基于ANSYS下的燃气燃烧仿真

作者:未知

  摘 要:本文利用ANSYS软件,对燃气燃烧进行仿真,模拟出了燃气燃烧过程的迭代数据图、温度分布图、反应物与生成物分布图等参数,直观地展现了燃气燃烧的特征及相应参數变化。这种基于ANSYS下的燃气燃烧仿真不需要大量的设备和燃气,做研究时既保证了安全试验,又有利于环境保护,还提高了研究的精确度。
  关键词:ANSYS;燃气燃烧;仿真
  燃气的燃烧是化学反应,并产生大量的热。传统的燃料中含有硫和其他有害成分,在燃烧时会与氧气发生氧化反应释放有害气体,并且可能产生大量的有害物质排放在环境中。而寻求清洁的替代燃料是解决温室效应和环境污染的一种较为有效的解决办法,现在的城镇燃气主要成分为甲烷,[1]燃烧产物为水和二氧化碳,是一种清洁能源。随着对环境保护日益重视,加快建设清洁低碳、安全高效的现代能源体系成为当前社会发展的一项重要课题。我国大力发展城市燃气,使得燃气消费结构不断提高,燃气消费结构更加均衡,基础设施的不断完善,已被我国广泛使用在工业燃料、工艺生产、化工工业、天然气汽车等领域。总体看来,我国的天然气消费结构得到不断优化,形成了以城市燃气为主的利用结构,逐步替代燃油、燃料及其他工业燃料。
  本文介绍利用ANSYS软件对燃气燃烧仿真来更加直观全面地了解其所有的特征,排除其不利因素,减少其爆炸事故的发生和提高热效率提供依据。
  1 燃气燃烧仿真模型构建
  将燃烧器模型网格在FLUENT中进行仿真,模拟出了燃气燃烧过程的迭代数据图、温度分度图、甲烷含量分布图、氧气含量分布图、二氧化碳含量分布图等参数。通过本次模拟,可以了解燃烧器燃气燃烧的过程和结果。[2]
  燃烧火焰是湍流扩散,甲烷以86m/s的速度从喷口处射入,周围空气以0.8m/s的速度引射入燃烧器中,混合甲烷与空气之间设置边界条件隔开。
  运用fluent进行燃气燃烧的二维仿真模拟,划分网格、设置边界条件等参数。[3]
  划分网格:将燃烧器中的燃气燃烧模型进行对称网格划分得到仿真模型。
  定义材料:因为燃气中的甲烷占比大,所以对燃气燃烧仿真时采用的材料为甲烷,对比热温度设置为混合平均温度,随温度的变化而变化。
  边界条件设置:边界条件是对燃烧模型网格边界的约束,也是对流体进入计算区域时的状态的设定。物种模型为甲烷-空气;入口处的空气速度为0.8m/s,燃料速度为86m/s,默认温度为300k。
  2 仿真燃烧结果分析
  仿真燃烧设置残差值在迭代170步之后收敛,根据实验所得结果与数据知道燃烧开始时反应物含量最高,燃烧反应后的生成物的含量也最高,随着反应的进行反应物与氧化物反应含量减少,所以生成的生成物物的含量也逐渐减少。根据图中显示生成物中H2O的含量远远大于C2O含量,而且没有CO的生成,是一种清洁的能源。
  随着燃烧的进行,火焰的温度不断上升,且在中间区域温度最高达2310k。在入口处,甲烷由于刚射入燃烧器没有充分扩散,所以燃烧集中处于图的中间部分,温度升高的区域也主要集中于图的中间部分,之后由于甲烷与空气的充分混合,使得燃烧器整体温度都上升了,效率高于其他燃料是高效的能源。
  反应物甲烷的含量分布图中,在甲烷刚射入燃烧器时没有与空气混合完全,这时的含量最高,随着甲烷与空气混合充分并在燃烧的消耗下,甲烷的含量迅速下降直至全部燃烧尽。反应物甲烷在入口处的含量也最高,在仿真火焰中心位置因为甲烷的射流较大,氧气无法与甲烷充分混合,所以氧气浓度为零。随着甲烷燃烧的消耗,氧气开始在中心区域有浓度的分布并且呈现出的浓度最低。
  生成物二氧化碳含量在燃烧开始时甲烷与空气的混合不完全,所以二氧化碳的生成量较少,随着反应的进行,甲烷与空气的混合完全,二氧化碳的含量逐渐增加,在火焰中心位置达到0.145。
  3 结语
  这本次燃气燃烧仿真实验中,根据数据显示甲烷燃烧产生的温度远远高于传统燃料产生的温度;甲烷燃烧反应产生水和二氧化碳,且H2O的含量远远大于C2O含量;优化燃烧器结构以高流速的燃气射入低流速的空气中可以使防止有毒气体CO的产生。甲烷相比于传统燃料容易控制和使用,可以减少资源不必要的浪费。使用燃气作为燃料,对于用户燃气比传统燃料更加安全,它几乎不含硫和其他有害物质,没有产成CO有害气体,容易控制和使用。[4]燃气燃烧后产生的二氧化碳远远低于传统燃料,可以防止大气污染保护城市环境减少温室效应。所以,城市燃气化是城市现代化的重要标志之一。
  参考文献:
  [1]《天然气燃烧过程与应用手册》介绍[J].煤气与热力,2009,29(10):36.5.
  [2]欧俭平,吴青娇,赵迪,肖佩林,张兴华.高效低污染燃气燃烧器燃烧特性的数值模拟[J].金属热处理,2009(04).
  [3]金志敏.基于ANSYS软件的微通道内气体流动数值模拟分析[D].东华大学,2013.2-5.
  [4]《天然气燃烧过程与应用手册》介绍[J].煤气与热力,2009,29(10):36.5.
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