（热能工程专业论文）含co的混合燃料燃烧特性的数值模拟研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 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 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文巾作了明确的说明并表示了谢意。 签名：查凰涟口期：兰：生。7 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查n , t n 借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：二奎腿导师签名：趔日期：兰型7 ，一 摘要 摘要 本文综述了燃烧理论的研究现状，并在此基础上建立了燃烧室内的包括流 动、传热、混合、燃烧化学反应以及火焰辐射的二维数学模型，针对三种模型、 不同过量空气系数以及混合燃料中c o 与c 地以不同比例混合时对燃烧室温度 场、流场以及燃烧产物浓度场的影响进行了数值模拟分析；同时针对含c o 的混 合燃料燃烧过程中混合气体中存在大量辐射气体组分的特点，进行了研究火焰辐 射及其再吸收对燃烧室内火焰结构、稳定性的影响规律，为含c o 的混合燃料燃 烧装置的仿真模拟与优化设计提供了依据。 本文的研究内容主要包括以下两部分： ( 1 ) 建立了考虑辐射频谱特性的统计窄带火焰辐射模型。模型中根据辐射气 体的物理性质，分别计算随边界温度、火焰厚度、混合燃料燃烧产生混合气体各 组分的浓度等参数变化时对应各个波长段的辐射强度和透射率。用f o r t r a n 语 言编制了应用d o m ( d i s c r e t eo r d i n a t em e t h o d ) 方法、窄带辐射统计模型求解火 焰辐射热损失的计算程序。通过对统计窄带辐射模型和光学薄模型的分析计算， 解明了辐射成分浓度、壁而温度、火焰厚度等参数变化时辐射再吸收对火焰辐射 热损失的影响规律。在详细计算火焰辐射频谱特性的基础上，得到了应用于实际 高温气体系统仿真模拟所需要的混合气体对应各个波长段的辐射特性。 ( 2 ) 建立了包括流动、传热、混合、燃烧化学反应以及火焰非灰辐射的含 c o 的混合燃料燃烧系统二维数学模型，并对其燃烧过程进行了数值解析。解析 湍流燃烧模型为：湍流模型采用r e a l i z a b l ek g 模型、辐射模型采用d o ( d i s c r e t e o r d i n a t e s ) 模型、燃烧模型采用涡耗散概念( e d d y d i s s i p a t i o nc o n c e p t ) 模型： 针对高温气体燃烧过程中存在大量辐射气体组分的特点，进行了火焰辐射影响的 研究，分别采用绝热模型( 无辐射) 、光学薄辐射模型、非灰体辐射模型对燃烧 室温度场、流场、燃烧产物浓度场进行了解析计算；同时，针对不同过量空气系 数、混合燃料中c o 与c h 4 以不同比例混合时对燃烧室温度场、流场、燃烧产物 浓度场进行了解析计算；同时对于以上各种情况，均采用1 6 种组分4 l 步详细反 应机理，这样使模型更接近实际情况。 通过研究发现：( 1 ) 火焰厚度和边界温度对辐射热损失影响很大，c 0 2 体积 分数的增加导致辐射再吸收作用的增强，光学薄模型过高估计了辐射热损失。( 2 ) 火焰辐射对燃烧室内温度有明显影响，应用绝热模型计算的燃烧室内温度最高， 比光学薄模型最高温度大约高2 7 0 k ，比非灰体辐射模型高大约1 4 0 k 左右；( 3 ) 当过量空气系数大时，空气流的速度增大，一方面使高温燃气被吹出燃烧室，使 燃烧室内温度降低，同时使火焰面的最高温度降低，最终影响可燃气体的燃烧质 量：另一方面使一些没有来得及燃烧的反应物及中间产物被吹出燃烧室，导致燃 烧室的能源和资源浪费。( 4 ) 当混合燃料中c o 的比例减少时，随之c h 4 的比例 北京工业大学工学硕士学位论文 增加，c 心的快速燃烧放出大量热量，使燃烧室内部最高温度增高；同时随着 c o 的减少，燃烧所需要的空气越多，从而要求空气速度越高，这样就会使c h 4 燃烧放出的热量会有一部分热量被吹出造成热量的浪费。因而为了增加c o 的燃 烧效率，c h 4 的含量并不是越多越好，而是要找一个最优解，这样才能合理、高 效的利用c h 4 快速燃烧所放出的热量。因此，对含c o 的混合燃料燃烧过程进行 数值解析及仿真计算时，很有必要考虑辐射介质的频谱特性和辐射再吸收。 关键词数值模拟；湍流燃烧；化学反应机理；火焰辐射；统计窄带模型 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i s p a p e r t h er e s e a r c hs i t u a t i o nw a sa n a l y z e d b a s e d o nt h ea n a l y s i s ，t h e c o n f i g u r a t i o no ff i r e b o xo fm i x t u r ef u e lc o n t a i n i n gc 0w a si n t r o d u c e d ，a n dt w o d i m e n s i o n a l ( 2 一d ) m o d e li n c l u d i n gf l o w , h e a tt r a n s f e r , m i x ，c h e m i s t r yo fc o m b u s t i o n a n df l a m er a d i a t i o ni nt h ef i r e b o xs y s t e mw a sb u i l t t h ee f f e c to nt e m p e r a t u r ef i e l d ， f l o wf i e l da n dc o n c e n t r a t i o nf i e l do fc o m b u s t i o np r o d u c t i o n sw a sn u m e r i c a l l y a n a l y z e dw h e ne x c e s s i v ea i rc o e 所c i e n ta n dr a t i ob e t w e e nc oa n dc i - 1 4v a r i e d r e s p e c t i v e l yw i t ht h r e ed i f f e r e n tk i n d so fm o d e l s m o r e o v e r , w h e nm i x t u r e f u e l c o n t a i n i n gc ow a sb u r n e d ，al a r g eq u a n t i t yo fr a d i a t i v eg a sw a sp r o d u c e d i ti s n e c e s s a r yt os t u d yt h ee f e c to ff l a m er a d i a t i o na n dr e a b s o m t i o no nf l a m e c o n f i g u r a t i o na n ds t a b i l i t yi nf i r e b o x i tp r o v i d e sab a s i sf o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d o p t i m i z a t i o ni nd e s i g n i n gc o m b u s t i o ne q u i p m e n to fm i x t u r ef u e lc o n t a i n i n gc o t h em a i nt w op a r t si nt h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h es t a t i s t i c a ln a r r o wb a n dm o d e lt h a tc o n s i d e r e dt h ev a r i a t i o no fg a sr a d i a t i v e p r o p e r t i e sw i t ht h ew a v e l e n g t hw a se s t a b l i s h e d t h ee f f e c to ft h ew a l lt e m p e r a t u r e ， t h ef l a m et h i c k n e s sa n dt h ev o l u m ep e r c e n t a g eo fm i x t u r ef u e lo nv a r i a t i o no ft h e s p e c t r a li n t e n s i t ya n dt r a n s m i t t a n c e sw i t ht h ew a v e l e n g t hw e r ec a l c u l a t e di nt h em o d e l a c c o r d i n gt ot h ep h y s i c a lp r o p e r t y i nt h i ss t u d y , t h er a d i a t i v eh e a tt r a n s f e re q u a t i o n w a sc a l c u l a t e db ym e a n so ft h ed i s c r e t eo r d i n a t em e t h o d ，a n dt h ec o d ef o rt h e c a l c u l a t i o no fr a d i a t i o nh e a tt r a n s f e ri nf l a m e sw i t ht h ed o m ( d i s c r e t eo r d i n a t e m e t h o d ) w a sp r o g r a m m e db yf o r t 气nl a n g u a g e r e s u l t ss h o wt h ed i s c i p l i n eo ft h e r a d i a t i v er e a b s o r p t i o no nt h er a d i a t i o nh e a tl o s sv e r s u st h ew a l lt e m p e r a t u r e t h ef l a m e t h i c k n e s sa n dv o l u m ep e r c e n t a g eo fr e f u s ec o m b u s t i o ng a s b a s e do nt h ec a l c u l a t i o n ， i ti sc o n c l u d e dt h a tt h er a d i a t i o nr e a b s o r p t i o n ，t h ev a r i a t i o no ft h er a d i a t i v ep r o p e r t i e s w i t ht h ew a v e l e n g t hs h o u l db et a k e ni n t oa c c o u n ti nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fm i x t u r e f u e lc o n t a i n i n gc o ( 2 ) b u i l dt w od i m e n s i o n a l ( 2 一d ) m o d e lo fm i x t u r ef u e lc o n t a i n i n gc oi n c l u d i n g f l o w , h e a tt r a n s f e r , m i x ，c h e m i s t r yo fc o m b u s t i o na n df l a m er a d i m i o ni nt h ef i r e b o x s y s t e m ，a n dm o d e li t sc o m b u s t i o np r o g r e s s i nt h i ss t u d y , t h es t a n d a r dk 一占m o d e l w a su s e dt os o l v et h ef l o wp r o b l e m d 0m o d e l ( d i s c r e t eo r d i n a t e s ) w a sa d o p t e dt o s i m u l a t ef l a m er a d i a t i o n a n de d cm o d e lw a su s e dt oc o m p u t ec o m b u s t i o n b e c a u s e l o t so fr a d i a t i o ns p e c i e sw a si n c l u d e di nt h eh i g h - t e m p e r a t u r eg a sc o m b u s t i o n , t h e e f f e c to ft h e r m a lr a d i a t i o nw a sp r i m a r ys t u d i e d t h ei n f l u e n c eo fr a d i a t i v eh e a t t r a n s f e ro nt e m p e r a t u r e ，f l o wa n dc o n c e n t r a t i o nf i e l do fc o m b u s t i o np r o d u c t i o n si s s i g n i f i c a n t l yr e s e a r c h e db ym e a n so fa d i a b a t i cm o d e l ( w i t h o u tc o n s i d e r i n gr a d i a t i o n ) ， o p t i c a l l y t h i nm o d e l ，a n dn o n g r a yg a sm o d e l ；f o ra l lo ft h e s es i t u a t i o n s ，w e r eu s e d16 c o m p o n e n t si n4 1 一s t e pr e a c t i o nm e c h a n i s mi nd e t a i l ，s om a k e t h em o d e lc l o s e rt or e a l i t y s t u d i e ss h o wt h a t ( 1 ) f l a m et h i c k n e s sa n db o u n d a r yt e m p e r a t u r es i g n i f i c a n t l y i n f l u e n c et h er a d i a t i v eh e a tl o s s t h ei n c r e a s i n go fv o l u m eo fc 0 2c a u s e st o 1 1 1 北京t 业大学t 学硕j j 学位论文 i n c r e a s i n go fi n f l u e n c eo fr a d i a t i o nr e a b s o r p t i o na n dt h eh e a tl o s si so v e r e s t i m a t e di n o p t i c a lt h i nm o d e l ( 2 ) f l a m er a d i a t i o no b v i o u s l yi n f l u e n c e dt h et e m p e r a t u r eo ft h e f i r e b o x t h et e m p e r a t u r ei st h eh i g h e s ti na d i a b a t i cm o d e l t h et e m p e r a t u r ei sh i g h e r t h a n2 7 0 ki no p t i c a l l y - t h i nm o d e l ，a n dh i g h e rt h a n14 0 ki n n o n - g r a yg a sm o d e l ( 3 ) t h ea i rs p e e di n c r e a s e sw h e nt h ee x c e s sa i rc o e f f i c i e n ti n c r e a s e s h i g h - t e m p e r a t u r eg a s i sb l o w no u to ft h ef i r e b o x ；t h i sd e c r e a s e st h et e m p e r a t u r eo ft h ef i r e b o xa n dt h ef l a m e s h e e t ，a n di n f l u e n c e st h ec o m b u s t i o no ft h ef l a m m a b l eg a s m o r e o v e rs o m eu n b u r n e d r e a c t i o n sa n di n t e r m e d i a t ep r o d u c t sw a sa l s ob l o w no u to ft h ef i r e b o x t h i sw a s t e st h e e n e r g ya n dr e s o u r c eo ft h ef i r e b o x ( 2 ) w h e nt h er a t i oo fc oi nt h em i x t u r ef u e l d e c r e a s e s ，t h er a t i oo fc h 4i n c r e a s e s ，a n dal a r g eq u a n t i t yo fh e a ti sr e l e a s e db e c a u s e o ft h ec o m b u s t i o no fc h 4 t m sm a k e st h et e m p e r a t u r eo ft h ef i r e b o xi n c r e a s e ；w i t h t h ed e c r e a s i n go fc ot h eq u a n t i t yo fa i ri n c r e a s ea n dt h ea i rs p e e da l s oi n c r e a s e s t h i s m a k e st h er e l e a s i n gh e a to fc i - 1 4b em o r eb l o w no u to ff i r e b o x t i l i si saw a s t eo ft h e h e a te n e r g y i no r d e rt oi n c r e a s et h ec o n s u m i n gr a t i oo fc o ，t h em o r eq u a n t i t yo fc h 4 d o e sn o tm e a nt h ec o m b u s t i o nr e s u l to fc 0i sb e t t e r w em u s tf i n dt h eo p t i m a l s o l u t i o n ，o n l yt h e nw ec a nr e a s o n a b l ya n de f f i c i e n t l ym a k eu s eo ft h er e l e a s i n gh e a t o fc h 4 ( 4 ) t h ef l a m et h i c k n e s sa n dt h ew a l lt e m p e r a t u r eh a v el a r g ei n f l u e n c eo n r a d i a t i v eh e a tl o s s ，a n dw i t ht h ev o l u m ep e r c e n t a g eo fc 0 2i n c r e a s i n g ，t h er a d i a t i v e r e a b s o r p t i o ne f f e c to nf l a m eb e c o m e sm o r ei m p o r t a n t i ti sf o u n dt h a tt h eo p t i c a l l y t h i nm o d e ls i g n i f i c a n t l yo v e r e s t i m a t e st h er a d i a t i o nh e a tl o s s c a u s e se r r o ra n dl o s e s i t se f f e c t i v e n e s si nt h ep r e d i c t i o no ff l a m e sw i t hm u c hm o r er a d i a t i v es p e c i e s t h e r e f o r e m o r ea c c u r a t er a d i a t i o nm o d e l ss u c ha st h es t a t i s t i c a ln a r r o w b a n dm o d e l ( s n b ) s h o u l db ee m p l o y e dt oa c c u r a t e l yp r e d i c tf l a m e sp r o p e r t i e si nm i x t u r ef u e l c o n t a i n i n gc ：oc o m b u s t i o np r o c e s s k e y w o r dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；t u r b u l e n tc o m b u s t i o n ；c h e m i c a lr e a c t i o nm e c h a n i s m ； r a d i a t i v eh e a tt r a n s f e r ；as t a t i s t i c a ln a r r o wb a n dm o d e i v 物理量名称及符号表 i i 6 一黑体9 物理量名称及符号表 热容，j ( k g k ) ； 重力加速度，m s 2 ； 一辐射强度，w m 2 ； 一路径平均黑体辐射吸收强度，w m 2 ； 一路径平均光谱辐射强度w m 2 ； 一混合气体普郎克平均吸收系数； 辐射种类f 的平均吸收系数； 一湍动能，m 2 s 2 ； 有效导热系数，w ( m k ) ； 一湍流导热率； 骼径平均线性强度； 一火焰厚度，m ； 一混合气体总压力，p a ； 辐射热损失，w m 2 ； 一体积辅射热损失，w m 3 ； 通用气体常数，j ( m o l s ) ； 位置变量： 一当地温度，k ； 一环境温度，k ； 一时间，s ； 一路径光学压力，p a ； 一辐射种类f 的摩尔分子 量，g m o l ； 一圆球颗粒常数： 一单色吸收系数； 一转换冈予。9 一湍动能扩散率，m 2 s 3 ； 墙体发射率； 运动粘度，m 2 s ； 一动力糕度，p a s ； 一辐射波长，m ； 密度，k g m 3 ； 一斯忒藩波耳兹曼常数， w ( m 2 k 4 ) ； 一单色散射系数； 平均透射率； - 单色射程透射率； 一窄带光谱范围，m ； 一立体角，瓯 一黑体 一空问指数 一角度指数 一单色 一等价参考 互 口 g 气。 a p 盯 q l。曲c=嘛6 ， 刀 y 叼 q g，l元巧b七 一t 工 p q 吼 月 丁疋 ， 甜 s 、，i f 1 录 目录 摘要i a b s t r a c t 一i i i 物理量名称及符号表v 第l 章绪论。l 1 1 弓j 言1 1 2 国内外研究现状。2 1 3 研究目标及研究内容5 1 3 1 研究目标5 1 3 2 研究内容6 第2 章辐射特性计算模型的建立。7 2 1 几何模型7 2 2 辐射模型8 2 2 1 光学薄辐射模型( o t m ) 8 2 2 2 统计窄带辐射模型( s n b ) 9 2 3 验证模型和计算程序1 2 2 4 本章小节l 3 第3 章混合气体辐射特性的分析计算1 5 3 1 计算方法1 5 3 2 计算结果及其分析1 7 3 2 1 火焰温度和混合气体浓度对透射率的影响17 3 2 2 边界温度改变对辐射特性的影响2 0 3 2 3 火焰厚度改变对辐射特性的影响2 l 3 2 4 混合气体浓度变化对辐射特性的影响2 2 3 3 本章小结2 6 第4 章燃烧扩散计算模型的建立2 7 4 1 物理模型2 7 4 1 1 控制方程2 8 4 1 2 湍流模型2 8 4 1 3 气相燃烧模型2 9 4 1 4 辐射传热模型3 l 4 2 燃烧化学反应机理，。3 4 4 3 计算网格3 6 4 3 1 网格的划分3 6 4 3 2 网格的验证3 6 4 4 边界条件3 7 4 5 本章小结3 7 第5 章燃烧室内数值计算结果3 9 5 1 计算结果及分析3 9 5 1 1 绝热、光学薄和非灰体三种模型对燃烧室内各参数的影响3 9 5 1 2 不同过量空气数对燃烧室内各参数的影响5 l 5 1 3 混合燃料中c o 和c h 4 不同比例混合对燃烧室内各参数的影响5 9 5 2 本章小结6 9 结 仑7l 参考文献。7 3 攻读硕士学位期间所发表的学术论文。7 7 蜀l 谢7 9 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 随着我国经济的高速发展，能源和环境污染问题变得越来越突出，成为制 约我国经济发展的瓶颈问题。提高能源利用率、控制能源消费过程中的污染问题 已是迫在屑睫的硬任务。目前我国以及全球近9 0 的能量供应来自于化石燃料 ( 石油、天然气、煤炭) 的燃烧i i 捌，虽然核能逐渐成为工业国家的一种重要能 源，太阳能、风能、地热能和潮汐能等可再生能源的利用开发日益受到重视，我 国可再生能源中长期发展规划明确指出：至u 2 0 2 0 年可再生能源占总能源的比 例达n 2 0 t 3 1 ，但是燃料燃烧仍然是动力生产的主要来源这种形势在很长时间内 将不会有大的改变【4 1 。在环境保护方面，化石燃料燃烧所产生的污染排放物直接 恶化了大气环境。与发达国家相比，我国的热工设备的燃料燃烧效率较低，例如， 我国2 0 0 4 年火电厂煤耗高达3 8 0 9 l ( w h ，比工业发达国家1 9 9 3 年平均水平高出 4 0 - 7 0 9 i ，l ( w h ，特别是燃烧污染排放较高，在高效低污染燃烧技术方而存在着比 较大的差距。而对我国燃料燃烧过程中存在的效率低、污染严重两大难题，积极 开展燃烧理论以及燃烧污染物的生成等方而的研究，研究和开发高效率同时低污 染排放的新型燃烧技术，提高燃烧效率，控制燃烧过程所产生的环境污染问题， 对于提高我国的能源利用水平，确保国民经济的稳定、高速发展的同时实现生态 环境的保护有着重要的战略意义，也是我国实现能源与经济、环境的可持续协调 发展的迫切课题和必然要求。 天然气的高效清洁燃烧技术的开发促进了对c h 4 的火焰结构、燃烧特性及 污染生成的基础研究，因而在许多研究把c h 4 燃料作为研究对象1 5 以2 1 。相对于c h 4 燃烧基本特性的研究，c o 以及含c o 的混合气体燃料的燃烧特性研究十分少见， 目前国际上含c o 的混合燃料的熄火极限数据几乎没有，这主要是凶为c o 的燃烧 反应与其他碳氢系燃料相比缓慢，干燥空气条件几乎不可能下形成c o 的安定火 焰。而在实际能源利用中，各种煤气中c o 是其主要成分，例如，钢铁行业高炉 炼铁产生大量的高炉煤气，其主要可燃成分为c o ，占到2 5 3 0 ，冈其发热量 低( 3 3 4 4 - 4 1 8 0 千焦标米3 ) 和燃烧速度慢，很难作为燃料燃烧以至于很大比例 的高炉煤气直接排放，既浪费了能源又污染了大气环境，高温空气燃烧技术的出 现使得其作为工业燃料成为可能，并在实际中得到应用【2 引，但对其如何实现高效、 清洁、稳定的燃烧缺乏理论的研究：许多碳氢固体、液体燃料如煤炭、重油等在 其热解、挥发、燃烧过程中都会产生大量的c o 燃气，c o 燃烧特性的研究对其整 个燃烧过程模型的建立以及污染物生成控制具有重要意义；火灾中也会产生大量 的c o 气体，火灾特殊燃烧现象的认知和防治研究亦需要弄清c o 熄火极限等基本 特性；此外，随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，城市生活垃圾及固体 废弃物带来的环境问题日益严重和突出，实现城市生活垃圾及固体废弃物的无害 化、减容化、资源化处理，生活垃圾及固体废弃物焚烧热利用以及焚烧发电利用 已经被越来越多的国家所采用，发达国家焚烧生活垃圾及固体废弃物同收能量获 得了充分发展，日本垃圾发电利用达到垃圾总量7 3 ，发电总量3 2 0 m w ，美国 垃圾焚烧发电在2 0 0 0 年达到了4 0 ，我国垃圾焚烧发电也在不断发展之中，垃圾 及同体废弃物焚烧在提供能量的同时，也会带来二垩英、n o x 等二次环境污染， 通过合理的组织燃烧过程可以达到环保要求。由于固体垃圾和废弃物的多样性、 不均一性和低热值性，存在着焚烧过程巾火焰不稳定性与污染严重的技术课题， 研究表明，垃圾焚烧及其热分解生成的主要为含c o 、h 2 和c h 4 等气体所组成的 混合燃料，要合理的组织燃烧过程与实现火焰稳定燃烧就必须首先解明其熄火极 限等燃烧特性以及各种参数的影响规律。因此研究含c o 的混合燃料的燃烧特性 不仅具有重要的理论价值也具有重要的实际意义。 但由于受到实验设备以及检测手段的限制，用传统的实验方法很难得到令 人满意的试验数据，而要建立燃烧室温度场、流场的数学模型，需解大型偏微分 方程组，难度极大，且模型的通用性不佳，得到的数值结果也不便于整理分析。 鉴于此，有必要利用国际上比较流行的c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s 计算 流体动力学) n h t ( n u m e r i c a lh e a tt r a n s f e r 数值传热学) 软件对含c o 的混合燃 料在燃烧室内的燃烧进行数值模拟。 随着计算机技术与模拟仿真技术的日益进步，以计算流体动力学数值模拟 ( c f d ) 为研究手段的研究方法发挥了越来越大的作用，计算流体力学( c f d ) 随着 计算机技术飞速发展而得到了更加j 泛的应用，特别是对各种实际问题的模拟计 算，利用计算机数值模拟软件将会更简便、更快速、更直观地得到计算结果。 c f d 软件是工程设计和研究的重要工具之一。f l u e n t 是一种功能强大的c f d 软 件，它汇集了大多数的流体计算模型，包括层流模型、各种湍流模型、基本流体 传热模型、化学输运与反应流模型、污染形成模型、相变模拟模型、多相流模型 和辐射模型，提供分离解法和耦合解法两种数值方法，通过有限体积离散差分( 隐 式或显式) 方法来求解模型的控制方程，整个求解过程利用设定残差值、松弛因 子和c o u r a n t 数来控制其精确性、稳定性和收敛性。将数值模拟和实验技术这两 种研究方法相结合，先模拟筛选方案，后实验测试并应用，将会极大地降低研究 成本。充分利用c f d 数值模拟技术，与实验技术相结合，相互补充，才能收到事 半功倍的效果。 1 2 国内外研究现状 燃烧理论的研究趋势是全方位的与化学反应动力学、湍流及多相流体力学、 辐射传热等结合融合。口前，国际上在燃烧理论研究方面主要集r f l 在以下几个方 面：( 1 ) 燃烧化学反应动力学的研究，其研究内容包括：煤炭以及生物质、废弃 筇l 章绪论 物等各种固体可燃质的热解与燃烧反应动力学；气体燃料燃烧的详细化学反应机 理及简化的多步化学反应机理，主要针对燃烧过程中污染物的生成( 如n o x ) ， 凶为污染物的生成与燃烧过程中的多种巾问产物生成有关，涉及到复杂的化学反 应机理；燃烧过程中炭黑等颗粒物生成的反应动力学，这是凶为燃料燃烧及火灾 过程中常常伴随着炭黑等颗粒物的产生，炭黑生成机理的理论描述还不完全清 楚；( 2 ) 层流燃烧的相关研究：由于层流燃烧现象相对简单，影响因素较湍流燃 烧少，对层流燃烧进行研究，可以更容易揭示火焰本身的结构及特性规律。国际 燃烧界一直对各种条件下的层流预混燃烧、扩散燃烧以及部分预混燃烧进行持续 不断的研究。研究集中在火焰的传捅速度、火焰厚度等各种层流火焰的结构与特 性；漩涡、浮力以及颗粒等因素与层流火焰的相互作用，对火焰特性的影响：层 流火焰的振荡与不稳定性；微重力、微尺度等极端条件下的层流火焰特性几个方 而。( 3 ) 湍流多相流动与燃烧理论的研究：研究内容主要包括湍流燃烧与湍流一 化学反应相互作用；大涡模拟与直接模拟在湍流燃烧模拟中的应用：湍流多相流 中颗粒颗粒相互作用的理论模型等。 燃烧理论研究一方面来源于对其自身科学规律探索的需求，另一方面也来源 于向燃烧技术和我国社会发展中面临的能源利用技术提供理论支撑的需要。随着 我国综合国力的增强，科研投入的增大，我国在发展先进燃烧技术与设备的同时， 燃烧理论研究也取得了显著的进步，特别是在煤燃烧及其污染物生成的反应动力 学、湍流多相流与燃烧理论等的研究上取得了许多创新性的研究成果。例如，在 煤燃烧及其污染物生成的反应动力学研究方面提出了煤的热解、着火、燃烧、气 化及反应动力学理论的宏观规律峭j ，研究了焦炭燃烧中n 2 0 的多相生成与分解 机理以及n o x 生成与分解的机理模型简化等，建立了新的理论模型；在湍流多 相流与燃烧理论研究方面提出了描述旋流燃烧中湍流输运的新代数r e y n o l d s 应 力、热流通量与质量流通量模型，提出了湍流一颗粒运动相互作用的颗粒湍能输 运方程模型、颗粒二阶矩阵输运方程模型和脉动频谱颗粒随机轨道模型等多种理 论模型：在多相燃烧方面，提出了考虑碳粒表面氧化一还原反应和c o 容积反应 的移动火焰峰面模型及碳粒燃烧速率的显式表达式扣趵j 。 尽管近几年我国在燃烧理论研究方面有了长足的进展，特别是在煤燃烧基础 理论方而取得了许多创新性的成果，但总体上与国际先进水平还存在着相当大的 差距。具体表现在以下几方而 z s j ： ( 1 ) 国际上燃烧理论的研究发展方向和趋势主要是燃烧化学反应动力学、 层流燃烧理论、湍流多相流动与燃烧理论三个方面，而目前我围的燃烧理论研究 主要集中在燃烧化学反应动力学和湍流多相流动与燃烧理论两个方面，对层流燃 烧的详细研究几乎尚未开展。 ( 2 ) 虽然在燃烧化学反应动力学和湍流多相流动与燃烧理论的研究上取得 北京- rq k 大学工学硕士学位论文 i i i i i 了显著的成果，研究仍不够系统深入，有待于进一步发展。 ( 3 ) 与国内从事燃烧技术的研究力量、队伍相比，从事燃烧基础理论研究 的相对薄弱。在代表燃烧基础研究最高水准的国际燃烧会议上发表的论文偏少， 这也在一定程度上反映了我国基础燃烧理论研究与国际相关研究的差距。 因此，2 0 0 6 - - - 2 0 1 0 学科发展战略研究报告工程热物理与能源利用中提 出，今后我国基础燃烧理论的研究要追踪国际上的发展趋势，在继续重视燃烧化 学反应动力学和湍流多相流动与燃烧理论研究的同时，应不失时机地着手开展层 流燃烧理论等方面的研究，以提高我国燃烧基础研究的水平。 在能源、动力、航空和航天等工程领域所遇到的实际燃烧过程几乎全部都是 湍流燃烧过程1 2 刀。在湍流燃烧中，湍流燃烧过程和化学反应过程有强烈的相互关 联和相互影响。湍流在通过强化混合来影响着化学反应速率，同时化学反应的放 热过程有影响着湍流。如何准确地描述和确定这种相互关系作用是湍流燃烧研究 的一个重要部分。 关于湍流扩散火焰燃烧的研究，在二十世纪二十年代初国外b u r k e 和 s c h u m a n n 等人i 孙j 就开始对扩散火焰进行研究，到了四十年代末五十年代初陆续 有几位科学家对于喷射等典型的扩散火焰的火焰面进行数值模拟的研究 2 9 , 3 0 。在 国内，七十年代末期，扩散火焰的研究也逐渐引起众多科学家的注意，到了八十 年代，关于湍流扩散燃烧的研究领域逐渐成为热门课题，且研究成果也已转化成 为实际应用的科学技术。 众所周知，火焰辐射是燃烧过程中主要热传递方式，近几年，热辐射对火焰 燃烧特性和污染物生成特性的影响受到重视，人们希望知道在实际设计燃烧器及 进行燃烧基础研究时，辐射对火焰结构、燃烧特性的影响有多大及其影响规律。 特别是对废气再循环引起的火焰、高温空气燃烧、富氧燃烧火焰、含c o 以及含 c h 4 燃料的燃烧等而言，由于火焰r f l 辐射气体浓度高的特点，强化了辐射传热， 火焰辐射对火焰特性特别是对具有温度敏感性的n o x 生成就显得更加重要。p l a t t 和g u o 等人利用总括化学反应动力学模型研究了辐射对对向流扩散火焰熄火特 性的影响1 7 弗j ，发现火焰在低拉仲率条件下辐射热损失会导致火焰熄火，即存在 着一个辐射熄火极限。m a r u t a 等【i0 1 为消除自然对流散热的影响，在微重力条件 下对c h 以i r 对向流扩散火焰和预混火焰进行了实验研究，实验结果发现火焰在 低拉伸率条件下辐射热损失会导致火焰熄火，辐射熄火极限的存在得到了确认， 并进一步利用详细化学反应动力学模型对其熄火机理进行了数值计算分析研究， 得到了在不同的燃料浓度下存在着两个不同机理的熄火极限一拉伸熄火极限和 辐射熄火极限，熄火极限曲线呈“c ”形状；但是，上述数值分析研究中都是采 用光学薄模型( o p t i c a l l y t h i nm o d e i ) 计算火焰辐射热损失，由于光学薄模型是 建立在热辐射全部辐射到外部环境，而没有考虑火焰内部的辐射再吸收。由于低 4 拉伸率条件下的熄火极限是由火焰辐射引起的，构筑精确的考虑火焰辐射频谱特 性的辐射模型对燃烧基本特性进行分析研究就变得十分重要。王景甫【2 2 j 应用窄带 统计辐射模型( s t a t i s t i c a ln a r r o w b a n dm o d e l ) ，考虑了火焰巾c 0 2 、c o 、h 2 0 等 辐射气体随温度、压力、波长变化的频谱特性，利用详细化学反应动力学模型对 c h a a i r 与c h