从不确定性到信心满满：基于 CONVERGE 的火炬性能评估
如果你曾驾车经过石油和天然气设施，很可能看到过远处燃烧的巨大火焰——那便是工业火炬。它们在做一件至关重要的事：燃烧那些无法经济利用的过剩天然气，防止甲烷直接排入大气，从而保护环境。然而，一旦火炬的燃烧效率下降，甲烷——这个温室效应远强于二氧化碳的气体——便会未燃烧而泄漏。
核心指标：DRE——破坏去除效率
衡量火炬性能的关键指标是 DRE（Destruction and Removal Efficiency，破坏去除效率），即火炬通过燃烧成功消除的有害化合物百分比。一般而言，DRE 很难通过实验精确测定。当前监管框架通常假定：只要满足最低热值、可见火焰、稳定引燃、出口流速不超过限值等操作条件，DRE约为98%。
从实验到仿真：Cimarron 需要一个确定性答案
Cimarron Energy 在测试他们的混合火炬系统时，测得约99%的DRE，超过了行业标准。看起来是个好消息，对吧？但问题没那么简单——
这个数字真的准确吗？测量位置会对结果产生多大影响？
测量位置的选择至关重要。行业最佳实践建议在火焰长度下游约两倍处取样——足够远以确保燃烧完全，又不能太远，否则测量值会被周围空气稀释或受背景排放干扰。在现场测试多个位置不仅成本高昂，而且极为耗时。因此，Cimarron将目光投向了计算流体力学（CFD），与Convergent Science合作，通过数值模拟来回答这个关键问题。
三大研究目标
目标 | 具体内容 |
验证火焰形态预测 | 评估CONVERGE在不同及极端操作条件下（附着火焰、抬升火焰、吹熄）精确预测火焰形状的能力 |
确定最佳测量位置 | 通过数值方法系统研究不同下游位置的DRE，确定理想的取样点 |
验证 99% DRE | 确认实验研究中观测到的99%DRE是否真实可靠，而非测量偏差 |
系统设计：混合火炬如何运作？
图1：Cimarron混合火炬的外部视图(a)和截面视图(b)，展示了双高压与单低压燃料入口、底部进气口、中央燃烧火炬及圆柱形防护罩
火炬系统通过燃烧安全处置工业设施释放的过剩可燃气体，产物为二氧化碳和水蒸气。
Cimarron 混合火炬从两个来源接收气体：
高压（HP）天然气——原油开采过程中产生，通过4英寸和8英寸双入口进入。其中4英寸入口（图1(b) 绿色管道）通过细管产生高速射流，强化燃料-空气混合；8英寸入口（天蓝色管道）连接环形分配歧管，通过较大的管道均匀配气。
低压（LP）蒸气——从储罐中释放的蒸气，通过6英寸入口进入系统。
空气从底部专用管道进入并与燃料混合。顶部圆柱形防风罩包围火炬，既能保护火焰免受风的影响，又通过开口从周围环境吸入额外空气，促进混合与清洁燃烧。燃料-空气混合物的动量产生抽吸效应将额外空气拉入，火焰加热空气后降低其密度，进一步鼓励空气卷入，带来更好的混合效果。
仿真设置：SAGE详细化学+自主网格
图2：模拟采用的计算域与边界条件设置
边界条件依据实验测试条件定义：入口来流设置为4.47m/s的稳定风，并考虑浮力效应以精确捕捉热气体在重力作用下的上升行为。
虽然该混合火炬设计为HP和LP双入口同时运行，但本仿真特意仅使用4英寸HP入口（8英寸HP和6英寸LP保持关闭），以复现特定的实验测试工况，而非仿真能力限制。燃料以0.154kg/s恒定流量供给。
设置项 | 参数 |
入口来流风速 | 4.47 m/s |
燃料流量 | 0.154 kg/s（仅 4 英寸 HP 入口） |
空气供应量 | 化学计量空气的 30% / 50% / 100% / 150% |
引燃火炬 | 0.0005 kg/s，恒定 2000 K（当量比混合气完全燃烧） |
燃烧模型 | SAGE 详细化学求解器 |
湍流模型 | 考虑浮力效应 |
网格策略 | 基础网格 400 mm → AMR 自适应加密至最小 12.5 mm（基于温度、速度和 CH₄质量分数的空间二阶导） |
SAGE使用局部热力学条件，基于化学反应动力学原理计算反应速率，能够高保真地模拟燃烧过程，可靠预测温度场、火焰形状以及排放物（NOx、未燃碳氢、CO）等关键输出。CONVERGE的全自动网格生成功能在运行时实时创建网格，省去人工划分时间；其自适应网格加密（AMR）仅在必要时细化网格，在保持关键区域高分辨率的同时大幅降低计算成本。
仿真结果：从99.96%DRE到吹熄边缘
工况一：30%化学计量空气——最佳工况
图3：30%化学计量空气下的准稳态结果。从左至右：(a)温度场——火焰随风倾斜；(b)AMR网格聚焦于火焰面及关键区域；(c)火焰区域切向速度场；(d)CH₄质量分数——甲烷迅速消耗，出口排放可忽略，DRE达99.96%
在30%化学计量空气供应下，火焰呈圆锥形，沿风向倾斜。
关键发现：
火焰稳定附着于引燃火炬尖端，即使在4.47m/s的来流风速下也保持附着
风并未扰乱燃烧，反而产生自然混合效应，将火焰周围的空气卷入
模拟得到DRE=99.96%，与Cimarron的实验观测高度吻合
图4：30%化学计量空气下DRE随下游距离的变化。红色曲线为CH₄质量流率（在火焰区迅速下降），蓝色曲线为DRE（在14m处趋于稳定），确认该位置为合理的DRE评估点
仿真发现，在火炬尖端下游14米处DRE达到稳定，超过此距离后几乎不再发生氧化反应。这为实验测量提供了明确的取样位置指引。
工况二~四：过度供风——从稳定到失效
图5：不同空气供应量下火焰稳定性与DRE的对比。上排：50%空气→火焰仍附着但被推至罩外，DRE=99.5%；中排：100%空气→火焰抬升脱离火炬，DRE骤降至47.5%；下排：150%空气→过度充气导致完全吹熄，DRE= 0%。左列为温度场，右列为 CH₄质量分数
空气供应量 | 火焰状态 | DRE | 现象 |
30% | 稳定附着 | 99.96% | 最佳工况，火焰呈锥形随风倾斜，完全燃烧 |
50% | 稳定附着于罩壳 | 99.5% | 火焰整体被推至防风罩外，燃烧仍较充分 |
100% | 抬升脱离 | 47.5% | 火焰速度低于空气速度，火焰与引燃火炬分离 |
150% | 完全吹熄 | 0% | 空气流速过高导致火焰瞬间熄灭 |
当空气流速超过火焰速度时，燃烧急剧恶化——这是火炬设计必须避开的危险区域。这一系列工况从附着→抬升→吹熄的完整过渡，充分验证了CONVERGE在极端条件下准确预测火焰行为的能力。
CFD 仿真的价值：不止于"再算一遍"
Cimarron已经通过实验测试了火炬在多种工况下的行为和DRE，为什么还要投资CFD仿真？答案是为了建立充分的信心。CFD 仿真的意义不是简单地"验证实验"，而是将"大概在99%左右"变成"精确到99.96%"，向客户和监管方提供无可辩驳的确定性证据。
具体而言，本次CFD分析为Cimarron带来了以下核心价值：
交叉验证：证明99% DRE是真实性能，而非测量缺陷或偶然误差
确定性提升：从实验的"约99%"提升到仿真的"精确99.96%"，为产品声明提供坚实数据支撑
最佳测量位置：通过数值方法确定火炬下游14 m为理想取样点，省去昂贵的现场多点测试
极端工况覆盖：实验难以安全覆盖的抬升和吹熄场景，仿真可低成本、无风险地完成
品牌信誉：向客户展示经过CFD验证的产品性能报告，增强信任度和品牌公信力
总结
通过 CONVERGE 对Cimarron混合火炬的高保真仿真，本研究展示了 CFD在工业火炬性能评估中的强大能力：
成功复现了附着、抬升、吹熄三种极端操作条件下的火焰形态
仿真DRE（99.96%）与实验值（99%）高度吻合
确定了14 m下游位置作为合理的DRE评估点
为客户提供了可靠的、可量化的产品性能证据
