷的初始裂解和高温裂解的吸热反应导致的，而无焰燃烧状态下，仅有一个由初始裂解导致的负释热区或没有明显的负释热区；第二，有焰燃烧状态下高温裂解的负释热区与正释热区相邻，而无焰燃烧状态下，负释热区与正释热区是分离的。这两个特征，可以利用释热率的空间导数进行描述，即无焰燃烧状态下，不存在负释热区，或正负释热区峰值之间存在释热率空间导数为零的点，即：
dHRR/dx = 0
而有焰状态下高温裂解负释热区与正释热区峰值之间的释热率空间导数不为零。上述无焰燃烧判据可直接应用于CFD的模拟结果中，其中取释热率导数的方向为垂直于燃料入射方向。
为了验证上述提取到的释热率特征，选取了丙烷/空气非预混燃烧炉作为实验验证对象，其设计特征如图3所示。该炉膛为圆柱形炉膛，通过改变实验炉中空气和丙烷的入射方式，即空气-丙烷-空气（OFO）和丙烷-空气-丙烷（FOF）的两种排布方式，并且改变空气与丙烷之间的间距，和丙烷与空气的当量比，来改变炉内的燃烧状态，如图4所示。
同时，对该实验炉和相应的燃料-空气排布、间距、当量比等不同参数下的工况进行CFD模拟，提取过燃料和空气喷管中轴线截面的二维释热率结果，如图5所示。结果表明，当CFD模拟的释热率分布存在正负释热区分离的现象时，正负释热区之间存在dHRR/dx =0，判断燃烧状态为无焰燃烧，此时真实工况也为无焰燃烧；而当CFD模拟的释热率分布存在正负释热区相邻的现象，负释热区与正释热区峰值之间的释热率空间导数不为零，判断燃烧状态为有焰燃烧，此时真实工况也为有焰燃烧时。按照这一做法，继续判断其他工况的CFD模拟燃烧状态，即可得到所有工况的燃烧状态判断。通过化学动力学提取的无焰燃烧释热率特征用于判断CFD模拟的燃烧状态与真实实验结果的燃烧状态对比如图6所示，正确率的统计如图7所示。可以看出，本发明提出的判断方法能所判断的CFD模拟结果燃烧状态与实验观察基本相符，相比于德国学者提出的卷吸率判据（J.A. Wünning, J.G. Wünning,Flameless oxidation to reduce thermal NO-formation, Progress In Energy and Combustion Science. 23 (1997) 81–94.），本发明的判别正确率显著提升，最高达到了95%的正确判断，有利于CFD模拟指导无焰燃烧系统设计的开展。

Claims (3)

1.一种非预混燃烧过程无焰燃烧状态的数值判断方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、进行非预混一维火焰的化学动力学计算，以获取理想条件下火焰理论温度及在不同燃烧状态下释热率的变化，用于总结无焰燃烧的火焰特征；
步骤2、提取理想条件、无焰燃烧状态下，一维火焰释热率的空间分布特征并将该特征用数学语言进行描述，使其成为复杂燃烧条件下无焰燃烧状态的判据；
步骤3、收集待判断燃烧状态的CFD二维或三维非预混燃烧过程模拟结果并提取其中的释热率空间分布数据；
步骤4、基于步骤3所提取得到的CFD模拟结果释热率数据，进行步骤2中判据所需的释热率特征计算；
步骤5、利用步骤2中的无焰燃烧状态判据，对步骤4中计算的释热率特征进行判断，从而判别CFD模拟结果的燃烧状态。
2.如权利要求1所述的一种非预混燃烧过程无焰燃烧状态的数值判断方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程如下：
步骤2.1、利用无焰燃烧的温升定义判断所计算的一维火焰的燃烧状态：
根据反应物在零维或一维燃烧过程中，反应物的初始温度Tin以及燃烧前后温度的增加量ΔT 与反应物的自着火温度Tsi之间的关系来判断燃烧状态；
当Tin > Tsi且ΔT > Tsi时，为高温燃烧状态；
当Tin > Tsi且ΔT < Tsi时，为无焰燃烧状态；
当Tin < Tsi且ΔT > Tsi时，为有焰燃烧状态；
当Tin < Tsi且ΔT < Tsi时，燃烧不发生或无法维持；
其中，ΔT = Tfinal- Tin，Tfinal为反应物燃烧后的温度；
步骤2.2、对比无焰燃烧状态与有焰燃烧状态的一维火焰计算结果中释热率分布的不同，并根据两种状态下的一维火焰计算结果中释热率分布的不同确定如下作为复杂燃烧条件下无焰燃烧状态的判据；
其中，无焰燃烧状态的情形下，释热率分布存在正负释热区分离的现象，正负释热区之间存在dHRR/dx = 0，其中，HRR代表释热率，dHRR/dx代表释热率的空间导数；
有焰燃烧状态的情形下，释热率分布存在正负释热区相邻的现象，负释热区与正释热区峰值之间的释热率空间导数不为零。
3.如权利要求1所述的一种非预混燃烧过程无焰燃烧状态的数值判断方法，其特征在于，所述步骤3中，收集CFD模拟结果并提取释热率分布通过选取过燃料喷管的中轴截面数据；对于多喷孔的非预混燃烧而言，通过选取燃料喷管和空气喷管各自中轴截面数据，以及这两个截面之间的中间截面数据。
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