基于OpenFOAM的甲烷摻氫燃燒數(shù)值模擬研究[權(quán)威資料]

基于 OpenFOAM 的甲烷摻氫燃燒數(shù)值模擬研究 本文檔格式為 WORD,感謝你的閱讀。 摘 要：為了研究甲烷摻氫后的燃燒特性，采用定容燃燒彈實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和 OpenFOAM 軟件，將實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)值模擬相結(jié)合，系統(tǒng)地分析了摻氫比、指前因子、活化能等參數(shù)對(duì)甲烷燃燒特性參數(shù)的影響。研究結(jié)果表明，摻氫后可使混合氣燃燒速度加快，燃燒溫度提高；指前因子對(duì)燃燒性能參數(shù)影響不明顯；活化能增加，導(dǎo)致燃燒反應(yīng)速率對(duì)混合氣初始溫度變化的敏感性提高。 關(guān)鍵詞：甲烷；摻氫 ；定容燃燒彈；燃燒特性 汽車排放出的有害氣體，不斷威脅著人類生存的環(huán)境。為了達(dá)到節(jié)能減排并且滿足發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能需要的目的，尋找適合的內(nèi)燃機(jī)替代燃料已經(jīng)成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。天然氣燃料是一種清潔能源，主要成分是甲烷。其具有排放污染小、價(jià)格低、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在著燃燒速率低、發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能低于常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)等不足。因此，國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)改善天然氣燃燒特性問(wèn)題，進(jìn)行了大量的研究工作，提出了多種解決方案 1-7，天然氣摻混氫氣是改善天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的方法之一。 基于 2013 年北京工業(yè)大 學(xué)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目的研究成果，本文采用 OpenFOAM 軟件，建立了基于定容燃燒彈的甲烷摻氫燃燒模型，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果，分析了摻氫對(duì)甲烷燃燒特性參數(shù)的影響規(guī)律。 1 定容燃燒彈系統(tǒng) 本實(shí)驗(yàn)使用的定容燃燒彈系統(tǒng)主要由燃燒彈彈體、混合氣配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、壓力采集系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)、火焰圖片采集系統(tǒng)等組成。圖 1 所示為定容燃燒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖 8。 實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先通過(guò)混合氣配氣系統(tǒng)配氣，在預(yù)混罐中充分?jǐn)嚢柚敝辆鶆?；然后把均勻的混合氣充入燃燒彈中；利用溫度控制系統(tǒng)使初始溫度達(dá)到預(yù)定結(jié)果；當(dāng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)及火焰圖片采集系統(tǒng)均進(jìn)入工作預(yù)備狀態(tài)之后，執(zhí)行點(diǎn)火；燃燒過(guò)程中，將圖片采集及壓力數(shù)據(jù)完整保存；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，開啟真空泵，將管路及彈體進(jìn)行抽真空處理，從而恢復(fù)到初始實(shí)驗(yàn)狀態(tài)。 2 燃燒特性研究 2.1 仿真模型的建立 在 OpenFOAM 中根據(jù)實(shí)際定容燃燒彈彈體的尺寸和特點(diǎn)設(shè)定幾何模型的尺寸和邊界條件，建立定容燃燒彈（ CVCB）幾何模型并劃分網(wǎng)格（如圖 2 所示）。 OpenFOAM 中含有燃燒機(jī)理方面研究的燃燒求 解器“reactingFOAM” ，其原程序基于部分?jǐn)嚢璧目蓧嚎s化學(xué)反應(yīng)，因此可在該求解器原程序基礎(chǔ)上進(jìn)行修改 9。由于需要仿真定容燃燒彈彈體中的混合氣燃燒，故在“reactingFOAM” 原程序中添加點(diǎn)火燃燒程序。所添加的點(diǎn)火程序原理為在點(diǎn)火范圍內(nèi)向單元網(wǎng)格施加一定焓值，累計(jì)施加至混合器可自行燃燒，即跳出累加循環(huán)轉(zhuǎn)至化學(xué)反應(yīng)階段。 之后，在 OpenFOAM 中對(duì)點(diǎn)火以及燃燒所需的參數(shù)進(jìn)行編譯，使計(jì)算時(shí)程序可以正確地識(shí)別參數(shù)標(biāo)識(shí)并進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算。需要添加的文件為 combustionProperties，相應(yīng)參數(shù)為點(diǎn)火直徑、點(diǎn)火能量、點(diǎn)火持續(xù)期、時(shí)間步長(zhǎng)等幾個(gè)重要的參數(shù)。此外，還添加了燃燒以及化學(xué)反應(yīng)相應(yīng)必要的程序，如化學(xué)反應(yīng)屬性、燃燒屬性、反應(yīng)機(jī)理等各個(gè)參數(shù)的讀取程序，計(jì)算結(jié)果反饋和數(shù)據(jù)輸出等程序。 2.2 摻氫比對(duì)燃燒特性的影響 2.2.1 仿真結(jié)果對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析 仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比校核如圖 3 和圖 4 所示。圖 3 為摻氫比為 10%時(shí)仿真火焰半徑 R 和實(shí)驗(yàn)所得紋影圖像的對(duì)比。在摻氫比 10%，初始?jí)毫?0.1 MPa，初始溫度 290 K，當(dāng)量比為 1.0 時(shí)，從對(duì)比圖中可明顯看 出實(shí)驗(yàn)從火核點(diǎn)火開始，火焰前鋒面發(fā)展并非圓形，豎軸半徑大于橫軸半徑，點(diǎn)火針在點(diǎn)火初期對(duì)火核發(fā)展的影響較大。點(diǎn)火針的間距影響火焰前鋒面向外擴(kuò)散并呈球形發(fā)展，于兩側(cè)點(diǎn)火針端面出現(xiàn)了擠壓火焰前峰面的現(xiàn)象，這使火球的縱向發(fā)展不受阻礙，形成了實(shí)驗(yàn)圖像所示的效果。而由于仿真中未設(shè)置點(diǎn)火針，因此沒(méi)有出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象。由于網(wǎng)格劃分的密度狀況，使得火焰前鋒面在 4 個(gè)方向上有突出現(xiàn)象。由于實(shí)驗(yàn)中會(huì)有各種因素，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)值和仿真值之間存在一些誤差，但誤差在所允許范圍內(nèi)，因此仿真中所設(shè)置的參數(shù)基本合理。 2.2.2 摻氫比對(duì) 燃燒溫度和燃燒壓力的影響 圖 5a 為不同摻氫比下的燃燒溫度對(duì)比曲線。從圖 5a中可以看出，燃燒溫度 T 隨著摻氫比的增加而提高。圖 5b 為不同摻氫比下的燃燒壓力對(duì)比曲線。在摻氫比為 25%時(shí)，燃燒壓力 P 在點(diǎn)火后 0.01 s 時(shí)快速增加，遠(yuǎn)大于摻氫比為 10%和不摻氫時(shí)。 2.2.3 摻氫比對(duì)燃燒速度的影響 圖 6 為不同摻氫比下，初始?jí)毫?0.1 MPa，初始溫度300 K，當(dāng)量比為 1.0 時(shí)，火焰發(fā)展圖像隨時(shí)間的變化。由圖可見(jiàn)，隨著摻氫比的增加，火焰半徑逐漸增大，摻氫使得混合氣的燃燒速度有所增加。 2.3 活化能和指前因子對(duì)燃燒特性的影響 根據(jù) OpenFOAM 中的甲烷 -氫氣混合機(jī)理，在不同摻氫比下基元反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)并不完全相同，所以有必要針對(duì)基元反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)甲烷摻氫燃燒計(jì)算結(jié)果的影響程度進(jìn)行分析討論。本文只討論指前因子和活化能對(duì)甲烷摻氫燃燒特性的影響。 計(jì)算方案如下：初始溫度分別為 290 K， 340 K， 390 K，摻氫比為 20%，初始?jí)毫?0.1 MPa，當(dāng)量比為 1.0。 指前因子和活化能的取值分為三組，分別為 E1， E2，E3，詳見(jiàn)表 1。 2.3.1 指前因子對(duì)燃燒特性的影響 在燃燒反應(yīng)的初期，對(duì)表 1 中 E2， E3 兩組進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)反應(yīng)初始溫度為 290 K 時(shí)，指前因子對(duì)燃燒溫度 T 的影響情況如圖 7 所示。 0.004 s 之后（即化學(xué)反應(yīng)階段）， E2 組對(duì)應(yīng)的燃燒溫度數(shù)值略大于 E3 組，二者的燃燒溫度差值隨時(shí)間變化呈遞增趨勢(shì)，但最高差值只有 40 K。由此可知，在一定的初始燃燒溫度下，指前因子對(duì)燃燒溫度影響并不明顯。 2.3.2 活化能對(duì)燃燒特性的影響 在反應(yīng)體系中只有少數(shù)具有一定能量水平的分子（即活化分子）才能引起反應(yīng)?；罨肿拥钠骄芰?與所有分子的平均能量之差稱為活化能。要使反應(yīng)發(fā)生，分子碰撞后獲得的動(dòng)能必須大于活化能?；罨茉酱?，反應(yīng)對(duì)溫度變化越敏感?；罨軐?duì)化學(xué)反應(yīng)的影響集中在燃燒初期，一旦化學(xué)鏈完全形成，則活化能的影響便會(huì)減弱。 在燃燒初期，以摻氫比 20%，初始?jí)毫?0.1 MPa，當(dāng)量比 1.0，初始溫度 340 K 和 390 K 為計(jì)算條件，表 1 中 E1 和E3 組所對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果如圖 9 所示，初始溫度升高，燃燒溫度會(huì)呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，但是不同的活化能對(duì)燃燒溫度影響不明顯。 由圖 10 中可以看出，初始溫度對(duì)燃燒壓力有較大影響，初始 溫度越高，燃燒壓力越大。在初始溫度為 340 K時(shí)， E1 和 E3 組所對(duì)應(yīng)的燃燒壓力值較為接近；而在初始溫度為 390 K 時(shí)， E1 組對(duì)應(yīng)的燃燒壓力值與 E3 組對(duì)應(yīng)的燃燒壓力值相比偏小，且隨時(shí)間的推移這種差異越來(lái)越大。由此可見(jiàn)，活化能的增加會(huì)使化學(xué)反應(yīng)速率變慢，使得化學(xué)反應(yīng)困難。換言之，活化能的增加導(dǎo)致反應(yīng)速率對(duì)溫度敏感性上升。 3 結(jié)束語(yǔ) 通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果，驗(yàn)證了在 OpenFOAM 中建立定容燃燒彈內(nèi)甲烷摻氫燃燒模型的合理性和可靠性。在本文實(shí)驗(yàn)與仿真條件下，得到以下結(jié)論： （ 1） 混合氣的燃燒溫度隨摻氫比的增加而提高； （ 2）混合氣的燃燒壓力隨摻氫比的增加而提升； （ 3）提高摻氫比可以提升混合氣的燃燒速度； （ 4）基元反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)中指前因子對(duì)燃燒壓力影響不明顯，而活化能的增加會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)速率對(duì)溫度敏感性上升。 參考文獻(xiàn) 1 B. 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