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甲烷扩散火焰燃烧与重整的数值模拟

董良  
【摘要】:天然气的非催化部分氧化是工业生产合成气最常用的工艺,其中,甲烷部分氧化和水蒸汽重整是该工艺中最重要的化学过程。甲烷和氧气在高温高压重整炉中的反应是一类典型的受限扩散射流火焰。由于实验测量上的困难,用数值方法模拟工业炉内流动、传热和反应过程对于天然气重整炉的设计和优化具有重要意义。 本文首先采用适合圆形火焰的realizable k-ε湍流封闭模型,分别使用传统的概率密度函数(PDF)方法和涡耗散概念(EDC)方法对Sandia值班火焰Flame D的时均流场进行了模拟,将模拟得到的标量场与实验数据进行了比较。模拟结果表明,两种湍流反应模型都能较好地模拟Flame D的温度和浓度分布,但PDF方法在模拟的贫燃区域中温度过分依赖平均混合分数计算的精度。 然后,本文使用大涡模拟(LES)与PDF相结合的方法,对Flame D进行了数值模拟,得到了三维瞬时速度场和标量场,并将瞬时流场统计平均后与实验数据进行了比较。模拟计算表明,大涡模拟计算成本过高,模拟精度相对于时均模拟并没有显著的提升,并不适合模拟工业规模的反应炉。 基于对Flame D的模拟验证,本文最终采用realizable k-ε湍流模型和EDC方法模拟了兰州石化化肥厂的高压天然气部分氧化炉。结果表明,EDC方法能够明显改善传统PDF方法火焰过短和炉内浓度分布不合理的缺陷,推荐作为大规模天然气非催化部分氧化炉的模拟方法。


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