纳米氧化铁吸附脱除单质汞的实验研究

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1、中国工程热物理学会燃烧学学术会议论文编号：094034H2/N2/O2射流扩散火焰的直接数值模拟易富兴[1]李德波[2]卢树强[2]樊建人*（1浙江大学热能工程研究所能源清洁利用国家重大实验室浙江杭州310027）E-mail：spkaka@zju.edu.cn，Tel:0571-87951764摘要：直接数值模拟(DNS)是与雷诺时均模拟(RANS)、大涡模拟(LES)并列的三大模拟方法之一，而射流扩散火焰在燃烧理论与实验研究中都扮演着十分重要的角色，本文采用完全可压缩的Naive-Stokes方程，对喷口直径为D=1mm

2、，Re=2000的射流扩散火焰进行了直接数值模拟，分析了冷态时H2，O2的混合；以及燃烧后的统计特性，主要包括速度场，密度，温度以及主要组分与混合分数的分布，并与实验结果进行对比分析。关键词：射流扩散火焰DNS无反射边界条件0前言如摘要所述，到目前为止总共有三类流动模拟方法，分别为雷诺时均法(RANS),大涡模拟(LES),直接模拟(DNS)。引言的目的不在于比较这三类方法在流动模拟中的优劣，只粗略介绍一下这三类方法在射流燃烧模拟中的一些应用：RANS是一种成熟而且为工程界所应用的一种方法，在湍射流扩散火焰的模拟中，主要采用

3、的是k-ε模型或雷诺应力模型模拟流动，采用PDF模型或层流小火焰模型模拟燃烧，但模型对混合问题(Mixing)模拟较差，与实验相比差距明显；LES在最近十几年取得了飞速发展，如果检索最近几年在SCI上收录的有关大涡模拟的文章，可以发现文章数近似几何级数增长[1]，在射流燃烧领域，大涡模拟也同样表现非凡，H.Pitsch[2]曾对SandiaflameD(甲烷/空气射流，导引火焰，Re>10,000)进行过非常成功的大涡模拟；L.Selle[3]等人曾对一个小型化的旋流燃烧器进行过比较成功的大涡模拟；但大涡模拟在射流燃烧领域的

4、研究还有很多地方不是很完善，特别是亚网格模型的验证非常困难。直接模拟(DNS)由于能给出所有的统计信息而被视为最精确的模拟方法，但由于对计算机要求非常之高，已发表的直接模拟三维射流燃烧的文章非常之少，Y.Mizobuchi[4]等人首次将DNS应用于射流扩散火焰领域，但由于其网格数与格式的精度相去DNS甚远，所以也一直为人所诟病；T.Lu[5]等人在2008年的AIAAJ上发表了对H2湍射流抬升火焰(Liftedflame)的DNS研究结果，研究所需网格数与格式的精度基本上达到了DNS的要求，为了完成这一研究，总共使用了大约

5、10亿左右的网格。本文借助于本所现有条件，对H2/N2射流扩散火焰进行了直接数值模拟，模拟的管内直径为1mm，Re大约为2000，总共采用了48个CPU，900万左右网格。离散格式采用了中心8阶显式中心差分格式，具体的计算方法与结果分析将在下面讨论。1计算方法基金项目：国家自然科学基金资助项目（Nos.50736006）计算中采用的方程为完全可压缩NS方程，详细地推导过程可见文献[6]，具体形式下：(1)(2)Fork=1,N(3)(4)(5)其中不考虑重力的影响，忽略辐射热。上述几个方程依次为连续方程，动量方程，组分方程，

6、能量方程与状态方程。连续方程与动量方程与单相流动一致，由于本文是模拟H2射流扩散燃烧，燃烧机理采用的CHEMIKEN软件提供的9种组分(H2,O2,OH,H2O,H,O,H2O2,HO2与N2)20步反应机理；各种组分的比热，焓，熵采用JANAF数据库中的数据，各种组分的黏度，导热系数的求法与CHEMIKEN软件中的方法一致，但是CHEMIKEN软件对H2O的黏度与导热系数的求解与实验值差别较大，本文采用对比态法[7]求解H2O的黏度与导热系数；混合物的黏度与导热系数的求法与CHEMIKEN软件相同；对扩散系数的求解，考虑到

7、时间与精度的要求，采用Le数求解，允许各种组分的Le数不相同；能量方程中采用的是以温度为基本变量的方程，这与国外的其他类似程序有比较大的差异。空间离散格式采用8阶中心显式差分格式，配以10阶显式过滤格式[8]；时间离散格式采用经典4步4阶RK格式。整个计算区域由下图所示：图1计算区域详图喷口直径为D=1mm，整个计算区域为主流方向14.75D，其他两个方向均为8.65D，每个D划分20个网格，总网格数：296×174×174。射流中心流速为U1=107m/s，温度400K，H2的质量分数0.08，N2的质量分数0.92；伴随

8、流的速度U2=0.25m/s；伴随流的温度为400K，伴随流的组分组成为0.0645的H2O，0.1709的O2，0.7646的N2。射流中心与伴随流之间的参数值采用tanh函数过渡。为了使流场尽快扰动，在进口处强制加了一个正弦扰动：(8)(9)其中：,Str=0.38，另外由于采用了完全