納米氧化鐵吸附脫除單質(zhì)汞的實(shí)驗(yàn)研究

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1、中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)燃燒學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文編號(hào)：094034H2/N2/O2射流擴(kuò)散火焰的直接數(shù)值模擬易富興[1]李德波[2]盧樹強(qiáng)[2]樊建人*（1浙江大學(xué)熱能工程研究所能源清潔利用國(guó)家重大實(shí)驗(yàn)室浙江杭州310027）E-mail：spkaka@zju.edu.cn，Tel:0571-87951764摘要：直接數(shù)值模擬(DNS)是與雷諾時(shí)均模擬(RANS)、大渦模擬(LES)并列的三大模擬方法之一，而射流擴(kuò)散火焰在燃燒理論與實(shí)驗(yàn)研究中都扮演著十分重要的角色，本文采用完全可壓縮的Naive-Stokes方程，對(duì)噴口直徑為D=1mm

2、，Re=2000的射流擴(kuò)散火焰進(jìn)行了直接數(shù)值模擬，分析了冷態(tài)時(shí)H2，O2的混合；以及燃燒后的統(tǒng)計(jì)特性，主要包括速度場(chǎng)，密度，溫度以及主要組分與混合分?jǐn)?shù)的分布，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。關(guān)鍵詞：射流擴(kuò)散火焰DNS無反射邊界條件0前言如摘要所述，到目前為止總共有三類流動(dòng)模擬方法，分別為雷諾時(shí)均法(RANS),大渦模擬(LES),直接模擬(DNS)。引言的目的不在于比較這三類方法在流動(dòng)模擬中的優(yōu)劣，只粗略介紹一下這三類方法在射流燃燒模擬中的一些應(yīng)用：RANS是一種成熟而且為工程界所應(yīng)用的一種方法，在湍射流擴(kuò)散火焰的模擬中，主要采用

3、的是k-ε模型或雷諾應(yīng)力模型模擬流動(dòng)，采用PDF模型或?qū)恿餍』鹧婺Ｐ湍M燃燒，但模型對(duì)混合問題(Mixing)模擬較差，與實(shí)驗(yàn)相比差距明顯；LES在最近十幾年取得了飛速發(fā)展，如果檢索最近幾年在SCI上收錄的有關(guān)大渦模擬的文章，可以發(fā)現(xiàn)文章數(shù)近似幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)[1]，在射流燃燒領(lǐng)域，大渦模擬也同樣表現(xiàn)非凡，H.Pitsch[2]曾對(duì)SandiaflameD(甲烷/空氣射流，導(dǎo)引火焰，Re>10,000)進(jìn)行過非常成功的大渦模擬；L.Selle[3]等人曾對(duì)一個(gè)小型化的旋流燃燒器進(jìn)行過比較成功的大渦模擬；但大渦模擬在射流燃燒領(lǐng)域的

4、研究還有很多地方不是很完善，特別是亞網(wǎng)格模型的驗(yàn)證非常困難。直接模擬(DNS)由于能給出所有的統(tǒng)計(jì)信息而被視為最精確的模擬方法，但由于對(duì)計(jì)算機(jī)要求非常之高，已發(fā)表的直接模擬三維射流燃燒的文章非常之少，Y.Mizobuchi[4]等人首次將DNS應(yīng)用于射流擴(kuò)散火焰領(lǐng)域，但由于其網(wǎng)格數(shù)與格式的精度相去DNS甚遠(yuǎn)，所以也一直為人所詬?。籘.Lu[5]等人在2008年的AIAAJ上發(fā)表了對(duì)H2湍射流抬升火焰(Liftedflame)的DNS研究結(jié)果，研究所需網(wǎng)格數(shù)與格式的精度基本上達(dá)到了DNS的要求，為了完成這一研究，總共使用了大約

5、10億左右的網(wǎng)格。本文借助于本所現(xiàn)有條件，對(duì)H2/N2射流擴(kuò)散火焰進(jìn)行了直接數(shù)值模擬，模擬的管內(nèi)直徑為1mm，Re大約為2000，總共采用了48個(gè)CPU，900萬左右網(wǎng)格。離散格式采用了中心8階顯式中心差分格式，具體的計(jì)算方法與結(jié)果分析將在下面討論。1計(jì)算方法基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（Nos.50736006）計(jì)算中采用的方程為完全可壓縮NS方程，詳細(xì)地推導(dǎo)過程可見文獻(xiàn)[6]，具體形式下：(1)(2)Fork=1,N(3)(4)(5)其中不考慮重力的影響，忽略輻射熱。上述幾個(gè)方程依次為連續(xù)方程，動(dòng)量方程，組分方程，

6、能量方程與狀態(tài)方程。連續(xù)方程與動(dòng)量方程與單相流動(dòng)一致，由于本文是模擬H2射流擴(kuò)散燃燒，燃燒機(jī)理采用的CHEMIKEN軟件提供的9種組分(H2,O2,OH,H2O,H,O,H2O2,HO2與N2)20步反應(yīng)機(jī)理；各種組分的比熱，焓，熵采用JANAF數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，各種組分的黏度，導(dǎo)熱系數(shù)的求法與CHEMIKEN軟件中的方法一致，但是CHEMIKEN軟件對(duì)H2O的黏度與導(dǎo)熱系數(shù)的求解與實(shí)驗(yàn)值差別較大，本文采用對(duì)比態(tài)法[7]求解H2O的黏度與導(dǎo)熱系數(shù)；混合物的黏度與導(dǎo)熱系數(shù)的求法與CHEMIKEN軟件相同；對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的求解，考慮到

7、時(shí)間與精度的要求，采用Le數(shù)求解，允許各種組分的Le數(shù)不相同；能量方程中采用的是以溫度為基本變量的方程，這與國(guó)外的其他類似程序有比較大的差異?？臻g離散格式采用8階中心顯式差分格式，配以10階顯式過濾格式[8]；時(shí)間離散格式采用經(jīng)典4步4階RK格式。整個(gè)計(jì)算區(qū)域由下圖所示：圖1計(jì)算區(qū)域詳圖噴口直徑為D=1mm，整個(gè)計(jì)算區(qū)域?yàn)橹髁鞣较?4.75D，其他兩個(gè)方向均為8.65D，每個(gè)D劃分20個(gè)網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)：296×174×174。射流中心流速為U1=107m/s，溫度400K，H2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.08，N2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.92；伴隨

8、流的速度U2=0.25m/s；伴隨流的溫度為400K，伴隨流的組分組成為0.0645的H2O，0.1709的O2，0.7646的N2。射流中心與伴隨流之間的參數(shù)值采用tanh函數(shù)過渡。為了使流場(chǎng)盡快擾動(dòng)，在進(jìn)口處強(qiáng)制加了一個(gè)正弦擾動(dòng)：(8)(9)其中：,Str=0.38，另外由于采用了完全