氨气-氢气富燃湍流旋转火焰的大涡模拟

程 康，王 平，毛晨林，Valera-Medina Agustin，王永倩，杨证淳，刘文锋，田 飞

(1.江苏大学能源研究院，镇江 212013；2.英国卡迪夫大学工程学院，卡迪夫 CF24 3AA，英国；3.江苏大学能源与动力工程学院，镇江 212013)

氢气作为一种理想燃料，在储存运输上存在着一些困难.另一种利用氢的方式是用化学方法将氢储存在氨中，氨是一种良好的氢能载体，其中氢的质量百分比为 17.8%[1]，氨更容易液化(在室温下约0.85 MPa)，更容易储存运输.然而，目前氨气还不能直接应用于现代燃气轮机或其他燃烧系统中，这主要是因为氨层流火焰速度低[2]，化学计量比条件下约为甲烷火焰的五分之一，这使得稳定纯氨火焰比较困难[3]；燃烧后的氮氧化物排放很高.

日本东北大学的Hayakawa 等[4]的实验研究表明，在一定范围的当量比和入口流速条件下，氨-空气预混火焰可以在旋流下稳定.更多研究则集中在了氨与其他反应性更强的燃料的混合燃烧上[5-10].氨-甲烷混合物作为其中的一种，受到了广泛的关注和研究.然而，与甲烷或其他碳氢燃料掺混均会引入碳元素，燃烧后还是会产生大量的二氧化碳，这会降低“零碳经济”的收益.

氢气化学性质活泼，在氨气中加入氢气可以大大改善氨气的燃烧特性，如提升燃烧速度，减小着火延迟期等，并且氨-氢混合燃烧不产生二氧化碳.因此，氨-氢掺混燃烧有很好的应用前景，近年来受到广泛的关注.英国卡迪夫大学的Valera-Medina 等[9，11]通过实验研究证明，燃料混合物中氨-氢的体积比为7∶3 时，富燃、贫燃状态下模型燃气轮机燃烧室内的火焰均可以稳定，且当量比大于1.3 时，NO 的排放量显著降低.

大涡模拟(LES)方法可以准确描述湍流场的变化，在湍流燃烧的研究中得到了广泛应用.Somarathne 等[12]采用详细化学机理结合LES 方法对一个旋流燃烧器中的氨气-空气火焰和氨气-氢气火焰进行了详细计算.目前的三维数值模拟主要集中在纯氨燃烧和氨气混合气的贫燃燃烧上[13]，针对富燃下氨-氢的LES 计算研究不多.氨气的燃烧复杂，包含很多的基元反应，氨气掺混其他气体时中间的交叉反应更多，然而目前还没有一个公认的简化机理能准确预测氨-氢在贫燃和富燃状态下NO 的生成.

Valera-Medina 等[7]在研究氨-氢体积比为1∶1的完全预混燃烧时发现，火焰只在很低的当量比(0.41～0.56)下稳定.为了研究更高的当量比对燃烧状态及排放特性的影响，就必须采用更加合适的氢气进气方式，减小回火的风险.本文采用动态增厚火焰(DTF)燃烧模型[14-15]对卡迪夫大学开发的一新型旋流燃烧器进行大涡模拟，分析氨-氢火焰的流场和NO的生成及影响因素.此外还采用CHEMKIN-PRO 软件包对该火焰进行层流火焰计算和化学反应器网络(CRN)分析，分析在当量比为1.2、氨-氢体积比为1∶1 时NO 的生成及排放特性.

1 物理模型和数值方法

1.1 物理模型

本文所建立的卡迪夫大学旋流燃烧器模型如图1 所示.主要包括预混合段，径向旋流器，6 个沿周向均匀布置的氢气入口，一个圆柱形燃烧室.氨气和空气在燃烧器的预混合段充分混合后进入旋流器，径向旋流器包含9 个相同的进气通道，产生的旋转流动有助于稳定火焰.旋流数S 代表旋流运动的强度，计算公式[16]如下：

图1 燃烧器示意Fig.1 Photograph of the combustor

式中：Ga和Gr分别为角动量和径向动量；r1为旋流器管腔的半径.狭缝处的速度ws＝Q/(nstsLs)，其中Q是总体积流量，ns、ts和Ls分别是狭缝数量、厚度和每个狭缝的长度.预混气体单位体积的角动量为ρws(r1-ts/2)，(r1-ts/2)是中心轴和狭缝中心之间的距离，总角动量Ga表示为Ga＝ρQws(r1-ts/2)＝Q2ρ(r1-ts/2)/nstsLs.平均轴向速度U 定义为U＝Q/πr12，总径向动量 Gr＝ρQU＝ρQ2/πr12，因 此 S＝π(r1-ts/2)r1/nstsLs.本文中r1＝16 mm，ns＝9，ts＝4.6 mm，Ls＝15.8 mm，S＝1.05.氢气则是由位于旋流器下游的6 个沿周向均匀布置的圆孔射入旋流器通道内，圆孔的直径为1.5 mm，氢气的射入角斜向下游呈45°，这样的进气方式可以减小回火的风险.燃烧室的直径为84 mm，高为314.6 mm.

1.2 数值方法和化学反应机理

采用LES 方法进行数值模拟研究，LES 是对大尺度的涡直接模拟，小尺度的涡则采用亚网格应力模型进行封闭.LES 通过空间过滤的方法，对质量、动量和能量进行求解，空间滤波后的Navier Stokes 方程在文献[17]中有详细介绍.采用DTF 燃烧模型对火焰进行求解，在前期工作中Wang 等[18-20]已经验证了DTF 模型在求解旋转湍流甲烷、氢气火焰时具有的良好性能.

在CHEMKIN-PRO 平台上建立了预混层流火焰模型和CRN 模型，对NH3/H2/空气富预混燃烧进行计算研究.CRN 模型的示意图如图2 所示，本文所使用的CRN 由两种理想反应器组成：完全搅拌反应器(PSR)和塞流反应器(PFR).PSR 反应器是一种假定流场完全紊流，混合速率高的理想反应器.PFR 是假定理想气体稳定、一维、无黏流的理想反应器.反应器网络采用PSR 表示入口附近的混合区、中央回流区、主火焰区；采用PFR 表示火焰后区域.在旋转湍流燃烧室的主区域，由于回流区较强，反应物和温度分布较均匀，选择PSR 可以保持足够的停留时间和高湍流水平[21].进气条件与三维模拟相一致，中央循环区的再循环率分别设定为最大值65.3%，平均值16%.

图2 CRN模型示意Fig.2 The CRN model of the combustor

一个良好的化学动力学机制，对理解火焰的燃烧特性和化学反应特性很重要.对于含氨火焰，不仅要研究火焰的结构，更要能准确预测各个状态下各种组分的生成和消耗过程，这对控制污染物的排放十分重要.过于复杂的机理对于计算资源的要求很高，但过于简化的机理会忽略中间重要的反应导致预测精度不够.毛晨林等[22]通过Cantera 程序对一维层流火焰开展了系统性的分析，对比了3 种(Xiao，UT-LCS，Li-II)不同的机理，发现Xiao 机理在计算NH3/H2/air的层流火焰速度和预测NO 的排放上表现较好，且Xiao 机理最节省计算资源.因此，本研究选择Xiao等提出的 28 组分和 91 步反应机理用于三维NH3/H2/air 湍流火焰模拟[23].

1.3 一维层流预混火焰结构

模拟在T＝288 K、p＝0.1 MPa 条件下进行，当量比为1.2，空气的流量为254 L/min，NH3和H2的体积流量均为51 L/min.

使用CHEMKIN-PRO 软件中的预混火焰模型分别计算了当量比为1.2 的甲烷非拉伸层流火焰和当量比为1.2 的氨-氢(体积比为1∶1)非拉伸层流火焰.甲烷的绝热火焰温度为2 136 K，层流火焰速度为0.342 m/s，层流火焰厚度为0.43 mm，氨-氢的绝热火焰温度为2 080 K，层流火焰速度为0.420 69 m/s，层流火焰厚度为0.5 mm.对比两种火焰，发现氨-氢层流火焰厚度略厚于甲烷火焰，层流火焰速度大于甲烷火焰.从图3 的层流火焰结构可以看出除NO 的不同外，甲烷火焰和氨-氢火焰的结构是相似的，DTF模型[15]可用于计算当前状态下的氨-氢火焰.

图3 当量比为1.2时甲烷和氨-氢的层流火焰结构Fig.3 Laminar flame structures of CH4 and NH3-H2 when R＝1.2

1.4 LES计算网格

数值域由圆柱形燃烧室和带钝体的喷嘴、径向旋流器、进气管道等组成.设定进气管壁、旋流器为绝热、无滑移条件，在燃烧室壁面上设置了850 K 的恒定温度.网格划分上使用全结构化分块网格，网格数目为217 万，图4 所示为网格局部视图，在氢气的入口处布置了足够数目的网格，在火焰区域，网格的大小约为0.4 mm.参考前期的湍流火焰LES 计算算例[19]及上述的层流火焰数据，本文采用的网格是可以满足LES 计算要求的.

图4 全结构网格示意Fig.4 Schematics of global grid and local grid

2 结果与分析

2.1 流场结构特征

燃烧室下游的温度场如图5 所示.从图中可以看出靠近旋流器出口处存在一个大的中央回流区(CRZ)，CRZ 内的气体温度高，气体流动方向与来流方向相反，这有利于点燃刚进入燃烧室的新鲜反应气，提高燃烧的稳定性.由于燃烧室壁面的存在，旋转而出的气流在与壁面碰撞后在燃烧室底部产生了外部回流区(ORZ).

图5 瞬时温度分布(白线：Ux＝0，黑线：流线)Fig.5 Instantaneous distribution of temperature(white lines：Ux＝0，black lines：streamlines)

研究发现旋流有助于掺氨火焰的稳定燃烧[9,18]，这得益于回流区的存在，其中回流区的强度或者气体质量流量再循环率(逆流气体质量流量与综合的顺流气体质量流量)对流场存在较大的影响.在CRN 分析中需要预先设置此再循环率，但是目前许多的研究将再循环率设为固定值，如20%.再循环率无疑与特定的燃烧器构造、旋流数等因素有关，有必要根据不同的状态设定更准确的再循环率.为了从旋流产生再循环的角度理解燃烧的稳定特性，计算了燃烧器沿轴向方向的不同截面处的顺流质量流量和回流质量流量，结果如图6 所示，其综合顺流气体质量流量约为定值6 g/s.从图中可以看出顺流和回流的流量呈现相同的特征，即先增大后减小，在x 等于0.1 m 左右时(以进气截面中心点为原点，钝体与燃烧室接触面中心点的x 等于0.088 m)，顺流和回流的流量均达到最大值，此时再循环率也达到最大值约为65.3%.而在0.088 m＜x＜0.2 m 区间，再循环区的平均再循环率约为16%.继续向下游流动，回流的流量等于0，再循环率也降为0，顺流流量等于6 g/s，这和设定的入口条件是一致的.

图6 质量流量和再循环率分布Fig.6 Distributions of mass flow rate and recycle fraction

2.2 LES计算得到的NO分布

从图7 中NH3和H2的瞬时质量分数云图中可以看出，喷嘴下游至出口气体的混合是不均匀的，这是受氢气的进气方式影响的结果.氢气以45°喷入空气流中，在涡流的作用下，氢气更靠近中央钝体侧，所以中间区域氢气的质量分数略高于外侧，且氢气的浓度大于氨气的浓度.新型的进气方式实现了卡迪夫大学之前的构想，更多的氢气在氨之前燃烧，以帮助分解NH3.火焰后区域没有NH3但存在未燃烧的H2，其中一部分就来自于NH3的分解.H2O 和N2的分布图显示燃烧室下游的主要组分是N2和H2O.

图7 NH3、H2、H2O 和N2 的瞬时质量分数分布Fig.7 Instantaneous mass fraction distributions of NH3，H2，H2O and N2

NO 的平均和瞬时质量分数分布如图8(a)和8(b)所示.平均场显示钝体附近生成了少量的NO，在火焰顶端和壁面附近观察到大量NO 的生成，沿着该区域大部分NO 聚集向燃烧室的下游流动，下游的NO 被稀释后浓度有一定的降低.NO 瞬时场捕捉了存在于火焰顶端和沿着燃烧室壁面的NO 气团的脱离.瞬时场还显示旋涡结构和高浓度NO 区域相对应，NO 生成受停留时间影响，当流体在漩涡内的停留时间增加时，漩涡区局部NO 的生成量较高.

图8 NO 的平均质量分数分布及NO 和OH 的瞬时质量分数分布Fig.8 Time averaged mass fraction of NO，instantaneous mass fraction distributions of NO and OH

对于含氨燃料的燃烧，NO 主要产生于两种途径，热力型NO 和燃料型NO.图5 的温度图中显示，主燃区的温度高于1 900 K，会通过Zeldovich(1946)机制产生更多的NO，即热力型NO.富燃状态下，H2先被氧化，释放出大量的OH，OH 自由基会促进其他自由基的产生，如NH2等，通过NHi＋OX→NO＋HiX，OX 是一种含氧组分(例如OH)，生成大量的NO，即燃料型NO.由于燃料不停向下游运动，反应持续发生，火焰顶端和壁面附近出现更高浓度的NO.对比8(c)的OH 图发现高浓度NO 对应的区域OH 浓度也很高，这表明当地的高OH 浓度是燃烧室内局部NO 水平升高的主要原因.

为了进一步研究NO 和OH 质量分数与温度的关系，图9(a)、(b)中分别显示了图8(b)中黑框区域中各点的OH、NO 对温度的散点图.可以看出随着温度的升高，OH 和NO 的质量分数也随之增加，外循环区及壁面附近温度较低，导致一定区域的NO 浓度降低.当温度大于2 000 K，OH 的质量分数最大时，NO 的质量分数最高.这说明，NO 的生成与温度和OH 之间存在着正相关.图9(c)、(d)中显示的是NH 对N 的散点图，可以看出N 来自于NH 的氧化.图9(c)中当N 的量趋近于0 时NO 存在两种情况，趋近于最高值或最低值，这是由于N 在火焰面上存在着两个反应，通过N＋OH→NO＋O，促进了热力型NO 的生成；通过N＋NO→N2＋O，将NO 还原成N2，减少了NO 的生成.

图9 火焰区OH-T、NO-T 和NH-N 的散点图Fig.9 Scatter plots of OH-T，NO-T and NH-N in flame zone

图10 为DTF 模型中动态增厚因子F 和亚网格尺度褶皱因子E 的云图分布，对照图8(c)的OH 云图可以看到F 和E 都是在火焰面处进行加厚和褶皱.在火焰外侧，网格尺寸大，所以F 和E 值大，此处的F 和E 的最大值分别为8.07 和2.在燃烧室的大部分区域F 和E 为1，代表LES 准确判断出此处没有燃烧反应，火焰增厚效应自动消减为0，此处的湍流扩散作用得以准确描述.

图10 DTF模型的动态加厚因子F 和亚网格褶皱因子EFig.10 Dynamic thickening factor F and sub-grid scale wrinkling factor E of DTF model

2.3 低维数值分析

一维预混层流火焰模拟结果(1D)和CRN 模拟的结果均显示NH3在火焰区域已经消耗完全，而在火焰的下游有部分未燃的H2，这和LES 的结果是对应的.图11(a)中显示了一维层流预混火焰模型中的部分组分的变化情况.为了分析LES 模拟和一维模拟下的NO 的排放，将4 种数值计算结果进行了对比，如图11(b)所示.通过对比可以看出，1D 情况下NO 的排放最高，两种不同再循环率的CRN 结果不相同，说明再循环区的存在和大小对NO 的排放是有影响的.对比LES 和CRN 的结果，三者有一定的差异，这是由于旋转湍流情况下的三维流场更加复杂，再循环率在各个位置并不是均匀分布的，且由于局部当量比和燃料组分体积比的变化，NO 的生成情况更加复杂，而这些是CRN 模拟所不能反映出来的.

图11 一维预混火焰的组分变化和NO排放的对比Fig.11 Schematics of compositions change and comparison of four NO value

为了进一步揭示NO 的生成机理，分析了在绝热条件下，当量比为1.2，氨-氢体积比为1∶1 时燃烧的反应路径，重点关注关键组分的反应.该项工作是在上述的CRN 计算中进行的，CRN 中的PSR 即零维反应器可以用来表示主火焰区.结果如图12 所示，可以看出，N 对NO 的生成贡献最大，HNO 次之，N和 HNO 分别来源于 NH，NH2的氧化.而 N＋NO ⇌N2＋O，NH ＋NO ⇌N2＋OH 和 NH2＋NO ⇌NNH＋OH 反应对NO 的消耗起着重要作用.

图12 NO的生成速率和反应路径Fig.12 Absolute rate of production of NO at the flame and the reaction path analysis related to NO concentration.

3 结论

本文用LES 方法结合DTF 模型研究了富燃状态下氨-氢体积比为1∶1 时的旋转湍流火焰，重点分析了流场和NO 的形成及影响因素.结果表明：

(1)燃料中含氮成分的含量决定了总的高NO 排放水平，NO 主要生成于火焰面上，流场结构对NO的排放有影响，旋涡与NO 分布之间存在一定的相关性.

(2)NO 的生成与温度、OH 之间存在着正相关，燃烧室中的NO 主要由热力型NO 组成，即通过反应N＋OH ⇌NO＋H 生成，HNO 等组分的氧化也贡献了一部分，而N，NH 和NH2对NO 的消耗起着重要作用.

(3)通过比较1D，CRN，LES 结果发现三者存在差异，而造成这种差异的主要原因是回流区的存在及大小，以及气体在局部混合程度的不同.相较于一维模拟和CRN 分析，LES 方法可以描述实时流场的变化情况.