火炬中的「聖火」燃燒

本篇文章中，我們將使用反應流 介面和固體傳熱 介面分析圓噴射燃燒器中合成氣的燃燒，並對比從基準模型中獲取的結果與實驗結果。

什麼是合成氣？

合成氣 主要由氫氣、一氧化碳和二氧化碳構成，我們可以根據它的名稱判斷這種可燃氣體混合物的用途，它是合成天然氣生產過程的中間物。不過，合成氣也可以用於製造其他產品，比如甲醇、氨水、甚至氫。氣化 工藝促成了這一想法的實現。

在氣化中，固體原料轉化為氣體，隨後可以用於其他各種應用。還可以對合成氣進行液化處理，比如通過壓縮。氣化支持多種原料類型，從煤到生物質，這一靈活性也使它極受重視。此外，這種方法還簡化了對反應副產品的捕獲步驟，例如硫磺或二氧化碳。

這裡，我們模擬了圓噴射燃燒器中合成氣的燃燒，並將模擬結果與實驗數據進行了對比。

圓噴射燃燒器中合成氣的湍流燃燒

在圓噴射燃燒器中的合成氣燃燒模型中，燃燒器由一個直管構成，外側是流速較慢的空氣協流。將由一氧化碳、氫及氮混合組成的氣體通入管道中，入口速度設為 76 m/s (Ma ≈ 0.25)。同時，管道外空氣的協流速度是 0.7 m/s。

燃氣氣體會在離開管道後與協流混合，形成一個無約束的圓形截面噴射。湍流噴射保證了兩種氣體的充分混合，以及在離開管道時能夠保持燃燒。這是一種非預混燃燒形式，燃料與氧化劑分別獨立進入反應區。

在本示例中，我們求解了六種化學物質的質量分數，反應中用到的五種以及協流中初始包含的氮，希望能模擬反應噴射中的傳質。在本示例中，噴射的雷諾數為 16700，即噴射為全湍流狀態。因此，我們可以假定湍流流動對噴射的混合和反應過程有重要影響。

使用 湍流模型分析流場內的湍流。我們使用渦流耗散模型模擬了湍流反應，這是模擬此類反應的一種簡單有效方式。由於反應中存在放熱，噴射燃燒器內出現了明顯的升溫，這也是燃燒最典型的一個特徵。為了精確預測溫度與合成物，我們認為材料屬性受溫度影響並考慮了流體的物理屬性。

合成氣的燃燒模型涉及高度耦合，結合了湍流與傳熱和傳質。圓噴射燃燒器中的合成氣燃燒模型完整介紹了這類非線性模型的全部求解步驟。

模擬結果

下圖繪製了反應噴射燃燒器內的速度場，表示自由熱噴射的膨脹與產生。在噴射的外側，湍流混合加快了協流中流體的速度，並將其與噴射相混合，這一過程稱為夾帶。協流流線清晰顯示了流體的過渡，它從管道開口處噴射的下遊方向開始向內彎折。

接下來，我們分析噴射的溫度，使用旋轉數據集來顯示全三維模型。燃燒區內的最高溫度約為 1960 K。

下圖顯示了反應噴射燃燒器內二氧化碳的質量分數。在噴射的外剪切層中產生了 CO2，即管道的出口處。燃料與協流中的氧氣同樣在外剪切層中發生反應，湍流混合加速了反應。與 CO2 的產生類似，上圖繪製的溫度上升同樣發生在管道出口處。這說明管道上並沒有發射或粘附火焰。

模擬結果與實驗數據

現在讓我們轉移焦點，對比模擬結果與實驗數據。分析將從噴射中心線處的溫度曲線開始，如下方左圖所示。在本圖及之後的圖像中，線代表模型結果，符號標記表示實驗值。中心線繪圖顯示，模型預測的最高溫度接近實驗結果數據。

您可能在模型結果中發現，溫度曲線略向下偏移。這一偏差可能是模型中沒有考慮輻射影響。右圖沿一條水平線對比了管道出口下遊方向兩個不同位置處（管徑分別為 20 和 50）的溫度。同樣，模擬與實驗中得到的值較為一致。

對比噴射的軸線速度與實驗數據，我們可以觀察到這兩個位置處 （管徑分別為 20 和 50）的結果高度一致。下圖較好地展示了這一點：

最後，我們沿噴射中心線計算了物質濃度。物質 N2 和 CO 的軸向質量分數變化與實驗數據高度一致。H2O 與 H2 的數據也與實驗值契合，但 H2O 的數據略有偏移。物質 CO2 與 O2 的變化趨勢與實驗結果類似，但和溫度曲線類似，曲線也有輕微下移。這一偏差是因為模型中沒有加入輻射。即便如此，簡化的反應方案和渦流耗散模型也可能影響精度。

自己動手操作

• 下載模型： 圓噴射燃燒器

經授權轉載自 http://cn.comsol.com/blogs/，原作者 Bridget Cunningham。