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水平金属丝网管升膜微型燃烧器高效燃烧技术研究 摘要 理论分析和试验结果表明，液体在受热的水平金属丝网管壁面能够形成比较 均匀的上升薄液膜，可以起到强化传热传质的作用。本文将水平金属丝网管升膜 蒸发机理应用于额定功率为2 k w 的某微型燃烧器中，实现了原理机的工作，并对 其进行了高效燃烧技术研究。 本文的研究表明，基于水平金属丝网管升膜蒸发机理的微型燃烧器具有良好 的工作性能，燃油蒸发结构简单，燃料蒸发量可灵活调节，油气混合快速充分， 具有高的燃烧效率和低的污染物排放。 使用富氧空气对水平金属丝网管升膜微型燃烧器助燃可以获得更高的燃烧 效率和燃烧温度，有利于强化燃烧室内传热，提高了热效率，节约了能源，还能 有效地减少和控制污染物排放。 基于f l u e n t 的水平金属丝网管升膜微型燃烧器燃烧过程的c f d 模拟基本上 可以反映燃烧器实际的燃烧状况，数值结果和试验结果吻合良好，数值模拟的成 功实现为燃烧器性能的分析和改进提供了强有力的理论指导，减少了试验的时间 和盲目性，降低了设计成本。 此外，本文还进行了利用梯度磁场富集氧气的理论和试验研究，以期为富 氧燃烧寻找一种简易、经济、节能的富氧方法，使富氧燃烧技术得到普遍推广。 本文的试验已经取得了初步的富氧效果，但还要通过对磁致富氧装置的改进来获 得更高氧浓度的富氧空气，使之能够用于富氧燃烧。 关键词：水平金属丝网管；升膜燃烧；富氧燃烧；燃烧过程数值模拟；磁致富氧 t h es t u d yo nhig he f ficie n tc o m b u s tio nt e c h n oio g yo f mic r oc o m b u s t o rb a s e do nrisin gfiimf o r m e db y h o riz o n t aim e t al licm e s ht u b e a b s t r a c t t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t i n u o u sa n de v e nr i s i n gl i q u i d f i l mc a nf o r mb yl l s i n gah o r i z o n t a lm e t a l l i cm e s ht u b ew h e ni ti sh e a t e d ，a n dt h i sr i s i n gl i q u i d f i l mc a l ls t r e n g t h e nt h eh e a ta n dm a s st r a n s f e r i nt h i sa r t i c l e ，am i c r o - c o m b u s t o ro f2 k w o u t - p u t b a s e do nr i s i n gf i l mf o r m e db yh o r i z o n t a lm e t a l l i cm e s ht u b ew a sd e v e l o p e da n da l le x p e r i m e n t a l t e s tb e dw a se s t a b l i s h e d ，a n do x y g e n - e n r i c h e dc o m b u s t i o ne x p e r i m e n t sw e r ea l s od o n e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em i c r o - c o m b u s t o rb a s e d o nr i s i n gf i l mf o r m e db y h o r i z o n t a lm e t a l l i cm e s ht u b eh a sg o o dw o r k i n gp e r f o r m a n c e i t sf u e le v a p o r a t i o nd e v i c ei sv e r y s i m p l ea n dt h ee v a p o r a t i o nc a p a c i t yc a nb ee a s i l ya d j u s t e db yc h a n g i n gl e n g t ha n dd i a m e t e ro ft h e m e t a l l i cm e s ht u b e t h i sm i c r o - c o m b u s t o rc a np r o v i d er a p i df u e le v a p o r a t i o na n dh o m o g e n e o u s m i x t u r ef o r m a t i o n ，s oi th a sh i 曲c o m b u s t i o ne f f i c i e n c ya n d l o wp o l l u t a n te m i s s i o n o x y g e n e n r i c h e da i rw a su s e di nt h ec o m b u s t i o ne x p e r i m e n t s ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a t o x y g e n - e n r i c h e dc o m b u s t i o nh a sh i g h e rc o m b u s t i o ne f f i c i e n c ya n dh i g h e rt e m p e r a t u r et h a nt h e c o n v e n t i o n a lc o m b u s t i o n b e s i d e s ，o x y g e n - e n r i c h e dc o m b u s t i o ne n h a n c e dt h eh e a tt r a n s f e ri nt h e c o m b u s t i o nc h a m b e r , s oi th a sl o w e rp o l l u t a n te m i s s i o na n db e t t e rw o r k i n gp e r f o r m a n c e t h ec f ds i m u l a t i o nb a s e do n 凡u e n to fm i c r o - c o m b u s t o rr e f l e c t st h ea c t u a lc o m b u s t i o n p r o c e s sv e r yw e l l ，a n di tc o n t r i b u t e sal o tt ot h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n ds t r u c t u r ei m p r o v e m e n t o ft h ec o m b u s t o r b e s i d e s ，i no r d e rt of i n das i m p l ew a yo fo b t a i n i n go x y g e n - e n r i c h e da i r ，t h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a ls t u d i e so no x y g e ne n r i c h m e n tb yu s i n gg r a d i e n tm a g n e t i cf i e l dw e r e d o n ea n d o x y g e n - e n r i c h e da i rg e n e r a t e df r o m t h ec o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t h i g h e rc o n c e n t r a t i o n o x y g e n - e n r i c h e da i rc a nb eo b t a i n e db yi m p r o v i n g t h eo x y g e ne n r i c h m e n td e v i c e k e yw o r d s ：h o r i z o n t a im e t a l ii cm e s ht u b e ：r i s i n gf ii mc o m b u s t i o n ：o x y g e n - e n r i c h e d c o m b u s t i o n ：c o 曲u s t i o ns i m u i a t i o n ：o x y g e ne n r i c h m e n tb yu s i n gg r a d i e n tm a g n e t i c f i e i d i l 水平金属丝网管升膜微型燃烧器高效燃烧技术研究 主要符号表 砧r t 一周向、轴向界面的曲率半径，m仃一表面张力，n m w 一丝网与管间的缝隙宽度，mp m 一毛细压力，n m 2 吼一周向液面与管壁所成的夹角，r a d 一流体动力粘度，p a j ( 厂一无量纲特征速度 r 一液体温度，k t 一液体饱和温度， 。一初始液膜厚度，m r 一水平光滑圆管半径，m l z 方向上的长度，m 尸一流体的当地压力，p a l 一管壁面温度， h 一润湿高度，i n 。任一点的液膜厚度，m 略略圪一口、厂、z 方向上的速度分量，m s一高温温度值，k 圪、k 、k 一队r 、z 方向上的无量纲速度 厅一液膜无量纲厚度 p r 一普朗特数，无因次 耽一韦伯数，无因次 反g 一高阶小量，无因次 岛一无量纲温度之一 瓦低温温度值，k r e 一雷诺数，无因次 b o b o n d 数，无因次 妇一雅克比数，无因次 q 一加热功率，w 0 一无量纲温度之二 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，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，也不包含未获得 或其他教育机构的学 位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日期：卅年石月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。( 保密 的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签字： 月6e t 签字日期： 厂， 6 月d 日 水平金属丝网管升膜微型燃烧器高效燃烧技术研究 1 前言 1 1 课题研究背景 能源是人类社会赖以生存的重要物质基础，是推动世界经济发展的强 大动力。回顾世界能源的发展过程，可以说，人类认识、开发和利用能源 的历史，就是人类认识和征服自然界的历史。每当一种能源被发现，并推 广使用，就伴随着生产技术的重大变革，引起社会生产方式的变化，从而 推动社会经济迅速发展。 但是，人类在享受能源带来的经济发展、科技进步等利益的同时，也 遇到一系列无法避免的能源安全挑战，能源短缺、资源争夺以及过度使用 能源造成的环境污染等问题威胁着人类的生存与发展n 。特别是从上世纪 7 0 年代中东战争引起的世界性石油危机以来，人类越来越意识到能源的有 限性，能源问题也成为举世瞩目的重大问题。 据美国能源部能源情报署国际能源展望2 0 0 4 ) 基准状态预测，全球能源 消费总量将从2 0 0 1 年的1 0 2 4 亿吨油当量增加到2 0 2 5 年1 6 2 亿吨油当量。全球 化石能源的枯竭是不可避免的，将在本世纪内基本开采殆尽。 b p 世界能源统计 2 0 0 6 的数据表明，全球石油探明储量可供生产4 0 多年，天然气和煤炭则分别 可以供应6 5 年和1 5 5 年乜1 。 中国的能源蕴藏量位居世界前列，同时也是世界第二大能源生产国与消费 国。但事实表明我们的能源和资源总量并不丰富，由于我国人口众多，人均占有 量与世界整体水平相比存在着明显的差距。 作为世界上最大的发展中国家，中国是一个能源生产和消费大国。能源 生产量仅次于美国和俄罗斯，居世界第三位；基本能源消费占世界总消费 量的1 1 0 ，仅次于美国，居世界第二位。 中国又是一个以煤炭为主要能源的国家，发展经济与环境污染的矛盾比 较突出。近年来能源安全问题也日益成为国家生活乃至全社会关注的焦点， 日益成为中国战略安全的隐患和制约经济社会可持续发展的瓶颈。上个世 纪9 0 年代以来，中国经济的持续高速发展带动了能源消费量的急剧上升， 目前中国的能源消费已占世界能源消费总量的1 3 6 ，世界能源消费将越来越向 中国和亚太地区聚集。 水平金属丝网管歹 膜微型燃烧器高效燃烧技术研究 目前中国主要能源煤炭、石油和天然气的储采比分别为约8 0 、1 5 和近5 0 ， 大致为全球平均水平的5 0 、4 0 和7 0 左右，均早于全球化石能源枯竭速度。未 来5 至1 0 年，中国煤炭国内生产量基本能够满足国内消费量，原油和天然气的 生产则不能满足需求，特别是原油的缺口最大嘲。 据资料显示，截止2 0 0 4 年底，我国石油剩余可采储量2 3 亿吨，占世界总量 的1 4 ；天然气剩余可采储量2 2 3 万亿立方米，占世界天然气可采储量总量的 1 2 ；煤炭剩余可采储量1 1 4 5 亿吨，占世界总量的1 2 6 。就可采储量而言， 有关专家估计，若按目前的开采水平，我国石油资源和东部的煤炭资源将在2 0 3 0 年耗尽，水力资源的开发也将达到极限。就质量而言，我国能源资源以煤炭为主， 按各种燃料的热值计算，在目前的探明储量下，世界能源资源中，固体燃料和液 体、气体燃料的比例为4 ：l ，而我国则远远高于这一比值。目前，在世界能源 产量中，高质量的液、气体能源所占比例为6 0 8 ，而我国仅为1 9 1 嘲。 2 0 0 4 年，中国一次能源消费总量1 9 7 亿吨标准煤，比上年增长1 5 2 。其 中，煤炭消费量1 8 7 亿吨，原油2 9 亿吨，天然气4 1 5 亿立方米。从人均水平 来看，2 0 0 4 年中国人均一次能源消费量1 0 8 吨油当量，为世界平均水平1 6 3 吨油当量的6 6 ，是美国人均8 0 2 吨油当量的1 3 4 ，日本人均3 8 2 吨油当量 的2 8 1 。从能源结构来看，2 0 0 4 年一次能源消费中，煤炭占6 7 7 ，石油占2 2 7 ， 天然气占2 6 ，水电等占7 0 口】。 面对这样的能源现状，我们应更冷静、更客观地面对中国的能源问题，并树 立忧患意识。注重能源资源的节约，提高能源利用效率，加快可再生能源的开发 利用，对于中国来说既重要又迫切。人们不能再大手大脚的对待现有的能源，从 现在开始我们应该树立节约能源、适度消费的观念。 目前，全球气候变化问题也向中国提出了挑战。作为一个发展中国家 要兼顾发展与环境两个问题无疑是比较大的困难。在日常生活和生产中， 各种燃烧设备被广泛利用。燃烧设备可以将燃料的化学能转变为热能或机 械能供人们使用，但其有害排放物也影响着大气环境，因此，高效率低排放的 燃烧方式和燃烧技术的探索是当前热能工程领域的热点课题h 1 。 针对燃烧设备的产物排放控制，主要有三种途径：一是选择包括清洁 能源在内的代用能源，如氢气、压缩天然气、液化天然气、甲醇、乙醇等； 2 水平金属丝网管升膜微型燃烧器高效燃烧技术研究 二是改善燃料与氧化剂的混合与燃烧，以及采用新的燃烧方式，如采用稀 薄的均与混合气来降低n o 的排放；三是对排放产物进行后处理，如废气再, 循环、柴油机增压中冷等技术，都可以有效降低污染物排放1 。 近年来，高效燃烧技术的研究也从未间断过。高温空气燃烧、分层燃 烧、富氧燃烧、脉动燃烧等技术都已经被应用到工业生产中，这些燃烧技 术不仅使得燃烧效率大幅提升，达到了节能的目的，而且大多数的高效燃 烧技术都能有效地减少环境污染。因此，对高效燃烧技术的继续深入研究 仍然意义重大。 本文针对某微型燃烧器，应用水平金属丝网管升膜蒸发机理，通过简 单的水平金属丝网管升膜蒸发结构，将柴油的蒸发、混合和燃烧过程置于 燃烧室内进行，实现了燃烧室内柴油蒸气和空气的快速、良好混合，提高 了燃烧效率并有效地降低了污染物排放。此外，对这种水平金属丝网管升 膜微型燃烧器进行了高效率低排放的富氧燃烧试验，研究了其在富氧条件 下的燃烧性能。 1 2 微型燃烧器发展现状 微型燃烧器一般是指功率在1 0 千瓦以内的燃烧系统。微型燃烧器的小 尺寸在制造、测量、控制等方面的限制将会产生很多大中型燃烧器所没有 的问题，因此，对这方面的深入研究就显得极为重要。 国外相关研究工作启动的比较早，在上世纪7 0 年代帝国化学公司就已 经提出了微小型化工机械系统的概念睁u 1 。9 0 年代，美国能源部的太平洋西 北国家实验室以及波士顿大学开展了微燃烧技术以及相关微小型化学化工 机械系统的研究，此后，许多新概念的微型设备已经进入工业化生产领域。 近十几年来，微型反应技术渐渐成为学科前沿的热点。 就微型燃烧器而言，国外相关的产品比较多，产品线也比较丰富，比 较著名的有德国w e b a s t o 公司用于各类型汽车的车用燃油式独立供暖系统 和e c l i p s e 公司的空气加热燃烧器系统等；在国内，相关研究也已经起步， 如蓄热式高温空气燃烧、红外线燃烧器、引射垂直式燃烧器等产品在控制 污染物排放方面已经取得了不错的成果，但也存在很多需要改进和提高的 地方，一些技术性难题也亟待解决h 1 。 3 水平金属丝网管升膜微型燃烧器高效燃烧技术研究 如前所述，尺寸较小的微型燃烧器会产生诸多问题。首先，由于尺寸 的缩小，使得粘性效应更加明显，并且表面积体积比增大，表面的热量损 失也增多，这样就会影响燃料的着火极限，降低火焰稳定区的温度，使得 化学反应时间增加，因此，微型燃烧器不可能获得像大型燃烧器一样高的 燃烧效率 1 2 - 1 7 。 其次，可燃混合气在燃烧器中的停留时间基本上与燃烧器的体积和压 力成正比，所以在几何尺寸较小的微型燃烧器中，燃料与空气的停留时间 将会极大地缩短，这将会导致大量燃料还未与氧化剂进行反应就已经流出 了燃烧器，从而造成燃料的浪费和燃烧效率的降低n 司。 此外，在三维形状制造方面，对微型燃烧器的加工总会受到尺寸的限 制，结构越小，材料要求越苛刻，制造加工的成本就会越高。 以上种种限制要求微型燃烧器内燃料和空气混合要快速、充分，能够 可靠稳定的点火，最好有较宽的可燃极限以便火焰在变工况时能够稳定燃 烧，并要求有较高的燃烧效率和较低的污染物排放h 1 。 目前，微型燃烧器的研究将向着尺寸微型化、结构简单化、燃烧高效 化、排放环保化的方向进行。针对现有研究中存在的问题，目前主要的研 究方向有n 纠5 1 ：1 、微型燃烧器中气体的流态以及粘性的研究：2 、微尺度传热理 论的研究；3 、微尺度燃烧技术的研究；4 、高效燃烧技术的研究。 1 3 高效燃烧技术简介 为了达到节能环保的目的，人们也在不断探索新型、高效的燃烧方式。经过 长时间的研究，取得了非常丰富的研究成果，新型的高效燃烧方式的出现使得燃 烧设备的燃烧效率得到显著提高，污染物排放也得到较好控制，在工业生产和日 常生活中得到了较广泛的应用。 1 3 1 油膜燃烧 在经典的油膜雾化燃烧方式中，在燃烧室壁面形成的燃油液膜受热蒸发形成 可燃混合气后再进行燃烧。然而，由于表面张力的作用、液体燃料的润湿特性和 液体在光滑管壁上的流动特性，初始形成的液膜会产生收缩而不能形成均匀的燃 料液膜，使燃料的换热效率下降，影响混合气形成，并引起燃烧效率的降低，而 工程上多采用高压喷射以增加液膜面积并减小液膜厚度来解决这个问题。 4 水平金属丝网管升膜微型燃烧器高效燃烧技术研究 水平螺旋槽管在传热传质方面有着独特的优势，因此也能形成均匀、覆盖全 表面的液膜，从而实现高效的油膜燃烧。赵健h 1 设计了一种基于柴油水平螺旋槽 管降膜蒸发机理的燃烧室，该燃烧室采用水平螺旋槽管油盘使柴油在螺旋槽管壁 面上形成降膜并直接受热蒸发形成燃油蒸气，并在燃烧室中进行混合燃烧，燃烧 效率高达8 3 ，并有效地降低了污染物排放。但初始形成的下降液膜也会产生收 缩，导致燃料的换热效率下降。 此外，利用多孔介质分布油膜的燃油蒸发装置也较广泛地应用到实际的燃烧 装置中，如图l - l 所示。 冀 厂 i i 多孔钢丝网低压输油泵油箱 图卜i 多孔钢丝网液膜蒸发燃烧装置示意图 燃油经过低压输油泵自油箱内泵入到多孔钢丝网上方，在重力、毛细力和润 湿力的作用下，燃油会自上而下润湿多孔钢丝网，从而形成下降油膜，并在燃烧 室内蒸发、燃烧。但这种装置在使用过程中会出现多孔钢丝网烧焦的现象，而且 由于重力影响，燃油会在多孔钢丝网下部聚集使得液膜产生收缩，液膜厚度的不 均匀则会导致较为严重的积碳现象。这些缺陷也正是多孔介质燃烧器自身本质的 弱点，比较难以克服。 1 3 2 富氧燃烧 通常情况下的燃烧是在空气中进行的，此时氧气的含量大约为2 1 。富氧燃 烧即采用比空气中氧含量高的气体来助燃。富氧燃烧可以显著提高燃烧效率和火 焰温度，长久以来主要应用在玻璃熔窑和金属冶炼等需要高温操作的行业n 引，并 实现了节能减排的目的。 实践表明，当氧气含量达到2 5 以上，节能高达2 0 。这是因为，当富氧气 体以二次风的方式送入锅炉或窑炉时，可增加炉内整体或局部氧气含量，减少炉 内整体空气过剩系数，有效降低空气过剩系数大时过剩的空气带走的热量，降低 排烟温度。同时，由于助燃气体中含氧量的增加，使得燃烧趋向完全，在节能的 同时也实现了环保。 5 水平金属丝网管升膜微型燃烧器高效燃烧技术研究 根据燃烧理论，富氧燃烧具有以下特点n 喇： ( 1 ) 火焰温度大幅度提高，火焰强度增大，传热效果增强，同时温度提高也 有利于燃烧反应的迅速进行和燃料的完全燃烧。火焰温度随着氧浓度的增加而增 加，但随着氧浓度逐渐提高，火焰温度增加的幅度逐渐下降； ( 2 ) 由于在富氧空气中惰性成分的氮气浓度大大降低，烟气带走的热量也大 幅度降低，从而减小了热损失，提高了热效率。数据表明，体积分数为3 0 - 4 0 的富氧空气助燃就可以降低燃料消耗约2 0 - 3 0 ； ( 3 ) 富氧燃烧时所需的助燃空气量减少，使得烟气排放量大幅度降低，从而 也减小了热损失。同时由于烟气中c 0 2 浓度增加，有利于回收c 0 2 综合利用或封 存，实现清洁燃烧； ( 4 ) 设备尺寸缩小，燃烧系统的设备投资成本和维护费用降低，推动了燃烧 设备的小型化和微型化； ( 5 ) 采用富氧燃烧可提高生产率和节能，还有利于减少和控制c 0 2 、s 0 2 的 排放。 以某烟煤为例进行的燃烧计算表明啪1 ，空气需要量和燃烧产物量随空气中氧 含量的增加而减少。用普通空气燃烧，每千克煤需空气量为8 2 4 m 3 ，燃烧产物 量为8 6 m 3 ；当氧含量为2 5 时，每千克煤需空气量6 9 2 m 3 ，燃烧产物量为 7 2 8 m 3 ，空气需要量降低1 6 ，燃烧产物量降低1 5 3 。随着空气中氧含量的增 加，煤的理论燃烧温度也随之增加。当用普通空气燃烧时，理论燃烧温度为 1 8 6 0 8 9 c ；当氧含量为2 5 时，理论燃烧温度为2 3 7 4 8 0 c ，温度升高2 7 6 。 可见，富氧燃烧使燃烧温度大大提高，排烟损失大大减少，提高了热效率， 提高了生产率，节约了能源。对富氧燃烧的工业应用而言，不同的应用就有不同 的节能效果，而且富氧燃烧的节能效果是很明显的。因此，在日常生活和工业生 产过程中研究和推广富氧燃烧技术是值得大力倡导的。 近年来，随着膜法制氧技术、变压吸附p s a 法等新型制氧技术的成熟和利用， 富氧成本不断降低，使得富氧燃烧技术的应用领域不断扩大，在燃气发电系统、。 供热锅炉、生物质能和废弃物能的利用等多方面都具有广阔的应用前景n 羽。 6 水平金属丝网管升膜微型燃烧器高效燃烧技术研究 1 3 3 脉动燃烧 脉动燃烧是一种在声振条件下发生的周期性的燃烧过程。试验表明，燃烧可 以在某种条件下激发燃烧器中的声学脉动，而声学脉动也可以改变燃烧的特性， 脉动燃烧正是在特定条件下这两种激励过程相互作用的燃烧过程。人们经过对脉 动燃烧现象的长期探索和研究，研制出不同类型的脉动燃烧器。脉动燃烧器实际 上是一个燃气发生器，它能产生有一定压力，一定速度的高温气体。也就是说它 能产生冲力、压力，可以升温，因此有广泛的应用前景。目前脉动燃烧主要应用 于热水器，采暖炉，蒸气发生器以及用于各类物品的干燥等嘲。 脉动燃烧也是一种高效的燃烧方式。在燃烧气体燃料的脉动燃烧器中，当当 量比在1 附近时，燃烧效率接近1 0 0 ；在以重油为燃料时，燃烧效率也高达9 9 以上。由于脉动燃烧接近等容燃烧过程，所以热效率比常规的等压燃烧过程高。 在脉动燃烧器中，气流脉动非常强烈，这就极大地改善了燃料与空气之间、 冷的反应物与热的燃烧产物之间的混合以及传热传质过程，从而也大幅度提高了 燃烧强度。在脉动燃烧器中，燃烧强度可以达到5 8 0 0 0 k w m 3 ，而在稳定燃烧的 常规燃烧器中，燃烧强度最大只能达到8 4 0 k w m 3 嘞堋。 与常规的稳态燃烧器相比，脉动燃烧器具有较强的换热强度和换热效率，这 是因为在脉动燃烧器中，速度脉动和压力脉动提供了强烈的强制对流换热。在常 规的稳态燃烧器中，单位面积的换热强度最高可达2 0 k w m 3 ，而脉动燃烧器单 位面积换热强度可超过1 5 0 k w m 3 乜4 删。 1 4 燃烧过程数值模拟 燃烧过程是一个及其复杂的物理化学过程，它不但包括燃料与氧化剂的流 动、混合和燃烧以及热量传递，而且流动、燃烧、热量传递之间存在着复杂的耦 合现象，所以至今燃烧理论尚不完善，燃烧计算存在很多不确定性，有关燃烧及 燃烧设备的研究也存在很多难点。近年来，由于动力和能源系统性能不断提高， 对燃烧室的要求也日益苛刻，但由于燃烧室的设计计算及其性能研究主要依靠经 验以及大量试验，缺乏成熟的理论指导，加上现代燃烧室加工和试验费用十分昂 贵，迫切需要发展一种新型的设计计算方法。2 0 世纪7 0 年代初以来，由于计算 机和计算流体力学、计算传热学和计算燃烧学的迅速发展，这种新型的设计计算 7 水平金属丝网管升膜微型燃烧器高效燃烧技术研究 方法也逐渐形成一以计算燃烧动力学c c d ( c o m p u t a t i o n a lc o m b u s t i o nd y n a m i c s ) 为核心，以计算机为工具，对燃烧室内气动热化学动力学过程及性能进行数值模 拟。其主要功能有以下几点例： ( 1 ) 模拟燃烧过程，如点火、熄火、火焰稳定、浓度场、温度场、燃烧室中 气流结构等物理、化学过程； ( 2 ) 预估不同工况下燃烧室气动热力性能，如燃烧效率、出口温度分布、壁 温、熄火特性、污染物排放等； ( 3 ) 用于燃烧室优化设计，在初步设计阶段用于方案选择，在技术设计阶段 用于产品性能评估与定型； ( 4 ) 对燃烧室中复杂的物理化学现象提供更深刻的认识，导致新的设计概念； ( 5 ) 减少试验所需的人力、物力和财力，缩短燃烧室研发周期。 燃烧过程数值模拟的一般过程是：首先要建立燃烧过程的基本守恒方程和对 应的物理模型，之后针对不同情况制定不同的数值解法，最后再编写计算程序进 行模拟计算。随着计算流体力学( c f d ) 和计算燃烧学( c c d ) 的发展，目前已经出现 了许多有关计算流体力学和计算燃烧学的软件，如美国n a s a - l e w i s 研究中心 g o r d o n 和m c b r i d e 研制的化学平衡计算软件c e a ，该软件基于最小自由能原理， 它可以计算给定两个热力学状态参数时的平衡成分，可以计算燃烧室面积为有限 或无限时的火箭理论性能，也可以计算入射激波或反射激波的激波管参数等嘲； 美国s t a n f o r d 大学机械工程系r e y n o l d s 教授研制的化学平衡成分计算程序 s t a n j a n ，该程序是基于元素势原理，它可以计算燃烧产物的平衡成分、绝热火焰 温度以及爆震参数等汹1 ；英国帝国理工大学s p a l d i n g 教授领导开发的模拟传热、 流动、化学反应及燃烧的大型通用软件p h o e n i c s ，它可以用来求解各种流动、传 热及燃烧问题，而且具有良好的前置、后置处理功能嘲；f l u e n t 公司开发的用 于模拟流动、传热、燃烧等问题的大型通用软件f l u e n t 在国内外使用比较广泛。 该软件包含了目前比较先进的多种模型，附带功能强大的网格生成软件g a m b i t ， 具有以压力为基础的算法和以密度为基础的算法，前置处理功能和后置处理功能 也比较先进1 。 这些数值模拟软件的出现使得在进行试验和设计之前预测燃烧器的性能变 为现实，减少了试验或设计的时间和盲目性，节约了研发成本和研发周期。 8 水平金属丝网管升膜微型燃烧器高效燃烧技术研究 在各种c f d 软件中，f l u e n t 软件功能强大，适用面广，针对不同的流动问 题有不同的数值解法，从而在计算速度、计算稳定性和计算精度等各方面达到最 佳，因此，该软件在国内外的应用非常广泛。 法国杜埃矿业研究院工业能源实验室在f l u e n t 平台上对原型为6 0 0 m w 四角 切圆燃烧锅炉进行了炉膛内冷态空气动力场模拟，研究了经不同燃烧器送入的空 气在炉膛内的流动情况以及炉膛内的速度分布，比较准确地反映了实际情况乜刀。 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室借助f l u e n t 软件平台，应用 e u l e r i a n l a g r a n g i a n 方法，在3 种不同工况下对2 0 0 m w 四角切向燃烧煤粉锅炉 炉内的流动、传热以及燃烧进行了数值模拟，得到了炉膛内的速度场、温度场分 布，而且对炉内c o 、d ，、c 0 2 的质量浓度分布给出了趋势图，给出了煤粉颗粒的 运动轨迹。结果表明以f l u e n t 软件为基础，选用合适的数学物理模型和几何结构 模型，通过改进网格系统，可以较好的模拟不同工况下切向燃烧煤粉炉炉内的流 动、传热和燃烧特性，并能较详细、准确的预报炉内的温度场、速度场和各种气 体组分的浓度场及其运动轨迹啪，。 此外，国内外很多其他学者也利用f l u e n t 软件对燃烧过程进行过c f d 模拟， 这些研究结果表明，以f l u e n t 软件为平台，只要采用合适的几何模型和数学物 理模型，采用合适的求解方法和控制方法，所得出的模拟结果基本上可以反映实 际的流动、传热和燃烧特性。准确的模拟结果可以有效地指导研究试验，既减少 了工作量、降低了试验成本，又节约了产品研发和改进的周期。 1 5 本文的主要工作 本文分析了柴油在水平金属丝网管壁面升膜形成及其传热传质特性，将水平 金属丝网管升膜蒸发机理应用于某微型燃烧器中，设计并完成了基于水平金属丝 网管升膜蒸发机理的微型燃烧器。本文对燃烧室内流场分布、柴油蒸发、燃烧情 况进行了分析，并通过常规燃烧试验对燃烧器的性能进行了检验，试验结果表明 基于水平金属丝网管升膜蒸发机理的微型燃烧器燃烧效率达到8 0 以上，而且对 污染物的排放量控制得比较好，各项指标均低于国家排放标准；对水平金属丝网 管升膜微型燃烧器进行了高效的富氧燃烧试验研究，试验结果表明：在富氧条件 下，水平金属丝网管升膜微型燃烧器的性能显著提高；利用f l u e n t 软件对水平 金属丝网管升膜微型燃烧器的燃烧过程进行了模拟，数值结果和试验结果吻合良 9 水平金属丝网管升膜微型燃烧器高效燃烧技术研究 好，数值模拟的成功实现可以为燃烧器性能的分析和改进提供强有力的理论指 导，减少了试验的时间和盲目性，降低了设计成本；此外，本文还进行了利用梯 度磁场富集氧气的理论和试验研究，以期为富氧燃烧寻找一种简易、经济、节能 的富氧方法，使富氧燃烧技术得到普遍推广。 本文的创新点主要体现在以下四个方面： l 、将水平金属丝网管升膜蒸发机理应用于某微型燃烧器中，实现了原理机 的工作； 2 、对该微型燃烧器进行了富氧燃烧技术研究，提高了燃烧效率并降低了污 染物排放： 3 、利用f l u e n t 软件对其燃烧过程进行了数值模拟，并结合模拟结果对燃烧 器的结构作了部分改进，提高了燃烧器性能： 4 、对磁致富氧方法进行了初步的理论和试验研究，提出了利用梯度磁场富 集氧气的动力学模型，并设计了独特的磁致富氧装置。 1 0 术平金属月昔升膜微型黼嚣高教燃烧技木研究 2 水平金属丝网管柴油升膜蒸发与燃烧过程分析 水平金属丝网管升膜蒸发机理是水平金属丝网管柴油升膜燃烧的理论基础， 柴油在水平金属丝网管表面的升膜蒸发效果直接影响了水平金属丝网管升膜微 型燃烧器内混合气形成与燃烧效果。本章对水平金属丝网管升膜形成以及升膜蒸 发规律进行了分析，并对燃烧室内湍流扩散燃烧及其数值模拟方法进行了讨论， 为水平金属丝网管升膜微型燃烧器原理机的研究奠定了理论基础。 2 1 水平金属丝网管液体升膜形成 图2 - l 水平金属丝网管示意图 外覆金属丝网的水平光滑加热圆管( 如图2 一1 ) 外壁的下部与液面相切或徽 微浸入液面以下当对水平光滑加热圆管通电时，只要达到一定的壁温，液体就 会沿瞥壁自下而上运动，从而形成均匀的上升薄液膜。在水平光滑加热圆管提供 的高温下，液体在水平金属丝网管壁面形成的上升薄液膜会持续蒸发，从而形成 稳定流动的升膜。 2 1 1 水平金属丝网管液体升膜物理过程分析 如图2 2 ，使水平金属丝网管的底部微微浸入液体，对其通电加热，当达到 一定壁温时，液件就会在润湿力和毛细力的驱动下沿管壁自下而上运动，形成连 续的均匀升膜并且持续蒸发。 魍愚爨曩燃 黧篇潮嘲 ( a ) t 1 时刻 = 尘盘壹篁攀 ( b ) t 2 时刻 里，r 扛m 时刻( d ) t 4 时刻 图2 - 2 水平金属丝阿管液体升膜现象晒1 水平金属丝网管升膜微型燃烧器高效燃烧技术研究 水平金属丝网管液体升膜的原因可以解释为：外覆金属丝网的水平光滑加热 圆管的特殊结构产生的表面润湿作用使液体应力平衡发生改变，导致液体在润湿 力和毛细力的驱动下克服重力自下而上运动，沿水平金属丝网管壁面形成升膜。 同时，液体在蒸发过程初始的表层流随着热量的传递而失稳，沿管壁周向出现的 温度梯度使管壁各处的润湿性质不同，导致升膜的产生和持续流动汹1 。根据经典 流体力学理论，在低雷诺数下液膜表面张力使其产生收缩是必然的。由于传热蒸 发以及周向温度变化，周向上各点物性参数不同。对流体而言，是含再度形成边 界层的流动问题。对传热过程而言，是随热量交换产生相变，表面传热传质耦合 时壁面薄液膜流态变化导致的强化传热问题嘲。 2 1 2 水平金属丝网管液体升膜物理数学模型 水平光滑加热圆管和金属丝网间的液膜流动为润湿力和毛细压力克服阻力 和重力驱动的低流速、不可压缩的粘性层流，其基本假设是口l 删： ( 1 ) 液膜流动的雷诺数很小，忽略惯性力的影响： ( 2 ) 液体密度和粘度均为常数； ( 3 ) 流动基本特性由基本方程的主项控制； ( 4 ) 流动为稳态流动，且雷诺数较低，可以忽略n a v i e r s t o k e s 方程中的非 定常项和对流项； ( 5 ) 蒸气处于静止状态，它对流体液膜的流动不产生任何力的影响，流体一 蒸气交界面上的剪切应力可以忽略。 为了方便模型求解，考虑到水平金属丝网管的几何形状，采用柱坐标系对问 题进行研究。 o 图2 - 3 柱坐标系( z 轴垂直该平面) 剐 笛卡尔直角坐标系( x ，y ，z ) 和柱坐标系【r 。，0 ，z ) 之间的对应关系为： x r c o s o ，y ；r s i n o ，z z ( 2 - 1 ) 速度v 。的散度表达式为： 1 2 水平金属丝网管升膜微型燃烧器高效燃烧技术研究 v 9 。墨+ 三翌+ 墨+ 善 0 rra 口a zr 速度v 。的拉普拉斯算子的表达式为： v 可2 ( 争+ 专挚+ 等+ 等鲁一泞 + ( 争+ 专争+ 争+ 等事鲁一沣 + ( 争+ 砉等+ 争+ 等声 体积力在柱坐标系下分解为：百- g c o s 0 一。一g s i n o 毛口+ 0 - z 压力梯度v 芦一孚苫。+ 三筹弓+ i g q p e _ o rrz： d 。 d 。 弯曲液膜产生附加压力，由l a p l a c e 公式得： 哦刮击+ 司1 一是一而蒜一等等 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 金属丝网与水平加热圆管的特殊结构使得毛细压力受周向和径向弯月面控 制，压力梯度有两个方向的分量啪1 ： 周向毛细压力梯度：氅。c r c o s 妒ts i n o 。( 2 7 ) 0 0w r 径向毛细压力梯度：擘。_ 2 0 c , o s 0 1c o s o ( 2 8 ) d rw 。 根据流体力学的理论跚，水平金属丝网管液体升膜的控制方程如下： 连续方程： vv=0(2-9) 动量方程： p ( v v ) v 一一v p + p b + j c l v 2 v ( 2 - 1 0 ) 能量方程： 胛2 t + 西一p c v v ( v r ) ( 2 1 1 ) 1 3 水平金属丝网管升膜微型燃烧器高效燃烧技术研究 根据所研究对象物理模型的特点，可以略去方程中的对流项和粘性耗散项， 而且在轴向无气流扰动时液膜分布不随z 轴位置的变化而变化，因此，控制方程 变为矧： 连续方程：粤+ + 三驾；0 8 rrra e 动量施v r 睾一手+ 孕删+ 一触 ( 2 - 1 2 ) ( v 2 v 口一+ 号帮一7 1 万o p 一警s 妯口+ 脬证口飞m ， v 2 = 芸o r + 三r 三o r + 去r 等0 上zaz 能量方程：屹, 一o t o r + 等暑0 - 口( 窑o r + 专罂o r + 专刍0 0 。 ra 、 ， ，二 z 边界条件： ，= r ：圪0 ，v r 一0 ，t = 乙 ，。r + p 。) ：昱年。0 z ；疋 o r 膜厚就等于缝隙宽度即，h ( 汐。矽) tw 对方程和参数进行无因次处理m 1 ： 令u 。壁堕为特征速度 z ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ，一口一鲁 = 等n h _ 尺l ok 一生u 6 r圪一丘u 胁譬 l o 尺 79 耽l 譬。甄t - t “p - - 旦l 譬如一孚n 竿 无量纲后控制方程如下别： 连续方程：a v , + 生+ 土堕o 打r 硒a o 1 4 ( 2 - 1 9 ) 水平金属丝网管升膜微型燃烧器高效燃烧技术研究 动量方程： a z v r 1a k 1 0 2 一k 2 a 音+i_万昔一r2一一却2。000r o rr0 0 r 砂 ，娶【旦望+ 堡婴掣幽 l l 一一十：一 州6 w r0 r w 2 。w e - 1 一w 鲨一w e - h 0 6o r l2 c o s 仍c o s ( 妒) 6 2 c o s ( # o ) 6 2 盟+ ! 堕+ 上当一竖+ 竺盟 o r 2 。r0 r 西2 r 20 0 2 r 2 o r 20 0 ；善【三一0p o e o s q 气s i n ( 0 0 ) + p g s i n ) 】 穹一- 一一- i l 口r ，- _ 叫w r o r0 0 r w 。 w e 。t 兰罢一w e s 即i n ( 印) + 掣 h o 咖a p 。1、。 6 ( 2 - 2 1 ) 能量方程：m 叱等+ 岳= 等专等+ 寿等协2 2 ， 边界条件： ，一1 ，一o ，一一0 ，o r 一0 ，1 憾掣| 0 ，岛，1 d 厂 流体内部作用在自由表面的应力为汹1 ： ( 2 - 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) f l 酬c 一卷+ 幼争一r + c 一靠+ 专等+ 争 2 5 ， + ( r 昙争+ 专等) - r + ( r 专( + ；6 妒o a r 口, ) 引 n a 略去小量，则 一专务 坼= 鬲1 一寿矿0 2 h ( 2 - 2 6 ) ( 2 - 2 7 ) ( 2 - 2 8 ) 水平金属丝网管升膜微型燃烧器高效燃烧技术研究 液体表面的力平衡条件为嘲： 圣ni a 。k f 根据式( 2 - 2 9 ) ，最终可得： p ；h o w e ( o v o 一一丘) + 一w wo rr 。r r 鲨o r 一业w 学号等+ 毒 一i i 一+ 一_ 一一 、a r 2ra rr l h o p h o 肫，a 2 k 1a 圪、 一l i 一- a 8 w 、o r a 9r0 0 。 把压力梯度代入动量方程，且忽略小量汹1 ，得动量方程为： ( 2 - 2 9 ) ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) 6 孥o r + 等堕0 0 一詈堕o r + 等一w e 。1 普hr w e 。1