（动力机械及工程专业论文）多孔介质中预混气体超绝热燃烧机理及其火焰特性的研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 与自由空间的燃烧相比，预混气体在多孔介质中的燃烧是一项先进并具有广阔应用 前景的燃烧技术，它不仅能够显著地拓展贫富燃极限，而且在污染物排放方面具有显著 的优越性。研究超绝热燃烧机理和火焰特性，包括多孔介质中的热回流效应、燃烧波传 播特性、反应区域的最高燃烧温度、燃烧器的贫可燃极限和最大半周期等，将有助于发 展超绝热火焰理论，设计和开发多孔介质燃烧一换热器、反应器和多种目标的薪型燃烧 技术。本文通过实验测量、理论分析和数值模拟研究预混气体在多孔介质中的超绝热燃 烧。 首先，自行设计和制作了可以研究多孔介质中燃烧波和热波传播规律的实验台，该 实验台包括燃烧器( 石英玻璃管) 、气体供给系统和测量系统等。在燃烧波的传播过程中， 对火焰的形状和发展进行了观测。在不同的工况参数下，利用热电偶系统地测量了燃烧 器内的温度分布。基于这些实验结果，对超绝热燃烧、燃烧波的传播、反应区域的最高 燃烧温度和火焰特性进行了分析。 其次，对单向和往复流动下稀薄预混气体在多孔介质中的低速过滤燃烧进行了理论 分析。 ( 1 ) 对稀薄预混气体多孔介质中的低速过滤燃烧进行分析。首先假设燃烧区域为无 限薄的区域，建立燃烧波波速与燃烧区域最高温度的第一个关系式。然后利用层流预混 火焰理论，将整个区域分为预热区域和反应区域，建立燃烧波波速与燃烧区域最高温度 的另一个关系式。从而得到燃烧波波速和燃烧区域最高温度的封闭解。在宽广的工况范 围内，理论解与实验取得了相同的趋势，解析地证实了超绝热燃烧是燃烧波和热波在特 定条件下相互叠加的结果。 ( 2 ) 通过与稳态的逆流燃烧器类比，得到了往复流动下绝热惰性多孔介质内的超绝 热燃烧的简化理论解。该解包括两个常微分方程，其中包括了所有的主要控制参数，因 此有助于深入理解这些控制参数对燃烧器特性的影响。与数值模拟的结果相比，多孔介 质固体的温度曲线可以用简化解的分段线性函数很好地估算。利用简化的理论解求得的 燃烧器内温度的最大值与实验值取得了相同的趋势，但是通常比实验值大，二者的误差 小于2 0 。 ( 3 ) 通过与实验和数值模拟结果的类比，对文中推导出的简化理论解进行进一步的 研究。利用分段线性函数，构建出燃烧器内的温度分布曲线、贫可燃极限和最大半周期。 该解适用于绝热条件下往复式惰性多孔介质燃烧器。结果表明，当流速小于o 1 2 m s 时， 理论解预测的可燃极限与实验取得了相同的趋势，增大流速可以获得较小的贫可燃极 多孔介质中预混气体超绝热燃烧机理及其火焰特性的研究 限。而流速大于0 1 7 m s 时，增大流速对扩展贫可燃极限的影响很小。同时研究表明， 小孔径的多孔介质材料更有利于扩展贫可燃极限。预测的最大半周期与流速的乘积与固 体和气体热容的比值成线性关系；燃烧器的长度对最大半周期有显著的影响。燃烧器的 长度越大，允许有较大的半周期。预测的贫可燃极限和推导出的最大半周期为燃烧器的 设计和进一步改善提供了指导。 最后，建立了单向和往复流动下的预混气体多孔介质中燃烧的数学模型，用以深入 探索和理解超绝热燃烧的机理和火焰特性。 ( 1 ) 首先对稀薄预混气体的低速过滤燃烧波的传播特性进行了系统的数值研究，并 与实验结果进行对比。通过一维数值模型研究多孔介质引起的热回流效应。结果表明， 导热和辐射在热回流的过程中都起着重要的作用。研究了多孔固体的属性，例如热容和 导热系数、系统的热损失、混合气当量比对燃烧波波速和反应区最高温度的影响。计算 结果表明，多孔介质热容的大小是影响燃烧波传播速度的最重要的参数，但它对燃烧区 域最高温度几乎没有影响。在宽广的工况范围内，数值预测的燃烧波波速和燃烧区最高 温度与文献和本文中的实验结果取得了定性的一致。 ( 2 ) 研究多孔介质内往复流动下预混气体的超绝热燃烧。在该系统中，通过周期性 换向，燃烧波稳定在一个瞬态多孔介质燃烧器中。应用的一维双温模型包括气体输运、 多孔介质固体的辐射、导热和气固两相间的对流换热。通过数值计算研究了弥散效应、 主要工况参数，如半周期、流速、当量比、多孔介质材料对预混气体超绝热燃烧主要特 性的影响。数值模拟结果通过实验进行了验证，并取得了相同的趋势。结果表明，组分 弥散效应对气体温度分布和反应热影响很小；同一工况下，不考虑气体混合物的热弥散 效应，会导致过高的气体温度计算值。同时，计算结果表明小孔径的多孔介质更有利于 贫可燃极限的扩展，对3 0 p p i 的多孔介质燃烧器，得到了当量比为o 0 9 2 的可燃极限。 ( 3 ) 对往复式惰性多孔介质燃烧器进行了二维数值模拟和结构改进。在燃烧器中分 别填充l o p p i 泡沫陶瓷或小球，研究其内部的燃烧温度和压力损失。结果表明，由相同 材料制成但结构不同的多孔介质对燃烧器内的高温区的分布和压力损失有显著的影响。 孔隙率较大的泡沫陶瓷适合于布置在燃烧区域，而孔隙率较小的小球适合于布置在热交 换区域。根据此指导思想，提出一种改进的燃烧器，即在燃烧器的中间布置泡沫陶瓷， 而在二端布置小球。对于当量比为0 1 的极稀薄的甲烷与空气的混合气，得到了更为宽 广的高温区域和适度的压力降。 关键词：燃烧机理；火焰特性；超绝热燃烧；多孔介质；燃烧波；最高燃烧温度；贫可 燃极限；最大半周期 大连理工大学博士学位论文 c o m b u s t i o nm e c h a n i s ma n df l a m ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e s u p e r a d i a b a t i cc o m b u s t i o no fp r e m i x e dg a s e si np o r o u sm e d i a a b s t r a c t s u p e r a d i a b a t i cc o m b u s t i o no fp r e m i x e dg a s e si np o r o u sm e d i ai s ap r o m i s i n ga n d a d v a n c e dc o m b u s t i o nt e c h n o l o g y p r o v i d i n gb o ml o wa n dh i g hf l a m m a b l el i m i t s a n dg o o d p e r f o r m a n c er e g a r d i n ge m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c si nc o m p a r i s o nw i t ho p e nf l a m e i n v e s t i g a t i o n o fs u p e r a d i a b a t i cc o m b u s t i o nm e c h a n i s ma n df l a m ec h a r a c t e r i s t i c s ，i n c l u d m gt h eh e a t r e c u p e r a t i o ne f f e c t ，c o m b u s t i o nw a v ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，t h em a x i m u mc o m b l l s t i o n t e m p e r a t u r ei np o r o u sm e d i a , t h e1 e a r lf l a m m a b l el i m i ta n dt h em a x i m u mh a l fc y c l ei nt h e p o r o u sb u r n e ra n d s oo n , b e n e f i t sn o to n l yt h ed e v e l o p m e n to f t h es u p e r a d i a b a t i cf l a m et h e o r y b u ta l s ot h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fp o r o u sm e d i ae o m b u s t o r - h e a t o r , r e a c t o r sa n dn e w c o m b u s t i o nt e c h n o l o g i e sf o rv a r i o u sp u r p o s e s n l et h e s i sp r e s e n t sa ni n t e n s i v ei n v e s t i g a t i o n o ns u p e r a d i a b a t i cc o m b u s t i o n mp r o u sm e d i ab ye x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t s ，t h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n f i r s t l y ，t h ee x p e r i m e n t a lf a c i l i t yi sd e s i g n e da n ds e tu pt om c 嬲u r ca n dc h a r a c t e r i z e t h e r m a lw a v ea n dc o m b u s t i o nw a v ei nap a c k e db e d ，w h i c hc o n s i s t so fae o m b u s t o r ( q u a r t z g l a s st u b e ) ag a sf l o ws y s t e m , am e a s u r t 釉e i l ts y s t e ma n ds oo n f l a m es h a p e sa n d d e 、r e l o p m e n ti so b s e r v e da n dr e c o r d e dd u r i n gt h ec o m b u s t i o nw a v ep r o p a g a t i n gt h r o u g ht h e e o m b u s t o r mt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n si 1 1t h ep a c k e db e da r em e a s u r e db yt h e r m o c o u p l e sa t v a r i o u sw o r k i n gp a r a m e t e r s b a s e d0 1 1t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h es u p e m d i a b a t i c c o m b u s t i o ne f f e c t , c o m b u s t i o nw a v es p e e da n dt h em a x i m u mc o m b u s t i o nt e m p e r a t u r ea n d f l a m ec h a r a c t e r i s t i c si nt h er e a c t i o nz o n ea r ed i s c u s s e d s e c o n d l y t h e o r e t i c a ia n a l y s i so fl o 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i m e n t a ld a t aa n ds h o wt h es a n l et r e n d sa st h e e x p e r i m e n t s i ti si n d i c a t e dt h a ts p e c i e sd i s p e r s i o nh a sl i t t l ei n f l u e n c eo nt h eg a st e m p e r a t u r e a n dr e a c t i o nh e a tf o rt h el e a nm i x t u r e h o w e v e r , t h eg a st e m p e r a t u r ei so v e r p r e d i c t e da tt h e r e a c t i o nz o n ew i t h o u tt h ee f 艳c to fm i x t u r et h e r m a ld i s p e r s i o na t 伽es a m ec o n d 碓o i li n a d d i t i o mi ti ss h o w nt h a tt h ec o m b u s t i b l el i m i tc a nb ee x t e n d e dw i t hs m a l l e rp o r es i z ep o r o u s m e d i aa n dac o m b u s t i b l el i m i tw i t ht h ee q u i v a l e u c er a t i oo f0 0 9 2i sa e h i e y e df o r3 0 p p i c e r a f o a m ( 3 ) t w o d i m e n s i o n a ln u m e r i c a li n v e s t i g a t i o n so nt h es t r u c 。t u r ei m p r o v e m e n to fp o r o u s i n e r tm e d i ab u r n e rw i t hr e c i p r o c a t i n gf l o wa r ep r e s e n t e d a t t e n t i o ni sf o c u s e do nt h e c o m b u s t i o nt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r el o s si nt h eb u r n e r , w h i c hi sr e s p e c t i v e l yp a c k e d 、析t h 1 0 p p ic e r a n l i cf o 锄so ra l u m i n ap e l l e t sw i t hv a r i o u ss i z e s r e s u l t ss h o wt h a tm a t e r i a la n d s t r u c t u r e so fp o r o u sm e d i ah a v es i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h eb u r n e rp e r f o r m a n c e 。a n dt h a t c e r a m i cf o a mw i t hah i g hp o r o s i t yi ss u i t a b l ef o ru s i n gi nt h ec o m b u s t i o nr e g i o nw h e r e a s a l u m i n ap e l l e t ss h o u l db ep l a c e di nt h eh e a te x c h a n g ez o n e a c c o r d i n gt ot h i sp r i n c i p l e ，a n i m p r o v e db u r n e rd e s i g ni sp r o p o s e da n dt h i sl e a d st oaw i d e rh i 曲t e m p e r a t u r ep l a t e a ua n d m o d e r a t ep r e s s u r el o s sf o re x t r e m e l yd i l u t ec h 4 a l rm i x t u r ew i t ha ne q u i v a l e n c er a t i oo f 0 1 n u m e r i c a lr e s u l t sa r ev a l i d a t e da g a i n s te x p e r i m e n td a t a k e yw o r d s ： c o m b u s t i o n m e c h a n i s m ；f l a m ec h a r a c t e r i s t i c s ；s u p e r a d i a b a t i e c o m b u s t i o n ；p o r o u sm e d i a ；c o m b u s t i o nw a v e ；m a x i m u mc o m b u s t i o nt e m p e r a t u r e ； l e a nf l a m m a b l el i m i t ；m a x i m u mh a l f c y e l e v 一 大连理工大学博士学位论文 主要符号表 一一指数前因子 c 一比熟，j k g 一k 。 d 一球形颗粒的直径或泡沫陶瓷的孔径，朋 j 亡 埘气体混合物第i 种组分的扩散系数 群气体混合物的热弥散系数 磁一组分的弥散系数 e 一反应物的活化能，d l a w o l 。 玩一固体介质与气相之间的表面换热系数，砌矿k q 燃气的低热值，d k g 。 三燃烧器豹长度 l e l 删i s 数，薛p d 。| k 肌，数，丸d 2 五 p 一绝对压力，n m _ 2 p p r 翮，数，p l v l q ，以 一只数，锻l v | c s d q 辐射热流量，w m 吨 r 一径向坐标，脚 盖理想气体通用摩尔常数，8 3 1 4 4 1j k m o l 一k 1 r , - - r e y n o l d s 数，墼出 p r 一温度，彭 z 一点火温度，x z 纛燃烧区域的最高温度，k z - 埘一半周期，s 多孔介质中预混气体超绝热燃烧机理及其火焰特性的研究 z 一一最大半周期，s “一，无量纲波速 甜。一轴向气流速度，脚。 以一热波速度，腓。 甜。燃烧波速度，m 8 v 。一径向气流速度，m s 。 v 气流速度矢量，厅雄4 一混合物第i 种组分的扩散速度 工轴向坐标 置一混合物第i 种组分的摩尔分数 l ：一混合物第i 种组分的质量分数 矿一混合气平均摩尔质量 希腊符号： 一系统通过燃烧器壁面的热损失系数，j 加。莨。 一多孔介质的孔隙率 一多孔介质固体表面辐射发射率 五一导热系数，w m “k 。 声一动力粘度，i g 掰“s 。( p o ) p 一密度，培，m 3 盯一s 阳伽一b o 舷m a n n 常数，5 6 7 1 0 4 w m - 2 k _ 4 国一混合物中第i 组分的摩尔反应速率，如竹d 拓脚3 j 。 护一燃料空气当量比 下标： s 一固体o u t 一出口 g 气体 伽一入口 o 初始时刻 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 大连理工大学博士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：共够i 够 导师签名；梆妇弓 。7 年7 月，日 大连理工大学博士学位论文 1 引言 1 1 研究背景和意义 我国经济快速发展需要消耗大量的能源，同时要兼顾环境保护，走人类与自然协调 发展的可持续发展道路。然而我国面临着能源供需矛盾突出、环境污染日趋严重和生态 遭到持续破坏等一系列问题。其中能源供给紧张可能会成为我国经济发展的薄弱环节。 因此，拓宽能源供给渠道的多样化、挖掘和开发使用低品位或低热值的能源、同时寻求 有利于环境保护的高效洁净燃烧技术，无疑会成为解决上述问题的有力支持。 预混气体在多孔介质中的超绝热燃烧，具有适用范围广、可调功率范围大、污染物 排放低等的优点，在世界范围内正受到越来越广泛的研究和关注，成为一个新兴的研究 热点。而多孔介质中往复流动下的超绝热燃烧技术( r e c i p r o c a t i n gs u p e r a d i a b a t i c c o m b u s t i o ni np o r o u sm e d i a , r s c p ) ，贫可燃极限可以拓展到当量比o 0 2 6 ，同时污染物 的排放也低于常规多孔介质燃烧器【l 】。不仅如此，利用超绝热燃烧技术还可以实现热值 极低的有机或工业废气的自维持的稳定燃烧翻、燃料重整口。l 、煤的气化【4 】、燃烧一换热 器的研究和开发f 4 - 1 0 1 和超绝热发动机的开发f - 1 4 1 等等，具有广阔的应用范围和发展前 景。研究超绝热燃烧的机理和火焰特性并发展相应的燃烧技术，将有助于我国节约能源、 提高用能水平，缓解能源供需的矛盾，同时可以减轻环境污染。 1 2 超绝热燃烧的概念 预混气体多孔介质中的超绝热燃烧( s u p e r a d i a b a t i cc o m b u s t i o n ) ，或者过焓预混燃烧 ( e x c e s se n t h a l p yp r e m i x e dc o m b u s t i o n ) ，是指预混气体在多孔介质中燃烧，由于多孔介 质的存在而导致的部分反应热通过固体的导热和辐射，通过自我组织的热回流，使得反 应物在未达到反应区域就得到了有效的预热。因此，在反应区域，气体的温度可高于相 应燃料的绝热火焰温度。图l l 通过比较混合气在不同燃烧系统中焓值的变化来描述超 绝热燃烧的概念，虚线表示没有预热的自由空间燃烧系统中焓的变化，实线表示预混气 体多孔介质中燃烧时焓值的变化。在没有预热的燃烧系统中，由于存在热损失，温度难 以达到绝热火焰温度，尾气温度较高，尾气余热无法回收。而在实线表示的燃烧系统中， 由于由于蓄热和传热能力较好的多孔介质的存在，使得蓄积在火焰区下游多孔介质中的 部分热量，通过多孔介质的辐射和导热，产生了向上游的熟回流，使混合气在到达反应 区前已被充分预热，温度迅速提升，混合气到达反应区后