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Ansys博客

October 9, 2023

通过仿真加速氢能大规模应用

氢是清洁技术的重要组成部分，不仅可加速正在进行的能源转型，而且还可助力一些国家实现脱碳目标。氢能在全球脱碳使命中发挥着双重作用，其既可作为综合能源系统的储能介质，也可作为交通、重工业（例如钢铁、化工产品和水泥等）、航空、海运以及其它产业的更清洁的燃料。

虽然氢经济的整体重点是整个氢价值链，包括氢生产、储存和运输以及应用（或消耗），但在短期内，对氢能源应用的了解非常重要，其将影响整个氢生态系统。国际能源署（IEA）的《全球氢评估》1显示，2021年的氢需求量约为9,400万吨。氢气既可直接用于燃料电池、燃气轮发动机和内燃机，也可用于熔炉作为碳中和燃料，或者作为原料，生产便于储存的衍生品。这些衍生品包括氨、甲醇或用于特定工业和运输应用的可持续航空燃料（SAF）。

让我们来了解一下氢的燃烧特征，这将有助于解决氢用作燃料所面临的关键挑战。 

优化燃烧的排放、稳定性和效率至关重要。

图1：优化燃烧的排放、稳定性和效率至关重要。

优化燃烧过程，即是对三个重要指标进行平衡：效率、排放和稳定性。虽然从效率和稳定性的角度来看，燃烧过程中温度越高越好，但这会为排放（主要是氮氧化物（NOx））和金属保护带来挑战。另一方面，燃烧温度越低，对排放和周围金属的保护越好，但通常会使燃烧过程效率降低，带来燃烧稳定性问题。因此，燃烧装置设计的其中一部分，就是需要在燃烧效率、排放和稳定性之间实现平衡。此外，这些参数还受燃料特征的约束，例如其火焰速度、燃烧的可燃性限值以及点燃给定燃料所需的能量等。

氢燃料的特征有：

  • 其火焰速度比典型碳氢化合物高8倍。
  • 其在空气中的可燃性限值为体积的4%-70%，比碳氢化合物的范围更宽。
  • 所需的点火能量比碳氢化合物低15倍。

氢的这三个特征有助于实现更高的燃烧效率和稳定性。此外，氢燃烧中不含碳分子，因此从碳中和排放的角度来看，其也极具吸引力。但常言道，没有免费的午餐。氢更高的火焰速度和更宽的可燃性限值范围为回火及其它安全相关问题带来了关键挑战。氢火焰更高的火焰温度，则为氮氧化物和金属保护带来了挑战。由于路易斯数（Lewis number）较低，氢强微分扩散的另一个典型特征，是燃烧不稳定。微分扩散将导致局部等效比变化，从而导致沿火焰前缘的反应速率发生变化。因此，大规模采用氢作为更清洁的燃料的进程，取决于解决与回火、氮氧化物排放和燃烧不稳定有关的问题的速度。

仿真在理解氢燃烧中的作用

计算流体力学（CFD）仿真是正在进行的纯氢燃烧或氢混合燃料燃烧研究中不可或缺的重要组成部分，可加速将氢作为更清洁燃料的进程。仿真有助于了解不同工作条件（工作压力、流速、稳定机制、燃烧器几何变化等）、不同混合比以及其它因素下的火焰特征和火焰动态。这些深度信息有助于应对与氢燃烧相关的回火、氮氧化物以及燃烧不稳定的挑战。

建立对仿真结果的信心

虽然仿真可帮助研究人员应对与氢燃烧有关的挑战，但仿真结果的准确性取决于燃烧模型、反应机制、火焰区域网格分辨率、求解方式方法以及其它多个因素。而这些因素需要针对具有不同成分、稳定机制和火焰特征的火焰范围进行研究验证。Ansys一直积极致力于编制一系列验证案例，将其作为便捷的参考指南。

我们来看看八种不同的火焰，它们是在实际氢燃烧系统中观察到的行为子集的代表：

  1. SMH1火焰：涡流稳定化研究
  2. HM3e火焰：熄火研究
  3. Cabra氢提升火焰：熄火研究
  4. SimVal火焰：回火研究
  5. TUBerlin火焰：回火研究
  6. 横流火焰中的DLR射流：火焰稳定化研究
  7. KAUST氨火焰：火焰稳定化研究
  8. Hylon火焰：火焰稳定化研究
SMH1燃烧器

SMH1燃烧器

TUBerlin火焰

TUBerlin火焰

HM3e燃烧器

HM3e燃烧器

DLR JICF火焰

DLR JICF火焰

Cabra H2火焰

Cabra H2火焰

KAUST NH3火焰

KAUST NH3火焰

SimVal火焰

SimVal火焰

Hylon火焰

Hylon火焰

图2：不同的氢/氢混合火焰

SMH1燃烧器

涡流稳定火焰因在燃气轮机行业应用较广，因此其相关研究很广泛。悉尼实验数据库涡流稳定的SMH1火焰2提供丰富的火焰特征测试数据，其可以用于与CFD仿真结果进行对比。SMH1火焰的中心有一个燃料射流，其中甲烷（CH4和氢气（H2 的体积比为1：1，周围有一个钝体。在钝体外面，空气涡流通过环空引入。火焰在稳定的条件下运行，伸展相当大，会快速吸入空气。可使用Ansys Fluent对图3所示火焰结构的对比做出良好预测，如钝体（因其形状导致其周围流动分离的几何体）附近的再循环区域、颈缩区，以及该火焰类似射流的区域等

图4：SMH1火焰的温度场动画

图3：SMH1火焰在不同轴向平面上的径向温度分布

图3：SMH1火焰在不同轴向平面上的径向温度分布

HM3e燃烧器

钝体稳定火焰与许多工业应用的情况相似，因此相关的研究十分广泛。由于它们包括了一些与实际燃烧室相关的复杂性，并保持了良好定义的简单边界条件，因此非常适合湍流与化学反应相互作用的研究。使用Fluent执行按1：1的体积比将CH4和H2用作燃料流，对钝体稳定的HM3e2燃烧器的研究。燃料射流速度是火焰完全喷灭速度的90%。因此，火焰会经历与强烈的有限速率化学反应效应相关的高度局部熄火事件。研究结果见图5。随着混合的加剧（x > 13mm），图中可以看到因大型涡流击穿而导致的火焰熄灭情况。从定性和定量角度看，实验的整体一致性都很明显。 

图6：HM3e火焰的温度场动画

  

HM3e火焰在不同轴向平面上的径向温度分布

图5：HM3e火焰在不同轴向平面上的径向温度分布

Cabra H2火焰

图7：Cabra氢提升火焰的共流温度火焰升降灵敏度动画

Cabra火焰结构为研究湍流混合与化学动力学的耦合提供了方法，可消除燃烧室中经常存在的复杂再循环区域。使用Fluent3研究污浊共流环境中的湍流提升氢/氮（H2/N2）射流火焰。因存在热污染H2/空气共流，因此主要稳定机制先是自动点火，然后是预混火焰。如图7中的结果所示，Fluent成功捕获了所有仿真测试点火焰升降长度随共流温度变化的变差。

Cabra氢提升火焰在不同共流温度下的火焰升降距离

图8：Cabra氢提升火焰在不同共流温度下的火焰升降距离

SimVal火焰

除了火焰稳定之外，回火研究对于H2/H2混合燃烧而言也至关重要。有几种回火机制，如边界层回火、燃烧引起的涡流击穿、流动湍流以及等效比波动等。回火预测需要对高瞬态化学反应现象以及热损耗对化学反应的影响进行准确建模。利用美国国家能源技术实验室的涡流稳定燃烧室（SimVal）装置评估Fluent的回火预测性。4研究结果见图9。针对等效比为0.6的预混涡流空气/燃料系统测试CH4和H2的混合范围。仿真能够预测触发回火开始的CH4-H2混合物的正确成分。 

图9：火焰回火动画，体积混合比为CH4：H2

TUBerlin火焰

在柏林大学（TUBerlin）广泛测试了轴向喷射的纯氢预混涡流稳定火焰结构，其将影响涡流击穿，进而将防止回火。执行仿真5来预测火焰位置和特征，并将结果与测试数据比较。结果见图10。大家可以看到，Fluent的流动结构及火焰区域仿真结果，与测试结果的比较很吻合。

图10：TUBerlin火焰的火焰形状动画

DLR JICF

交叉射流流动（JICF）不仅能避免回火，而且还能增强对氢燃烧的控制，因此是另一种正在被广泛研究的结构。针对DLR JICF 6结构在15巴和10巴的高压值下评估Fluent的性能，以了解火焰结构作为射流气流中H2浓度函数的可预测性。如图11所示，仿真结果在不同H2和CH4混合比和不同工作压力的上游区域，预测了正确的火焰附着趋势，这是物质扩散和射流相互作用分解的强大作用。

DLR交叉射流流动

案例1：40%的H2 | 压力 = 10巴

DLR交叉射流流动

案例2：20%的H2 | 压力 = 10巴

DLR交叉射流流动

案例3：40%的H2 | 压力 = 15巴

DLR交叉射流流动

案例2：20%的H2 | 压力 = 15巴

图11：不同混合比在不同工作压力下的火焰形状（DLR-JICF）

HYLON火焰

人们使用氢低氮氧化物（HYLON）7 双涡流喷射器对氢气火焰进行了广泛研究。 该总成的内喷射器由一个螺旋形的轴向涡流器组成，提供氢气。但是，涡旋气流通过环形通道提供。与附着火焰（火焰A）和提升火焰（火焰L）相关的结果见图12。火焰A固定在氢气喷射器嘴唇上，而火焰L则在喷射器上方提升。要获得与工作条件A和L对应的一致火焰模式极具挑战性。如图所示，Fluent能根据工作条件的变化预测正确的火焰形状。

火焰A（顶部）和火焰L（底部）对应于HYLON燃烧器的不同工作条件

图12：火焰A（顶部）和火焰L（底部）对应于HYLON燃烧器的不同工作条件

KAUST氨火焰

氨（NH3）作为独立的无碳燃料物质以及燃烧系统中氢的载体，正在变得日益重要。因为氮氧化物的低反应和排放，纯NH3燃烧具有挑战性。因此，人们通常使用一种在燃烧之前将NH3裂解成H2 和N2的替代方法。通过仿真分析了KAUST8的实验数据，该实验数据针对在不同NH3、H2和N2组合（代表不同的裂解程度）下的钝体稳定火焰。如图13所示，Fluent可在增加裂解比的情况下，预测重要的火焰特征，如裂解比增加的火焰伸长情况，其特征是热辐射减少时，火焰更稳定。此外，Fluent还可用于分析燃烧区因较高动量通量（射流/共流）从外剪切层向靠近射流的内层的移动，因为雷诺数（Re）是保持恒定的。 

火焰形状随裂解比（表示KAUST火焰的H2-N2百分比）增加发生的变化

图13：火焰形状随裂解比（表示KAUST火焰的H2-N2百分比）增加发生的变化

仿真助力加速氢研发

如今，氢燃烧获得了史无前例的最高关注，降低火焰稳定性、回火、氮氧化物排放等相关挑战，是其在全球脱碳工作中成功大规模采用的关键。Ansys始终致力于支持其客户通过仿真加速研发，以实现净零目标。

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参考资料：

  1. 国际能源署（IEA） 2022全球氢评估
  2. Verma, I, Yadav, R, Shrivastava, S, & Nakod, P., GT2022- 82583。ASME Turbo Expo 2022会议录：涡轮机械技术会议暨展会。第2卷：煤炭、生物质、氢和替代燃料；控制、诊断和仪表；汽轮机。荷兰鹿特丹。2022年6月13日至17日。V002T03A012。ASME
  3. Xia, Y, Verma, I, Nakod, P, Yadav, R, Orsino, S, & Li, S., GT2022-80733。ASME Turbo Expo 2022会议论文集：涡轮机械技术会议暨展会。第2卷：煤炭、生物质、氢和替代燃料；控制、诊断和仪表；汽轮机。荷兰鹿特丹。2022年6月13日至17日。V002T03A004。ASME
  4. Verma, I, Yadav, R, Ansari, N, Orsino, S, Li, S, & Nakod, P., GT2022- 82601。ASME Turbo Expo 2022会议论文集：涡轮机械技术会议暨展会。第3B卷：燃烧、燃料与排放。荷兰鹿特丹。
  5. M. Amerighi∗, P. C. Nassini, A. Andreini, S. Orsino, I. Verma, R. Yadav, S. Patil., GT2023-102651。ASME Turbo Expo 2023涡轮机械技术会议暨展会会议论文集GT2023 6月26日，马萨诸塞州波士顿，2023年6月26日至30日
  6. Pankaj Saini, Ianko Chterev, Jhon Pareja, Manfred Aigner & Isaac Boxx, Flow Turbulence Combust 105, 787–806 (2020)。
  7. TNF研讨会，测量和计算湍流火焰的国际研讨会 
  8. Adamu A., Ayman M. E., Jiajun L., Suliman A., Hong G. Im, Bassam D., Combustion and Flame, Volume 258, Part 2, 2023。