冯俊小等：基于正交试验的双P型辐射管三级燃烧器低NO,仿真 ·1469· (1)非预混燃烧模型(PDF模型).非预混燃烧模 条件下，NO.的生成主要以NO的形式存在，NO约占 型可用于模拟快速反应的紊流扩散火焰形状和结构. 最初排放的NO,的95%，辐射管内生成的NO,主要包 采用非预混燃烧模型需要求解时间平均混合分数∫和 括热力型NO,和瞬时型NO,两种.NO,综合生成速 平均混合分数均方值∫2守恒方程. 率为 ∫方程： 1- kNO]2 品on+o办=(2☑）+S.+s() dO=2%,0N] d山 kINO] ∫2方程： 1+k20 是+p= (4) (侵T)+cm(en-cp7+s 式中：k,和k2为正逆反应速率常数：C,为瞬时性NO 式中：1为时间，p是流体密度，无表示运动黏性系数，n, 生成速率的修正因子；R摩尔气体常数，J小·mol·Kl: 表示湍流黏性系数，k表示湍动能，ε表示湍动能耗散 T为温度，K:p为压力，Pa;l为氧气反应指数：[O]、 率，模型常数o、Cg和Ca分别取0.85、2.86和2.0，Sm N]、NO]和Fue]为氧基、N2NO和燃料浓度，mdlm3. 表示燃料质量转变为气相的质量源项：S为用户自定 2求解及验证 义源项，此处取为0 (2)D0辐射模型.将沿s方向传播的辐射方程 2.1边界条件 视为一个场，在位置·处沿着方向s的辐射传递方 本文中燃料选用天然气，辐射管设计功率160 程为 kW,燃气入口温度298K,空气入口温度873K,标准空 d(r:s)+(a+b)I(r,s)= 气状况下组分含量及热值等见表1，计算的边界条件 ds 见表2. nI(r)(rs) +4。 (3) 表1气体组分含量及热值 Table 1 Gas composition and calorific values 式中，/为辐射强度，s表示辐射热流沿程长度，r为位 体积分数/% 置向量，s为方向向量，a为吸收系数，b为散射系数，n 组分 热值/(km3)总热值/(km3) 为折射系数，B为斯蒂芬一玻耳兹曼常数，T为当地温 CHa 92.7 35715.11 度，中为凝聚相散射相函数，s为散射方向向量，2为 C2Hs 5.5 63768.01 空间角. C3Hs 1 91276.6 38002.6 1.4.2N0,生成量的求解 CaHio 0.4 118680.5 NO,生成机理分为热力型NO,、瞬时型NO,和燃 N2 0.4 0 料型O,三种.以天然气为燃料的辐射管在高温燃烧 表2边界条件设置参数 Table 2 Boundary conditions 位置 项目 类型 分配比 数值 燃料 质量流量 1:4.5:4.5 2.93×10-3kgs1 入口 空气 质量流量 1:9 5.96x10-2kg*s1 出口 烟气 压力 -100Pa 壁面 无滑移，壁面函数法 对流和辐射 a=1Wm2.K-l,6=0.85 环境 实验测定的炉温平均值 1223K 辐射管外壁与炉内环境的热交换包括对流和辐 G=S(T.-) 射，忽略壁面导热热阻，设定辐射管外温度为1223K, 11002 (6) 管材为601合金钢，管壁发射率取定值￡=0.85，对流 式中，空气导热系数=8.5×10-2W·m1K,普朗 换热系数a表达式如下： 特常数Pr取0.76，空气的运动黏度v取1.993×104 a=0.53(GPm)s. (5) ms2,d指当量直径，Gr为格拉晓夫数冯俊小等: 基于正交试验的双 P 型辐射管三级燃烧器低 NOx仿真 ( 1) 非预混燃烧模型( PDF 模型) ． 非预混燃烧模 型可用于模拟快速反应的紊流扩散火焰形状和结构． 采用非预混燃烧模型需要求解时间平均混合分数 f 和 平均混合分数均方值f'2 守恒方程． f 方程:  t ( ρ f) + Δ ( ρ vf) = ( Δ ηt σt Δ ) f + Sm + Suser ． ( 1) f'2 方程:  t ( ρ f'2 ) + Δ ( ρ v f'2 ) = ( Δ ηt σt Δ f' ) 2 + Cgηt ( 2 Δ f) － Cd ρ ε k f'2 + Suser ． ( 2) 式中: t 为时间，ρ 是流体密度，v 表示运动黏性系数，ηt 表示湍流黏性系数，k 表示湍动能，ε 表示湍动能耗散 率，模型常数 σt、Cg 和 Cd 分别取 0. 85、2. 86 和 2. 0，Sm 表示燃料质量转变为气相的质量源项; Suser为用户自定 义源项，此处取为 0． ( 2) DO 辐射模型． 将沿 s 方向传播的辐射方程 视为一个 场，在 位 置 r 处 沿 着 方 向 s 的 辐 射 传 递 方 程为 dI( r，s) ds + ( a + b) I( r，s) = an2 BT4 π + b 4π ∫ 4π 0 I( r，s) Φ( r，s') dΩ'． ( 3) 式中，I 为辐射强度，s 表示辐射热流沿程长度，r 为位 置向量，s 为方向向量，a 为吸收系数，b 为散射系数，n 为折射系数，B 为斯蒂芬--玻耳兹曼常数，T 为当地温 度，Φ 为凝聚相散射相函数，s'为散射方向向量，Ω'为 空间角． 1. 4. 2 NOx 生成量的求解 NOx 生成机理分为热力型 NOx、瞬时型 NOx 和燃 料型 NOx 三种． 以天然气为燃料的辐射管在高温燃烧 条件下，NOx 的生成主要以 NO 的形式存在，NO 约占 最初排放的 NOx 的 95% ，辐射管内生成的 NOx 主要包 括热力型 NOx 和瞬时型 NOx 两种． NOx 综合生成速 率［15］为 d［NO］ dt = 2k1 ［O］［N2 ］ 1 － k － 1 k － 2［NO］2 k1 k2 ［O2 ］［N2 ］ 1 + k － 1［NO］ k2 ［O2 ］ + 6. 4 × 106 Cf ( exp － 36483. 4 ) ( T ＲT ) p ［O2 ］l ［N2 ］［Fuel］． ( 4) 式中: k ± 1和 k ± 2为正逆反应速率常数; Cf 为瞬时性 NOx 生成速率的修正因子; Ｒ 摩尔气体常数，J·mol － 1·K － 1 ; T 为温度，K; p 为压力，Pa; l 为氧气反应指数; ［O］、 ［N2 ］、［NO］和［Fuel］为氧基、N2、NO 和燃料浓度，mol·m－3． 2 求解及验证 2. 1 边界条件 本文中 燃 料 选 用 天 然 气，辐 射 管 设 计 功 率 160 kW，燃气入口温度 298 K，空气入口温度 873 K，标准空 气状况下组分含量及热值等见表 1，计算的边界条件 见表 2． 表 1 气体组分含量及热值 Table 1 Gas composition and calorific values 组分 体积分数/% 热值/( kJ·m － 3 ) 总热值/( kJ·m － 3 ) CH4 92. 7 35715. 11 C2H6 5. 5 63768. 01 C3H8 1 91276. 6 38002. 6 C4H10 0. 4 118680. 5 N2 0. 4 0 表 2 边界条件设置参数 Table 2 Boundary conditions 位置 项目 类型 分配比 数值 入口 燃料 质量流量 1∶ 4. 5∶ 4. 5 2. 93 × 10 － 3 kg·s － 1 空气 质量流量 1∶ 9 5. 96 × 10 － 2 kg·s － 1 出口 烟气 压力 － 100 Pa 壁面 无滑移，壁面函数法 对流和辐射 α = 1 W·m － 2·K － 1，ε = 0. 85 环境 实验测定的炉温平均值 1223 K 辐射管外壁与炉内环境的热交换包括对流和辐 射，忽略壁面导热热阻，设定辐射管外温度为 1223 K， 管材为 601 合金钢，管壁发射率取定值 ε = 0. 85，对流 换热系数 α 表达式如下: α = 0. 53 λ d ( GrPr) 0. 25 ． ( 5) Gr = g( Tw － T0 ) d2 1100ν 2 ． ( 6) 式中，空气导热系数 λ = 8. 5 × 10 － 2 W·m － 1·K － 1，普朗 特常数 Pr 取 0. 76，空气的运动黏度 ν 取 1. 993 × 10 － 4 m·s － 2，d 指当量直径，Gr 为格拉晓夫数． · 9641 ·