（动力机械及工程专业论文）多孔介质内往复流动下超绝热燃烧的实验和数值模拟研究.pdf

摘要 预混合气体在多孔介质内往复流动下的超绝热燃烧( r s c p ) 是一项先进的燃烧技 术，它以其高效、低污染的优越性正在弓l 起人们的关注。本文对r s c p 系统的燃烧及 排放特性进行了实验研究、数值模拟和理论分析，主要开展了如下几方面的工作： 1 自行设计建成了r s c p 实验台，它由泡沫陶瓷燃烧器、电磁阀控制的周期换向的进 排气管路系统和测量系统组成。用热电偶直接测温法和非红外热像仪测量温度，用气 体分析仪测量燃气成分。在各种工况参数下，对多孔介质内轴向温度分布以及n o 、 c 0 和c o 。气体等污染物排放的浓度进行了系统测量。在实验基础上对r s c p 系统燃烧 过程轴向温度分布特点、扩延可燃极限、降低污染排放机理及各物理参数对燃烧特性 和污染物排放的影响进行了分析，总结出了各工况参数对其燃烧特性及污染物排放影 响的规律。 2 分别建成了r s c p 系统一维气、固两相局部热非平衡双温度和热乎衡单温度数学模 型对各种工况下燃烧室内轴向温度分布进行了数值模拟。数值计算结果同实验结果 相比较，显示了同样的趋势与规律，但温度水平有一定偏差，对产生偏差的原因作了 分析， 3 依据r s c p 系统温度分布为近似梯形的特点，利用往复半周期分别为无限长和无限 短两种极限情况下过滤燃烧模型简化理论解的适当组合，得出了适用于普通工况下 ( 半周期为有限值) 的r s c p 系统温度分布的近似解。 实验研究、数值模拟和理论分析得出以下结论： 1 r s c p 系统稳定燃烧过程中，燃烧室内轴向温度分布接近于梯形；随着气流的周期 换向，燃烧室内上半周期的火焰熄灭而在不同位置重新着火，随后，：k 焰锋面从着火 位置向下游缓慢移动，整个燃烧呈周期往复式演变；不同物理参数条件下，燃烧室内 温度分布在半周期内的变化具有不同的特点；一定条件下，燃烧室内有可能产生二维 胞室热点结构。 2 r s c p 系统稳定燃烧过程中，燃烧室内最大温度、轴向温度分布和n 0 、c 0 和： 气体污染物排放浓度等受混合气体物理参数( 燃料和空气气体流速、当量比和往复半 周期) 的影响。随着气体的流速增大，最高温度明显升高，高温区加宽，出口温度升 高，燃烧效率降低，而c o 排放含量增大，n o 排放含量增大；随着当量比的增大，最 高温度增大，高温区域增宽，燃烧效率提高，而c 0 排放含量减小，n 0 含量增大；通 常情况下，随着往复半周期变小，最高温度略有增高，高温区域变宽，燃烧效率提高， 而c o 排放量减小，n o 排放量也减小。计算和实验之间存在偏差主要原因是多孔介质 数值模型中物性参数同实验件不同：模型本身也不够完善。 3 r s c p 系统具有自组织的回收燃烧热用于预热新鲜混合气的功能，从而可显著扩延 混合气体的可燃极限，稀薄乃至极稀薄气体在其中可以自维持燃烧；同时，由于燃烧 室内形成无局部高温的宽而均匀反应区域，使得n 0 排放量最小化，c o 排放量也被控 制在较低范围内。本文实验条件下，对于丙烷一丁烷混合气，其贫燃极限可扩展到当 量比0 0 6 5 ，c o 排放量控制在4 0 0 1 0 0 0 p p m ，n o 排放量低于1 9 p p m ，多数情况低于 l o p p m ；对于甲烷和空气混合气体，c o 排放量控制在2 0 0 p p m 以下，n o 排放量低于 l o p p m 。 4 多孔介质内最大温度值和轴向温度分布还受多孔介质本身物性参数和结构( 体积 对流换热系数、热损失、衰减系数、比热容、孔径和孔隙率等) 的影响。 关键词：多孔介质；往复流动；超绝热燃烧；预混火焰：可燃极限 l l a b s t r a c t s u p e r a d i a b a t i ce o m b u s t i o no fp r e m i x e dc o m b u s t i b l eg a s e s i n p o r o u sm e d i aw i t h r e c i p r o c a t i n gf l o w ( r s c p ) ，w h i c hi s k n o w na so n eo ft h em o s ta d v a n c e dc o m b u s t i o n t e c h n o l o g i e s ，p o s s e s s e sa n u m b e ro f a d v a n t a g e so v e rc o n v e n t i o n a lc o m b u s t i o nt e c t m o l o g y i nt h i sp a p e r , e x p e r i m e n t a ls t u d y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h e o r e t i c a la n a l y s i sa r ec a r r i e d o u to nt h ec o m b u s t i o na n de m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fr s c p t h em a i nw o r k sa r ea s f c l l o w s ： 1 a ne x p e r i m e n tf a c i l i t yi ss e tu p ，w h i c hc o n s i s t e do f ac e r a m i cf o a m ( a 1 2 0 3 ) c o m b u s t o r , a g a sf l o ws y s t e m c o n t r o l l e db yt w o p a i r so f s o l e n o i dv a l v e sf o rs w i t c h i n ga l t e m a t i n g l yt h e f l o wd i r e c t i o n s a n dam e a s u r e m e n ts y s t e m t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n s i n p o r o u s c e r a m i cc o m b u s t o ra r em e u s u r e db yu s i n gt h e r m o c o u p l e sa n da ni n f f a r e dr a d i a t i o n t e c h n i q u e u s i n gac o m b u s t i o ne f f i c i e n c ya n a l y z e r , t h em e a s u r e m e n t so fc oa n dn o c o m p o n e n t si nt h ee x h a u s tg a so f r s c pa r ec a r r i e do u t t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni n s i d e t h ep o r o u sm e d i u mc o m b u s t o ra n dt h el e v e l so fn 0a n dc 0e m i s s i o n sa r em e a s u r e da 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 do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ew o r k i n gm e c h a n i s m s o fe x t e n d i n gf l a m m a b l el i m i t sa n d1 0 w e rn 0a n dc 0e m i s s i o n sa r ed i s c u s s e da n dt h e i n f l u e n c e so ft h em a j o rp a r a m e t e r so nt h ec o m b u s t i o na n de m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so f r s c pa r ec l a r i f i e d 2 n l et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n si nc o m b u s t i o nc h a m b e ra r ec o n s i d e r e do n e d i m e n s i o n a l b o t h t w o - t e m p e r a t u r e m o d e lb a s e do nt h el o c a lt h c u l l a l n o n - e q u i l i b r i m n a n d o n e - t e m p e r a t u r em o d e lb a s e do nt h el o c a lt h e r m a le q u i l i b r i u mb e t w e e nt h es o l i da n dg a s a r e e s t a b l i s h e d ，m a dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n s a r ef u l f i l l e dt os i m u l a t et h e t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o ni np o r o u sm e d i aa tv a r i o u sw o r k i n gp a r a m e t e r s t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sa r e c o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t s t h ec a u s ef o rt h ed i s c r e p a n c i e sb e t w e e nc a l c u l a t i o n sa n d e x p e r i m e n t s a r ed i s c u s s e d 3 b a s e do nas i m p l i f i e dm o d e l ，at h e o r e t i c a la n a l y s i sw a sc a r r i e do u to nt h et e m p e r a t t u e d i s t r i b u t i o n sc h a r a c t e r i s t i c so fr s c p s y s t e m aa p p r o x i n a a t e ds o l u t i o nf o rt h et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o ni nr s c p a tf i n i t eh a l f c y c l e si so b t a i n e dh yp r o p e r l yc o m b i n i n gt h et h e o r e t i c a 【 s o l u t i o n si nt h ef i l t r a t i o nc o m b u s t i o nf o rt w ol i m i tc a s e s i e r e c i p r o c a t i n gf l o w sw i t h i n f i n i t el a r g ea n di n f i n i t es m a l l ( z e r o ) h a l f c y c l e s t h ec o n e l u s i o n so b t a i n e d b y t h e e x p e r i m e n ts t u d y , n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n d t h e o r e t i c a la n a l y s i sr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 1 1 1 ep e r i o d i cc o n f i g u r a t i o no ft h et e m p e r a t u r ep r o f i l ei nt h er s c p s y s t e mi sb a s i c a l l y t r a p e z o i ds h a p ew i t l ls t e e pg r a d i e n t sa tb o t hi n l e ta n do u t l e ts i d e s d u r i n gc o m b u s t i o n p r o c e s s ，r e v e r s i n gt h ef l o wd i r e c t i o na tr e g u l a rt i m ei n t e r v a l ，t h ec a t c h i n gf i r eo c c u r sa f t e r t h ef l a m ei nl u s th a l fc y c l eq u e n c h e s ，a n dt h eh i g h t e m p e r a t u r ep l a t e a ut r a v e l sf r o mt h e u p s t r e a ms i d eo f t h ep o r o u sm e d i at o w a r d st h ed o w n s t r e a ma st h eh a l f c y c l eg o e so n t h e c o m b u s t i o ni sap e r i o d i ce v o l u t i o np r o c e s s a tv a r i o u sw o r k i n gp a r a m e t e r s ，t h ep e r i o d i c e v o l u t i o np r o c e s s e ss h o wd i f f e r e n t c h a r a c t e r i s t i c s ；t h e d o u b l ew a v es t r u c t u r e so ft h e h o t - s p o ts t r u c t u r ec a r lb eo b s e r v e d u n d e rs o m ec o n d i t i o n s 2 t h ot e m p e m t u r ed i s t r i b u t i o na n dt h em a x i m u m t e m p e r a t u r ei n s i d et h ep o r o u sm e d i u m c o m b u s t o r , t h ec o m b u s t i o ne f f i c i e n c ya n dt h el e v e l so fn oa n dc oe m i s s i o n sd e p e n d i l l s t r o n g l yo nt h em a j o rp a r a m e t e r sr g a s f l o wv e l o c i t y , f u e l - a i re q u i v a l e n c er a t i oa n dh a l f c y c l ep e r i o d ) w i t hi n c r e a s i n gf l o w v e l o c i t y , t h em a x i m u mt e m p e r a t u r em a r k e d l yi n c r e a s e s t h eh i g ht e m p e r a t u r er e g i o nw i d e n s ，t h ec o m b u s t i o ne f f i c i e n c yd e c r e a s e s ，w h i l et h en o a n dt h ec oe m i s s i o n si n c r e a s e w i t hi n c r e a s i n gf u e l a i re q u i v a l e n c er a t i o t h em a x i m u m t e m p e r a t u r em a r k e d l yi n c r e a s e s ，h i g ht e m p e r a t u r er e g i o n w i d e n s ，t h e c o m b u s t i o n e f f i c i e n c yi n c r e a s e s a n dt h en o e m i s s i o n si n c r e a s ew h i l et h ec oe m i s s i o n sd e c r e a s e w i t hd e c r e a s i n gh a l fc y c l ep e r i o d t h em a x i m u mt e m p e r a t u r e s l i g h t l yi n c r e a s e s h i g h t e m p e r a t u r er e g i o nw i d e n s ，t h ec o m b u s t i o ne f f i c i e n c yi n c r e a s e s ，a n dt h en oe m i s s i o n s i n c r e a s ew h i l et h ec oe m i s s i o n sd e c r e a s e t h e r ei saq u a l i t a t i v e a g r e e m e n tb e t w e e n n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n tr e s u l t s t h ed i s c r e p a n c y i sa t t r i b u t e dt ot h ei m p e r f e c t n u m e r i c a lm o d e la n dt o u s i n gd i f f e r e n tp h y s i c a lp a r a m e t e r so ft h ep o r o u sm e d i ai n c a l c u l a t i o na n d e x p e r i m e n t 3 d u et ot h ei n t e r n a lr e c i r c u l a t i o nm e c h a n i s m o f p r e h e a t i n gt h em i x t u r eb yu t i l i z i n gh e a t f r o me x h a u s tg a s ，f l a m m a b t el i m i t sc a l lb em a r k e d l ye x t e n d ，a sar e s u l td i l u t ea sw e l la s e x t r e m e l yd i l u t ef u e lg a s e sc a nb es e l f - s u s t a i n e dt h er s c ps y s t e m t h eb r o a d e n e dr e a c t i o n r e g i o na n d 晰t l lu n i f o t i nt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n si nc o m b u s t i o nc h a m b e rc a nm i n i m i z e n oe m i s s i o n s ，a n dc o n t r o lc 0e m i s s i o n s i nt h e e x p e r i m e n t c o n d i t i o n s t h el e a n f l a m m a b l el i m i tf o rt h em i x t u r eo f p r o p a n ea n db u t a n ew a se x t e n d e dt o0 0 6 5 ；t h et i m e a v e r a g e dc o e m i s s i o nc a nb ec o n t r o l l e da n ds u s t a i n e db e t w e e n4 0 0a n d1 0 0 0 p p m ，w h i l e t h et i m ea v e r a g e dn oe m i s s i o no fr s c p c a r lb ek e p ta tav e r yl o wl e v e l i ng e n e r a ll e s s t h a nl0 p p m f o rm e t h a n ea n da i r m i x t u r e ，t h et i m ea v e r a g e dc oe m i s s i o nc a nb e c o n t r o l l e da tl e s st h a n2 0 0 p p m ，w h i l et h et i m ea v e r a g e dn o e m i s s i o nc a nb ek e p tl e s st h a n 1 0 p p m 4 ，t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n sa n dc o n f i g u r a t i o ni n s i d et h ep o r o u sm e d i u mc o m b u s t o r a l s od e p e n do nt h ep h y s i c a lp a r a m e t e r so ft h ep o r o u sm e d i af c o n v e c t i o nh e a te x c h a n g e c o e f f i c i e n t ，h e a tl o s s ，t h e r m a lc o n d u c t i v i t y , r a d i a t i o ne x t i n c t i o nc o e f f i c i e n t s p e c i f i ch e a t a n d p o r o s i t y , e t c ) k e y w o r d s ：p o r o u s m e d i a ；r e c i p r o c a t i n gf l o w ；s u p e r a d i a b a t i c c o m b u s t i o n ； p r e m i x e d f l a m e ；f l a m m a b l el i m i t i v 主要符号表+ 彳一燃烧器截向积 a p 一多孔介质单位体积的表面积，m 2 m 3 c p 一气体混合物的定压质量比热，j k g 一k c p s 一多孔介质的定压质量比热，7 k g 一- k 一1 c 一组分的摩尔浓度，k g m o l m 3 d 。一球形颗粒的直径，m 屯一多孔介质孔隙的当量直径，m d 一组分的质量扩散系数，堙m 2 s e 一反应物的活化能，1 4 x i 0 8 j k m d ， h ，一体积换热系数，w m 4 k 。1 日一单位质量燃气的低热值，j l c g 一1 j 一组分的扩散通量，堙m 2 s l e l e w i s 数，| p c p d i a g m 一混合气体的质量流量，培s 只一p r o n 幽数，p v c p 陔 尸压力，n m 4 q ，一辐射强度，w m 。 尺一理想气体通用摩尔常数，8 3 1 4 4 1 j ( k m 0 1 茁、 r e r e m 。胁数，型监 文中已说明的符号此处不再说明 r 一燃烧室的管道半径，m s 一i 组分的s u t h e r l a n d 数，k s 一辐射几何路径长度，埘 s c 一氟密特数，v m 所一斯坦登数，h ( p 坩。) 7 _ 一温度，k t h 一半舄强，s “一轴向速度，m s 。1 l g t 一热波传播速度，j 材。一燃烧波传播速度，m s 1 x 一轴向坐标 ，】：一f 组分的质量分数 彬f 组分的生成率，堙m 3 s 希腊符号： 口一对流换热系数 燃烧室器壁上的热损失系数，i 矿l ( m 3 彪1 s 多孔介质的孔隙率，在自由空问中为i 。一壁面辐射发射率 丑一导热系数，w m 。k 。 一动力粘度，k g m 。j 一1 ( 岛s ) p 一翘囊，豫 秆 l l 下标： 口一j f 向”一b o l t z m a n n 常数，5 6 7 1 0 “跏- 2 足_ 4 c o 一立体角，s r 曩一，组分的焓，i ，咯1 巧一燃料一空气当量比 r 。一燃烧效率 b 一黑体 g 气体 o 一初始时刻 j 一固体 i i i 第一章绍论 第一章绪论 本章论述了课题的研究背景和意义；详述了国内外对稳态燃烧、过滤燃烧和多孔介质中往复 流动下的超绝热燃烧三种燃烧方式的研究进展和研究成果；针对多孔介质中往复流动下超绝热燃 烧技术研究中的不足，提出了本文的研究内容和方法。 1 1 研究的背景和意义 目前我国正处在经济高速发展阶段，能源与环境问题对经济发展的制约作用愈来 愈明显。然而，我国在能源利用上，一方面存在着效率低、污染环境、浪费严重等问 题，另一方面，大量的低品位能源未被开发和利用。例如，矿井的乏风、石化加工过 程中产生的含有热值的“废气”、城市垃圾填埋产生的气体、自然界和人类生活中生 物质热解和阴燃( 如燃池取暖) 过程中产生的可燃气体等。由于这部分气体可燃成份 稀薄，难以被常规的燃烧技术所利用，若直接排入大气中，不仅造成能源浪费，而且 其所含有毒物质还会污染环境。所以，研究并开发出一种燃烧效率高、污染排放量低 的稀薄燃烧技术，对经济建设和社会发展都具有非常重要的意义。 为解决这一问题，国内外研究者们提出了各种各样强化燃烧和控制污染排放新技 术，其中一种有效的燃烧方法是多孔介质( p m ) 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 cc o m b u s t i o ni np o r o u sm e d i a ，以下简称r s c p ) 。 通常情况下，预混合气体在多孔介质内燃烧，反应热通过燃气流和多孔介质闻的两效 对流换热，转换成固体介质的强热辐射，向上游末燃预混合气体进行热反馈，大大提 高燃烧稳定性和燃烧效率“1 。如果混合气体在多孔介质内的流动方向作往复式周期转 变，就能进一步增强蓄热效应，进一步强化燃烧，从而使稀薄乃至极稀薄可燃成份的 混合气体或极低热值的气体在多孔介质内也可以实现自维持稳定燃烧”。应用这项 燃烧技术，不仅可以回收利用大量低品位热能，还可以控制某些有害废气对环境的污 染。 r s c p 这一思想最初是由瑞典的a d t e c 公司在1 9 9 0 年的一篇商业报告“1 中透露的。 据称，他们根据此原理研制出的一台多孔介质燃烧设备甚至可以燃烧汽车厂喷漆室内 排放出的有机废气! 随后，h o f f m a n n 和e c h i g o 等“1 对r s c p 的理论分析和实验研究 表明，对于城市煤气，贫燃极限可扩展到当量比为0 0 2 6 ，n o x 排放水平低予1 p p m ， c 0 排放量也远低于常规多孔介质燃烧器。可见，该技术在提高燃烧效率、扩展可燃 极限、节约燃料和改善环境方面具有其他燃烧技术不可比拟的优越性。然而，目前国 际上开展这项技术的研究刚起步，人们对它的机理还很不明确，在我国这项技术的研 究与应用更是一片空白，因此对其进行深入研究是十分必要的。 大连理工大学博士学位论文 研究开发r s c p 技术除了在能源开发利用、减轻污染，净化环境方面的重大实用 意义外，还具有很高的学术意义。r s c p 是燃烧学中的一个新颖课题，其中涉及到流 体力学、传热学和热力学等学科中一系列基础理论问题，如对流、传导和辐射三种换 热方式的同时作用并互相耦合，预混火焰在孔穴中的行为及着火熄火特性：气流作用 下的热波与燃烧波在多孔介质中的互相制约关系及其对多孔介质能量积累效应的影 响等。有关这些问题的研究成果都将为燃烧理论的发展做出贡献。 1 2 多孔介质内预混合燃烧研究综述 1 2 1 多孔介质内预混合燃烧 多孔介质内预混合燃烧“1 是指预混合气体流通颗粒或小球填充床、蜂窝陶瓷或 泡沫陶瓷、打过筛孔的挡板、毛毡滤芯、金属薄片叠层、纤维膨化结构等多孑l 介质固 体框架缝隙内的燃烧。燃烧过程中，多孔介质内气相的燃烧放热、内部导热、对流、 传质和固相内部导热、辐射及气、固两相之间的对流换热互相耦合，这种复杂的传热 和化学反应过程就构成新颖、独特的燃烧方式。 多孔介质内预混合燃烧可以按不同方式分类，按燃烧状态可分为稳态、准稳态和 非稳态；按混合气体流动方向可分为单向流动和往复流动。燃烧过程中，如果限定预 混合气体物理参数和外界边界条件，燃烧反应区域可以稳定在多孔介质内的某一区域 内，形成多孔介质内稳态燃烧；如果存在热力不平衡，燃烧反应区域以稳定或非稳定 燃烧波的方式向气流的上游区域或下游区域传播，就形成准稳态和非稳态燃烧。 文献中提到的多孔介质内预混台燃烧一般指稳态火焰燃烧。预混合气体在相对大 孔径的多孔介质内，一定的燃烧速度下( 热负载) ，燃烧火焰能够稳定在多孔介质上 游一半的区域或出口端一段窄区域内，称为浸没火焰( s u b m e r g e df l a m e ) ；在相对小 孔径的多孔介质内，一定的燃烧速度范围内，燃烧火焰能够稳定在多孔介质出口表面 上，称为表面火焰( s u r f a c ef l a m e ) 。对于两层不同孔径多孔介质组合的燃烧器，其 中一种相对小孔径的多孔介质作为扩散层，另一神捐对大孔径的多孔介质作为：k 焰支 持层，在不同的物理条件下，火焰可能稳定在上游扩散层内、两多孔介质层交界面处 或交界面偏下游火焰支持层内，这种燃烧方式称为两层多孔介质燃烧( t w o l a y e r c o m b u s t i o n ) 。 多孔介质内的准稳态和非稳态燃烧一般也称为过滤燃烧( f i i t r 8 t i 。n c o m b u s t i o n ) 。过滤燃烧按燃烧过程中相间相互作用的特点和燃烧波传播速度的区段， 还可分为低速、高速、音速、低速爆炸、爆震波过滤燃烧等”1 。 对于多孔介质内预混合燃烧，人们关注最多的是稳态火焰燃烧和过滤燃烧的超绝 热燃烧。相对于自由火焰预混合燃烧，多孔介质内预混合超绝热燃烧具有以下优点： 燃烧稳定、燃烧速率高、燃烧效率高、可燃极限宽和污染排放低等。 第一章绪论 1 2 2 多孔介质内稳态火焰燃烧 近几十年，各国学者已经对多孔介质内浸没火焰、表面火焰和两层多孔介质等稳 态燃烧技术，从辐射性能、燃烧的稳定性、燃烧速度、可燃极限和烟气排放等各方面 进行过深入的研究，燃烧的理论已经比较成熟、数学模型也比较完善，并被普遍开发 和应用于很多领域。下文将分类具体介绍。 1 2 2 1 浸没火焰燃烧 早期人们对多孔介质内预混合燃烧技术的研究大多数是针对浸没火焰燃烧情况， 日本学者们起初对这种燃烧方式的燃烧机理和火焰稳定性做过一些辛刃步研究。1 9 7 9 年，t a k e n o 和s a t o 等”理论上指出，向一维火焰内部插入一段导热系数商的多孔材 料，预混合气体燃烧放出热量通过多孔材料的导热从高热区传递到上游低热区预热未 燃混合气体，就可以产生超绝热或过焓火焰，其相对于层流火焰燃烧，具有燃烧速度 明显增大、火焰区域温度提高、燃烧稳定性增强等特点。t a k e n o 等的研究中，建立 了简化一维模型，数值模拟计算结果表明：如果多孔材料导热系数增强，火焰将向上 游移动，最大温度下降并且反应区域扩宽：在一定的质量流速范围内，可以形成稳定 燃烧火焰：质量流速瞬态增大，火焰将被推向下游时；未反应混合气体会被暴露于热 的多孔材料当中，这样燃烧速度增大，又会饺得火焰回到最初位置：质量流速瞬态减 小，相反的效果同样可以维持火焰稳定。随后，t a k e n o 和他的同事们“”“1 基于上 述简化模型进一步的研究还发现，在绝热多孔介质燃烧系统内，存在个维持稳定燃 烧的临界最大流速，临界最大流速明显大于层流火焰的燃烧速度，随多孔介质的长度 增长临界流速增大；如果燃烧系统存在热量损失，还会存在一个维持稳定燃烧的临界 最小流速，混合气体流速在两个临界值之间，燃烧系统才能维持稳定燃烧。随热量损 失增大，稳定燃烧流速范围变窄。由于他们的模型中没有考虑辐射作用，计算结果只 适用于比较薄的多孔介质层。 e c h i g o 和y o s h i z a w a 等“进一步研究了“超绝热火焰”结构，认为产生超绝热 火焰的热反馈主要通过多孔介质热辐射由反应区域向上游火焰前区域传递，多孔介质 内的温度分布、燃烧速度和辐射能流密度主要取决于多孔介质的吸收系数、光学厚度 和燃烧反应区域的位置，多孔介质的导热性能只影响反应区域的宽度。但在分析模型 中他们忽略了多孔介质辐射散射作用。 s b s a t h e 等首先用比较完善的数学模型对多孔介质内燃烧和传热特性进行 了数值模拟预测，结果显示：固相的辐射和热传导对燃烧速度和火焰稳定都有很大的 影响，火焰位置对燃烧速度也是一个决定性的因素：在多孔介质两个不同区域内可以 产生稳定火焰，一个位于上游( 前一半) 区域内，另一个位于下游出口处的某一狭窄 的区域内；火焰位于多孔介质边缘处时，燃烧速度主要受热传导的影响，而位于多孔 介质内热辐射转变为燃烧速度主要的影响因素；辐射散射对燃烧速度也有很强的影 响。分析模型中认为多孔介质内的气、圃两相局部热量是不平衡，固相能量方程中包 大连理工大学博士学位论文 含了辐射换热的辐射、吸收和散射项。随后，他们对理论模型进行了实验验证“， 实验中的多孔介质辐射炉，多孔介质直径为1 2 2 c m ，长度为5 1 c m ，多孔介质的孔隙 分布为4 p p c m ( 每厘米孔数) 。实验结果和数值模拟预测结果相一致，火焰稳定在多 孔介质内两个不同区域内。另外，实验还发现位于上游区域内的火焰，当流速增大时， 将向下游移动，而且燃烧速度明显比层流燃烧速度大。对于当量比为o 6 时，火焰位 于离入口处l c m ，燃烧速度为2 2 c m s ；火焰位于离入口2 5 c m 处，燃烧速度为2 7 c m s ， 再靠近出口处，燃烧速度还保持这个值，其值是z h u 等“”人测量层流火焰燃烧速度 的2 0 和2 4 5 倍。 s b s a t h e 等“”也对多孔介质燃烧器辐射特性进行了大量的研究，结果表明， 当燃烧火焰向多孔介质中间部位移动，放热量和辐射输出量增大，原因是由于向上游 入口处的热损失减少而放热速率增大；当量比小，输出的辐射率高，对于稀薄气体辐 射率可达到2 6 4 0 ，对于当量比为0 5 时，其值可达到4 0 9 6 ；当火焰位于多孔介质 中间位鼹“”1 ，无量纲光学厚度大致在l o 时，辐射输出最大；如果燃烧器填装的多 孔介质具有低散射系数、低导热率、气相和固相两相之间有高对流换热系数、高的进 口反射率，能产生高的辐射输出；混合气体的燃烧速度受到多孑l 介质光学厚度和反射 率的强烈影响。 p f h s u 等“”认为泡沫陶瓷多孔介质衰减系数一般在1 0 0 1 0 0 0 m 范围内，这 种多孔介质燃烧器的辐射对燃烧特性影响，相对于导热的影响效果要小。他们的研究 显示，预混合气体在多孔介质内燃烧，可燃极限被扩展，可燃极限受多孔介质物理特 性的影响；由于多孔介质内的燃烧过程热反馈机理，燃烧火焰温度高于相应的绝热火 焰温度；混合气体燃气越稀薄对火焰温度产生超绝热的效果越大，当量比在0 9 时， 火焰温度高出相应绝热温度1 ，而在当量比在o 5 时，火焰温度高出相应绝热温度 l o ；对燃烧特性影响效果也与多孔介质的物性参数有关，使用不同的多孔介质材料， 在近化学当量比附近，可能产生低于相应绝热火焰燃烧温度。 吕兆华等“”。”“对多孔介质燃烧器的燃烧速度进行了系统的理论分析和实验研 究，结果表明：预混合气体在多孔介质内燃烧，相对于自由火焰燃烧，可燃极限增大， 燃烧速度和火焰温度增加：多孔介质的物性参数对燃烧速度的提高有不同程度的影 响，导热系数高、辐射率大可以更大程度地提高燃烧速度：混合气体在相同材质的、 不同孔径的多孔介质内，对燃烧速度的提高程度影响不同，一定范围内，大孔径多孔 介质因为其辐射衰减系数较小而有利于燃烧速度的提高；多孔介质的存在，对远离化 学计量比时燃烧速度影响，比正处于或接近化学当量比的影响的程度更加显著；对贫 燃的影响比对富燃的影响程度更为显著。在理论上，吕兆华等“”提出了一种预估多 孔介质中预混火焰燃烧速率的方法，在构成气、固两相合模型的基础上，用光学厚 极限条件下的扩散近似法简化其中的热辐射项，从而由基本能量方程导出计算火焰传 播速度的迭代关系式，其中包含综合多孔介质传导和辐射的等效导热系数。然后，应 4 第一章绪论 一一一 用此数值迭代法，分别计算出在多孔泡沫陶瓷中层流预混火焰及无多孔介质存在的自 由火焰的燃烧速率。计算预估的结果和实验数据是相一致的。 1 2 2 2 表面火焰燃烧 多孔介质内浸没火焰燃烧，燃烧速率可以达到绝热火焰燃烧速度的1 0 倍，使得 燃料供应同燃烧速度很难达到平衡，所以，火焰很难稳定在多孔介质内固定位置处。 如果燃烧器内填装比产生浸没火焰孔径小的多孔介质时，燃烧火焰可以稳定在多孔介 质外部的表面附近，即，实现多孔介质表面燃烧，相对于浸没火焰，它的燃烧更稳定， 但辐射输出效率降低”。1 。 对表面火焰燃烧研究中，模型分为辐射模型和蓝火火焰模型。火焰燃烧器在相当 低的热力负载下，混合气体燃烧速度低于绝热燃烧速度；平面火焰稳定在多孔介质表 面外附近或部分在多孔介质内；火焰区域由于热传导产生的热损失而使温度降低，所 以，n o 的排放含量降低：燃烧器表面辐射到周围产生火焰的能量损失，文献中把 燃烧器这种运行模型称作辐射模型。在相当高的热力负载下，混合气体燃烧速度高于 相应的绝热燃烧速度，本生灯火焰出现，被称为蓝火火焰模型。我们通常探讨的多孔 介质表面燃烧器，多数工作在辐射模型条件中。 荷兰能源研究中心。”牢先开发研制泡沫陶瓷表面炉，其燃烧特性相对自由火焰 燃烧器，具有低污染、大的热负荷调节范围等优点，被广泛应用于家用加热系统、烘 干系统、达到i m w 的企业炉。中心的工作人员建立了表面火焰燃烧辐射模型的数学模 型，数值模拟了表面燃烧器的火焰温度、表面温度和燃烧产物中的n 0 含量；多孔介 质材料对燃烧过程和c o 、n o 排放的影响；气体辐射对燃烧过程、气体内温度和气体 含量分布的影响，结果显示：燃烧器的温度分布在近出口的火焰位置很陡；热力n o 主要在后火焰区域形成的，n o 总含量在近火焰区域斜率很大，而在后火焰区域保持 一致；空气比大，n o 的排放含量明显增高：多孔介质的表面发射率对表面温度有很 大的影响，但对辐射热流量的影响很小的；在多孔介质出口端面处，气体的温度比固 相表面温度高出数百摄氏度，这个温差强烈依靠气、固两相的换热系数：燃烧过程是 在多孔介质内部开始的；气体辐射对火焰温度的影响很小，但对进一步下游的气体温 度c 0 、n o 含量影响很大：如果气体温度平稳下降，c o 和c o 。之间的平衡将转向c o 。； 气体温度下降，热力n 0 明显减少，而快速n o 略微减少；热力n o 和快速n o 生成机理 同等重要，在低热负载时，快速n o 反而占主导地位。 djd i a m a n t i s “”等也对表面炉燃烧特性的进行了研究，他们的分析模型中没有 考虑辐射散射相，数值模拟结果显示：多孔介质表面燃烧，气体温度在整个多孔介质 长度范围内都增长，低于固体温度，气体被预热；燃烧火焰部分在出口表面处或非常 接近表面处达到峰值；气体温度随热负荷增大而增高；辐射输出一部分来自于固相表 面，另一部分来自于多孔介质深处；热负荷在1 0 0 k w m 2 时，辐射率可达到3 0 ，热负 荷随热负荷单调下降；热负荷增加气体温度增高，n o 含量陡增；辐射炉适于在低负 大连理工大学博士学位论文 荷条件下使用，这样，n o 的排放最小，辐射效率最高，低的固体温度有利于多孔介 质本身结构的稳定；相对于自由火焰和浸没火焰，表面燃烧的反应速度更加稳定：在 反应区域内，气体的热传导同样对燃烧反应作用不大，由于空隙率大，换热系数增大， 表面反应速度s 。s 。 l ：表面燃烧内部火焰的情况，预热气体的热量主要来自于固体 的热传导，辐射效果相对而言要弱一些，这主要是因为孔径变小使得辐射衰