（工程热物理专业论文）惰性多孔介质内预混燃烧的研究.pdf

中囡科学技术大掌俘士掌位论文 摘要 多孔介质内燃烧技术具有燃烧效率高、污染物排放低的优点，已经成为国 内外研究的一个热点。本文采用数值模拟和实验的方法，对多孔介质内预混燃 烧过程的机理进行了分析研究。数值模拟是本文的重点，主要包括三部分内容： 一维多孔介质内预混燃烧的模拟、考虑湍流的多孔介质内预混燃烧的模拟和二 维多孔介质内预混燃烧的模拟。 采用一维稳态层流反应流模型对多孔介质内的预混燃烧进行数值模拟是本 文最主要的内容。模型考虑气固之间的对流换热和气相的弥散效应，采用详细 的化学反应机理和双通量辐射传递方程。由于一维稳态层流火焰面的求解是一 个特征值问题，文中还对该问题的数值求解方法进行了研究，通过对初值、迭 代方法和网格等的优化，数值计算的稳定性和收敛性大大增强。 本文首先分析不同化学反应机理和弥散效应模型对计算结果的影响。研究 表明，在当量比较小时，一步反应机理与详细机理的计算结果基本一致；在当 量比较大时，使用一步反应机理会产生较大的误差，需要使用详细的反应机理， 其中g r i3 0 精度最高，g r i2 1 1 和g r j1 2 次之，p e t e r s 最差；在当量比较大 时，弥散效应对多孔介质内燃烧影响很大，考虑弥散效应可以大大改善计算的 结果。 本文还对单层和双层多孔介质燃烧器内的火焰结构、火焰传播及驻定机理、 污染物排放、辐射输出效率等问题进行研究。结果表明，相比于自由流中的预 混燃烧，多孔介质内燃烧可以实现超绝热火焰温度、拓宽贫燃极限、提高层流 火焰传播速度、减少污染物的排放；单层多孔介质燃烧器不利于火焰驻定在多 孔介质内，双层多孔介质燃烧器易于把火焰驻定在交界面附近，可以防止回火 和吹脱。 当气流速度较大时，层流模型的计算值与实验值有较大的差距。需要考虑 湍流的影响。本文推导了多孔介质内燃烧的一维湍流模型，并进行了数值计算。 结果表明，用湍流模型计算的火焰传播速度、n o 和c o 的排放量比层流模型 更接近实验值，说明考虑湍流效应可以改善数值计算的结果。但是n o 的计算 值与实验值仍有较大差别，需要考虑更精确的模型。 中文擅娶 为了考虑由壁面粘性和散热引起的火焰面结构的多维效应，并对前面模拟 中的一维假设进行检验，使用二维层流反应流模型对多孔介质内的预混燃烧迸 行模拟。结果表明，多孔介质内的边界层很薄，且厚度一定，流动和燃烧可以 近似为一维情形，多孔介质内主流区的火焰结构与使用一维模型的计算结果相 似。 通过实验对多孔介质内的预混燃烧火焰进行观察和测量。实验使用丙烷 空气预混气，多孔介质材料选为氧化铝泡沫陶瓷。实验得到的结论验证了前面 的计算结果。 关键词：多孔介质；多孔介质燃烧器； 数值模拟；弥散效应；化学反应机 理：超绝热火焰温度；贫燃极限；辐射输出效率；污染物排放；火焰的传 播及驻定 n 中冒料学技术大学俘尘学位论文 a b s t r a c t t h es t u d yo ft h ec o m b u s t i o ni np o r o u sm e d i ah a sb e c o m e 锄i n t e r n a t i o n a lh o t s p o t b e c a u s ec o m b u s t i o ni np o r o u sm e d i ah a st h ev i r t u e so ft h eh i 曲c o m b u s t i o ne f f i c i e n c ya n d t h el o we m i s s i o n s t h ep r e m i x e dc o m b u s t i o ni np o r o u sm e d i aw a ss t u d i e de x p e n m e n t 1 l y a n dn u m e r i c a l l yi nt h i sp a p e r t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h em a i nt a s ko f t h ep a p e r , i n c l u d e s t h r e ep a r t s ：o n e - d i m e n s i o n a ll a m i n a rp r e m i x o dc o m b u s t i o nm o d e l i n g , o n e - d i m e n s i o u a l t u r b u l e n tc o m b u s t i o nm o d e l i n ga n dt w o - d i m e n s i o n a lc o m b u s t i o nm o d e l i n g t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ec o m b u s t i o ni np o r o u sm e d i au s i n go n e - d i m e n s i o n s t e a d yl a m i n a rr e a c t i n gm o d e lw a si n t e n s i v e l ys t u d i e dw i t ht h ei n t e r p h a s ec o n v e c t i v eh e a t c h a n g ea n dd i s p e r s i o ne f f e c t s ，t h ed e t a i l e dm e c h a n i s ma n dt w o - f l u xr a d i a t i v eu a n s f e r e q u a t i o n t h en u m e r i c a lm e t h o dw a sa l s oc a r e f u l l ys t u d i e dt os o l v et h es t e a d yp r o m i x e x l f l a m ep r o p a g a t i o nw i t he i g e n v a l u e t h es t a b i l i t ya n dc o n v e r g e n c ea s t r e n g t h e n e db y o p t i m i z i n gt h ei n i t i a lv a l u e ，t h ei t e m t i v em e t h o da n dt h en u m e r i c a lg i r d t h ei n f h e n e eo fd i f f e r e n tc h e m i s t r yr e a o t i o nm e c h a n i s m sa n dd i s p e r s i o ne f f e c t sw a s n u m e r i c a l l ya n a l y z e df i r s t l y t h er e s u l t ss h o w t h a to n e - s t e pm e c h a n i s mh a st l l es a m er e s u l t w i mt h ed e t a i l e dm e c h a n i s mw i ms m a l le q u i v a l e n c er a t i o , a n dt h ed e t a i l e dm e c h a n i s m s h o u l db ei n c l u d e dw i t hl a r g ee q u i v a l e n c er a t i o f o u rd e t a i l e dm e c h a n i s m s ，g r i3 0 ，g r i 2 1 1 g r i i 2a n d p e t e r s , w e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w t h a t g r i3 0 m e c h a n i s m i s t h e b e s t , a n dp e t e r sm e c h a n i s mi st h ew o r s t t h ei n f l u e n c eo ft h ed i s p e r s i o ne f f e c t si sl a r g ew i t h r e l a t i v e l yl a r g ee q u i v a l e n c er a t i o ，a n dt h ec o m p u t a t i o n a lr e s u l tc a nb eg r e a t l yi m p r o v e di f t h ed i s p e r s i o ne f f e c t sa r ec o n s i d e r e d t h ef l a m es t r u c t u r e ，t h ef l a m ep r o p a g a t i o na n ds t a b i l i t y , t h ee m i s s i o n sa n dt h er a d i a t i v e o u t p u te f f i c i e n c yi nao n e q a y e ra n dat w o - l a y e rp o r o u sp o r o u sb u r n e r 、 伽a l s os t u d i e d t h e c o m b u s t i o ni nap o r o u sb u r n e rh a sm o r es p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha ss u p e r a d i a b a t i c f l a m e s ，b r o a d e rl e a nf l a m m a b i l k i e s ，h i g h e rf l a m ep r o p a g a t i o ns p e e d , e ta 1 c o m p a r e dt ot h e c o m b u s t i o ni naf r e es p a c eb u r n e r t h ef l a n 忙i se a s i l ys t a b i l i z e db e t w e e nt h et w ol a y e r si na t w o - l a y e rp o r o u sb u r n e rt oo v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so f t h ef l a s h b a c ka n db l o wu pi na o n e - l a y e rp o r o u sb u m o r 1 1 1 英文捕饕 n 把t u r b u l e n tm o d e ls h o - l db et o k e ni n t oa c c o u n ts i n c et h el a m i n a rm e t h o dw a sn o t s u i t a b l ef o rh i g h e rg a sv e l o c i t yi nb u r n e r t h eo n e - d i m e n s i o n a lt u r b u l e n tm o d e lw a s d e v e l o p e da n dn u m e r i c a l l ys t u d i e di np o r o u sb u r n e r t h ef l a m ep r o p a g a t i o ns p e e da n dt h e e m i s s i o n so f n oa n dc 0w i t ht h et u r b u l e n tm o d e lmb c t t c rt h a nt h a tw i t hi a m i n a rm e t h o d i ts h o u l db en o t e dt h a tar n o l ta c c u r a t em o d e lj sn e e d e dt oh a v eb 附酣p r e d i c t e dn o e m i s s i o n 1 1 t w o - d i m e n s i o n a lc o m b u s t i o ns i m u l a t i o ni np o r o u sb u r n e rw a sp e r f o r m e dt ot a k e i n t o a c c o u n t t h ee f f e c t s o f t b e v i s c o s i t y a n d t h e h e a t l o s s f r o m t h e w a l l ，w h i c h w a s a l s o u s e d 幻v a l i d a t et h ea s s u m p t i o n si nt h eo n e - d i m e n s i o n a lm o d e l t h ef l o wa n df l a m ei s a p p r o x i m a t e l yo n e - d i m e n s i o n a li np o r o u sm e d i ad u et ot h ev e r yt h i nb o u n d a r yl a y e ri l l2 - d s i m u l a t i t h ec 3 t h a i fp r e m i x e df l a m e si nt h ea k 哂p o r o u sc e r a m i cf o a mw e t eo b s e r v e da n d m e a s u r e d t h ec o n c l u s i o n sb yc o m p u t a t i o na r ew e l la g r e e dt ot h a tb ye x p e r i m e n t k e yw o r d s ：p o r o u sm e d i a ；p o r o u sb u r n e r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；d i s p e r s i o ne f f e c t ； c h e m i s t r y r e a c t i o nm e c h a n i s m ； s u p e r a d i a b a t i ct e m p e r a t u r e ；l e a nf l a m m a b i l i t y ； r a d i a t i v eo u t p u te f f i c i e n c y ；e m i s s i o no u t p u t ；f l a m ep r o p a g a t i o na n ds t a b i l i t y l v 中国科学技术大学学位学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版，允许论文被查阅或借阅，可以将学位论文编入有 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。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 垫玺经 矽殍厂月尹日 中重料攀技术大掌俘士攀住伦文 第一章绪论 1 1 多孔介质内燃烧的研究背景 近年来，随着中国经济的迅猛发展，能源问题越来越成为人们关注的重点。 为了节约能源和减少环境污染，许多新的燃烧技术不断涌现，其中多孔介质燃 烧技术有着优越的特性和广泛的应用前景。 多孔介质燃烧技术是种新颖独特的燃烧方式，它具有燃烧效率高、污染 物排放低的优点，同时，兼有燃烧器体积小、结构紧凑、负荷调节范围广、燃 烧稳定等优点，能广泛地应用于家用采暖系统、动力设备、汽车预热系统和各 种各样的民用和工业生产过程中【1 2 l 。 对气体燃料多孔介质燃烧器的研究，不仅能缓解气体燃料燃烧领域污染物 排放严重的问题，而且能配合“西气东输”工程，加大天然气在沿海地区的利 用力度，加速天然气的民用化，具有学术上和工程上的双重价值和意义。 多孔介质内燃烧是一种无需换热器和能源辅助外设的高效回热燃烧技术。 与气体相比，多孔介质固体构架具有大热容量、强蓄热能力、良好的导热和辐 射能力等特点，在多孔介质燃烧系统中，多孔介质通过固体导热和固体辐射等 热输运方式很好地将反应区及以后区域的大量热量迁移到反应区前来，完成对 未燃预混气的高效预热。图1 1 为燃烧系统的热输运循环图。 多孔介质内气体燃烧也称为气体过滤燃烧，其分类方法比较多，若按照多 孔介质固体构架在燃烧反应中所充当角色可分为三种：l ，在燃烧过程中充当燃 料，而气体只提供氧化剂，如煤颗粒燃烧过程或者香烟的焖燃过程等；2 ，完全 惰性，不参与燃烧反应，气体为燃料与氧化剂的混合物；3 ，对燃烧过程有催化 作用，以催化剂的形式介入到燃烧反应中。本文所研究的是惰性多孑l 介质内气 体的预混燃烧，按气体和火焰的运动特性也可分为三种：l ，静态的气体过滤燃 烧，气体和多孔介质固体构架在燃烧过程固定不动；2 ，驻定的气体过滤燃烧， 气体以一定速度流入固定的多孔介质中，而稳定燃烧后火焰可以驻定在多孔介 质内的某一位置；3 ，非驻定的气体过滤燃烧，气体以一定速度流入固定的多孔 介质中，但稳定燃烧后火焰以一定的速度在多孔介质内移动。 第一章 缯伦 图1 1 多孔介质内预混燃烧系统的热输运循环图 在多孔介质内组织气体预混燃烧，气固之间有着很强的相互作用，与传统 的在自由空间中的燃烧相比，燃烧过程中化学反应和热输运之间的耦合更加强 烈，火焰传播特性受燃烧波与固体构架相互作用的影响很大。多孔介质内流场 结构及热输运过程有以下几个特点：l ，气固间的比接触面积很大，燃气与多孔 介质之间有强烈的换熟作用，多孔介质材料的热容量也大，可以降低温度，部 分缓解了微小尺度下燃烧热损严重的现象；2 ，多孔介质内流道结构复杂多变， 燃气流经多孔介质会产生一定的弥散效应和旋涡结构，大大加强了气相的扩散 和传熟；3 ，固体构架的导热和辐射特性优良，反应区的高强度热量能较快地传 递给上游和下游的固体构架；4 ，多孔介质内单元流道的孔径很小，有效地限制 了传统火焰的回火和吹熄现象；5 ，固体构架的热容量很大，燃烧系统的热惯性 很大，固体构架的强蓄热能力能有效地缓冲热负荷和过量空气系数的变化对燃 烧过程稳定性的影响。多孔介质内这种特殊的流动与传热特性导致了多孔介质 内气体预混燃烧有以下几个显著的特点：1 ，拓宽了燃烧极限，提高了燃烧速率； 2 ，易实现超绝热火焰温度燃烧( s a c ) 【3 】和高燃烧效率；3 ，温度分布均匀，污染 物排放低；4 ，提高了燃烧的安全性和稳定性；5 ，容易实现燃烧特性及功率特 性的调整，并拓宽了功率调节范围。 多孔介质所用材料主要有金属丝网，氧化物陶瓷，碳化硅陶瓷以及一些复 合材料，其中氧化铝的泡沫介质、纤维结构介质以及颗粒球是多孔介质最常用 的优质材料【4 】。多孔介质内燃烧有着广阔的应用前景【”，比如鼓风炉，辐射燃 烧器，焖燃，高温合成，催化燃烧，燃气轮机、内燃机以及微尺度燃烧。驻定 燃烧主要用在辐射燃烧器p p d ；j , 以及表面燃烧换热器，在辐射燃烧器中，若多孔 中圈料掌技术大攀博士学位论文 介质与环境热交换强烈，可大大降低燃烧温度并降低污染物排放；对于非驻定 的低速气体过滤燃烧( 燃烧波波速位于0 1 m m s 量级) ，燃烧波的传播方向影响 气固相间热输运的总体方向性，若燃烧波沿流向传播，未燃气进入反应区前接 受大量来自固体构架的预热，容易实现s a c n ，若燃烧波逆流向传播，系统预 热效果较差，导致亚绝热火焰温度燃烧嘲。非驻定燃烧主要应用在挥发性污染 物排放控制、废气以及低热值燃料的燃烧【刀，以及富燃火焰中的燃料重整 8 1 。 1 2 多孔介质内不同燃烧方式的研究状况概述 惰性多孔介质内气体预混燃烧的相关研究很多，下面分别对多孔介质内静 态的、驻定的和非驻定的气体过滤燃烧方面有特色的研究进行简述。 1 2 1 静态的气体过滤燃烧 静态的气体过滤燃烧是一种无气体流动的各向同性预混燃烧，对应的多孔 介质的孔隙率较高，燃烧系统的压力较高。在无多孔介质的封闭腔体内的静态 气体预混燃烧中，当燃气在系统一端点火时，燃烧波( 火焰面) 会以一定的速 度向另一端传播，b a k i n 等1 9 】引入高孔隙率多孔介质，并在相同工作条件下( 当 量比和压力等) 开展燃烧实验，实验表明，引入多孔介质会极大地提高静态燃 烧系统的火焰传播速率，他们按火焰面移动速度( 燃烧波波速) 的大小对燃烧 区域进行了分类：低速燃烧区( l v r ) ，0 - 1 0 。4 m s ；高速燃烧区( h v r ) ，0 1 1 0 m s ： 声速区( s v r ) ，1 0 0 - 3 0 0 m s 低速爆燃区( l d v ) ，5 0 0 - 1 0 0 0n 以；爆燃区o i d ) ， 1 5 0 0 - 2 0 0 0 m s 。 r o z l o w s k i i 1 0 1 在1 9 8 0 年对多孔介质内火焰的淬熄现象进行了研究，提出了 临界贝克列数( 尸) 的概念，对多孔介质内是否淬熄提出一个经验性判据： 豫= 嘭a = 6 5 ( 1 1 ) 式中& 为层流火焰传播速率，d 为有效孔径，c ，、p 、五分别为可燃气的定压 比热、密度和导热系数。即当孔径小到一定程度时，p e 0 处，其中砧，为燃烧速率，x ，为火焰位置。 e c h i g o 和y o s i z a w a 研究组 2 s - 3 1 】利用多层不锈钢网构建低孔隙率、低光学厚 度的多孔介质燃烧器，并获得很高的火焰速率和很高的燃烧温度，但没有进行 污染物排放的测量：采用一步化学反应机理，忽略散射效应，用能量平衡的方 法证明了辐射输运的重要性。s a t h e 研究组p 2 剥使用实验和维计算相结合的方 法对氧化铝和锂铝硅酸盐泡沫多孔介质内的贫燃烧过程进行了研究，发现火焰 速率高于自由火焰，而当火焰位于多孔介质中央截面时，燃烧速率与辐射输出 中囡料掌技术大学博士学位论文 达到最大；火焰可以在上游一半处或者出口附近很狭窄区域内稳定。他们还得 出气固相之间对流换热系数的取值的不准确大大影响了模拟精度，而辐射的散 射效应对燃烧过程的模拟也很重要。m i n 等f 3 6 1 也对多孔介质内气体预混燃烧的 稳定流率范围进行了实验研究，发现在除去壁面附近的大部分区域内，火焰呈 现良好的一维特性 k u l k a r i 等 3 7 3 8 在s a t h e 模型的基础上，改善了边界条件，引入多步化学反 应机理( 1 7 组分5 8 反应) 和非均匀的材料物性参数，对一层和双层多孔介质辐射 燃烧器内气体预混燃烧过程迸行了数值模拟，并开展辐射参数的敏感性分析， 总结出采用双层多孔介质结构可以改善辐射燃烧器的辐射性能，而上游一层多 孔介质应具备以下特征：较大的散热反照率，较小的孔隙率，较短长度和较大 的消光系数。 p r o t h e r o 小组等人 3 9 1 使用简化活化能的解析理论方法对发生在金属纤维多 孔介质末端的表面火焰进行了分析，考虑了气固相之间强的对流换热，以及固 体多孔介质对环境强的辐射散热，近似地得n t 多孔介质末端火焰的吹熄和回 火极限，并考虑了对流换热系数，固体导热系数等对火焰稳定性的影响。 r u m m i n g e r 等 4 0 - 4 h 对双层多孔介质内燃烧过程开展了实验和数值研究。采 用一维稳态模型，引入详细的化学反应和n o x 生成机理( o r l 2 1 1 ) ，考虑固体 导热、气体导热和气固的相间换热，固体辐射用详细辐射模型求解。研究表明， 计算模型会高估燃烧器出口温度。m i t a l 等 4 2 - 4 3 1 对多孔介质内亚绝热燃烧工况进 行了实验和数值研究，重点分析了燃烧器的辐射效率，稳定的燃气流率范围。 火焰驻定特性和最高火焰温度。研究表明，数值结果与实验结果吻合较好，在 亚绝热燃烧工况下，多孔介质内火焰传播速率要低于自由层流火焰传播速率。 b o u m a 等 4 4 1 对贫燃条件下稳定在泡沫陶瓷多孔介质表面上的甲烷火焰进 行了实验和数值研究。实验测量了c o ，n o 等污染物随热负载的变化，计算中 固体辐射使用有效导热系数近似，并且考虑了高温区的气体辐射。结果表明气 体辐射对精确预测反应区后的c o 含量有重要影响，而在考虑辐射的条件下， 热和快速反应机理均对精确预测反应中n o 污染物的产生有重要作用。 v i s k a n t a 等【4 习针对堇青石和氧化铝的泡沫状多孔介质的热物性参数以及多 孔介质内流动的气固相间的体积换热系数等热输运参数进行了测量，并总结出 经验关系式；他们还在2 0 0 0 年对多孔介质辐射燃烧器的实验和数值工作进行了 总结i 帕】，着重分析了火焰在多孔介质内部驻定时辐射燃烧器的工作性能，并对 第一奢 舅r 论 气固相间体积换热系数和固体导热系数进行了敏感性分析。d i a m a n t i s 等【4 7 1 在 2 0 0 2 年针对多孔介质内表面驻定和内部驻定的两种气体预混燃烧方式，提出了 一套相对完备的一维稳态层流燃烧模型，模型考虑了气体，固体导热，气固的 相间对流换热，固体辐射，组分扩散以及详细的n o x 生成机理( g r l 2 1 1 ) 。数 值分析了多孔介质燃烧器在两种不同燃烧方式下的火焰结构，火焰传播速率， 辐射效率以及污染物排放情况，结果与实验值符合的较好。通过对不同反应简 化机理下的结果分析，文中还指出多孔介质燃烧器中的化学反应与自由流中的 化学反应有相同的时间尺度，所有适用于自由流的燃烧反应简化机理也同样适 用于多孔介质燃烧器中。 c h r i s t o 等 t i r o l 对双层轴对称多孔介质燃烧器内的甲烷空气的极度贫燃工况 开展了大量了实验研究和维稳态的数值研究。燃烧器使用氧化铝材料，内径 1 5 4 r a m ，外径1 9 4 r a m ，高6 0 0 r a m ，用孔隙率较低的燧土堆积结构作为第一层 多孔介质，用氧化铝球积结构作为第二层多孔介质，通过调整当量比和燃烧功 率的方法使火焰控制在第二层多孔介质中，成功实现了甲烷体积浓度为0 1 的 甲烷窆气的极度贫燃。相应的数值研究采用一维稳态的层流模型，忽略弥散效 应，固体辐射使用双通量模型。 h u a n g 等 4 9 1 对多层不锈钢金属丝网结构内丙烷空气的预混燃烧进行了大 量实验研究，着重考虑了不同预热条件和工作参数对燃烧特性的影响，研究表 明预热条件对燃烧的点火极限影响很大；实验还发现系统稳定燃烧后有三种燃 烧模式一一火焰驻定燃烧，火焰沿流向传播的非驻定燃烧以及低温无火焰燃烧， 而稳定燃烧模式主要取决于燃烧的工作条件，比如当量比和燃气流率等。 t s e n g 等【5 0 j 采用一维定常层流模型对均匀多孔介质内的甲烷空气燃烧进行 了数值模拟，并对燃气中添加氢气的燃烧工况进行了分析，忽略弥散效应，固 体辐射采用详细辐射模型计算，使用o r l 2 1 1 机理。分析结果表明，在多孔介 质内可以实现当量比为0 3 3 的甲烷空气贫燃，而添加氢气后，可以将贫燃极 限拓宽至0 2 6 ；多孔介质内火焰厚度小于自由火焰，而添加氢气后。火焰进一 步变薄：多孔介质内燃烧的n o x 略高于自由火焰。 s a h r m u i 等1 5 1 】指出，当火焰厚度与多孔介质的有效孔径位于同一量级时， 一维体积平均模型无法描述孔内的火焰结构。为了细致准确地描述多孔介质内 燃烧的火焰结构与壁面热损效应。发展相应的二维计算模型已经引起众多学者 的广泛关注 中豳科学笈术大学博士掌位论文 s a h r a o u i 等1 5 l 】利用规则的多孔结构排列的假定，发展了一套二维数值模型， 并将计算结果与一维体积平均模型进行了对比。研究表明，与二维模型相比， 一维体积平均模型虽然能够较好地描述火焰厚度、燃烧速率以及超绝热火焰温 度等较宏观的参数，但无法描述孔内的火焰结构，也无法捕捉孔内的局部超高 温燃烧现象。h a e k e r t 等1 5 2 - 5 3 1 为了验证s a h r a o u i 的工作，开展了实验研究，并在 二维计算模型中增加孔结构内面和面之间的辐射项，使用一步化学反应机理计 算了单孔和多孔组内的燃烧状态，但没有考虑弥散效应。实验发现了二维的火 焰结构，而温度场的计算结果在火焰后区域与实验结果吻合较好，在火焰区两 者差异较大。 f u 等1 5 4 - 5 s l 采用二维计算模型对轴对称多孔介质辐射燃烧器内燃烧过程进 行了数值模拟，他们以规则的圆柱形管柬来近似燃烧器内的多孔介质结构，考 虑了壁面的辐射热损，采用一步化学反应机理，不考虑弥散效应。研究表明， 反应区的温度比较均匀，在当量比为0 9 的工况下实现亚绝热火焰温度燃烧， 燃烧速率低于自由层流燃烧速率。 b r e n n e r 等【5 6 】对双层多孔介质内甲烷，空气燃烧开展了实验研究和二维稳态 的数值研究。实验表明，火焰驻定在双层多孔介质的交界面处；数值模型中假 定气固相处于当地热平衡，用一个总有效导热系数来考虑气、固导热，气、固 辐射以及气体弥散效应，计算结果与实验结果吻合较好。m a l i c o 等1 5 7 - 5 s 1 则采用 二维稳态的双相模型对双层多孔介质内甲烷空气燃烧进行了数值模拟，并对多 孔介质的辐射特性参数开展了敏感性分析，使用一步化学反应机理，不考虑弥 散效应。计算结果表明，火焰最高温度和辐射通量随着散射反照率的增大而提 高，而火焰最高温度随着消光系数的增大而下降。 l a m m e r s 掣5 9 1 使用数值方法对泡沫陶瓷多孔介质内燃烧器内火焰的回火 及吹熄曲线进行了求解，结果表明出i ：1 的环境辐射温度对火焰在多孔介质末端 的稳定有重要影响，如果出口环境温度太高，在一定流量范围内，火焰将不会 稳定在多孔介质末端，而会向内部移动，产生回火。 德克萨斯大学奥斯汀分校就泡沫多孔介质内气体预混燃烧开展了大量有意 义的实验和数值研究。h o w e l l 研究组最早开展了这方面的研究( c l a e n 等f 6 钉， e v a n s 等【6 2 l ，c h a f f i n 等【6 3 删，h s u 等t 6 5 缶8 1 ) ，使用氧化铝和部分稳定的氧化锆( p s z ) 等泡沫多孔介质，这些多孔介质都具有高孔隙率( 0 8 5 以上) 和大的气固交界 面面积等特性。e v a n s 等测量了双层多孔介质燃烧器的火焰传播速率与贫燃极 第一窜塘 e 限，但没有测量污染物排放，第层多孔介质的孔密度为6 5 p p i ( 每英寸孔数) ， 第二层多孔介质的孔密度为1 0 p p i 。c h a f f l n 等对同样结构的多孔介质燃烧器开 展了污染物排放的实验研究。他们指出，火焰吹熄是由于系统回热不够所造成； 在一定当量比下实现稳定燃烧后，轴向温度分布随燃气流率的变化基本不变； 在单层多孔介质燃烧器的稳定火焰后添加一层多孔介质，不会影响火焰前以及 火焰区的温度分布，只会影响火焰后的温度分布；n o 的排放量随燃烧器长度 的增大而增大，且双层多孔介质燃烧器的n o x 排放要低于单层多孔介质燃烧 器。h s u 等对双层多孔介质内的燃烧过程进行了实验和数值研究，两层多孔介 质的长度均为5 i c m ，第一层采用孔密度为6 5 p p i 的p s z ，第二层分别采用 1 0 p p f 3 0 p p i 4 5 p p i 的f s z ，并对稳定燃烧的燃气流率范围进行了实验研究，研 究表明第二层为1 0 p p i 的双层多孔介质燃烧器的稳定流率范围最宽。h s u 等采 用一维双相稳态模型，考虑气、固导热和详细的固体辐射模型，分别采用一步 和详细的化学反应机理进行了数值研究，研究表明，在极度贫燃工况下，两种 反应机理对温度场的计算结果影响不大，但在当量比接近1 的燃烧工况下，有 必要弓f 入详细化学反应机理。h o w e l l 等嗍在1 9 9 6 年对多孔介质内预混燃烧的 实验，数值和材料方面的研究进行了综述，实验方面包括单层和双层的多孔介 质内气体燃料和液体燃料的燃烧；数值方面包括了一维和二维的模型研究，着 重讨论了模型假定和边界条件；材料方面主要集中于多孔介质的热物性和热输 运参数的定量描述。 m a t t h e w s 研究组 7 0 - 7 2 】针对h o w e l l 研究组的实验开展了一维稳态双相的数 值研究，考虑了气固相同的变对流换热系数、低温反应机理、快速n o x 生成机 理以及湍流效应等对计算结果的影响，假定多孔介质内的湍流是因固体构架的 曲折流道所造成的小尺度湍流，认为涡结构的运动受限于多孔介质的小孔结构， 湍流模型仅采用大扩散系数的方法进行修正，最后将结果与层流结果进行比较， 计算结果显示考虑低温反应机理和快速生成n o x 机理后，改善了对富燃工况下 污染物排放以及温度场的预测，而考虑了湍流效应后，模型可以改善对火焰传 播速率等参数的预测。 e l l z e y 研究组也对多孔介质内气体预混燃烧开展了很多实验研究以及一维 和二维的数值模拟研究( k h a n n a 等 7 3 7 4 j ，h a c k e r t 等 5 2 , 7 5 1 ，h e n n e k e 等 7 6 - 7 7 1 ，m a t h i s 等【7 s 】，b a r r a 等 7 9 - 8 1 1 ，s m u c k e r 等【9 2 j ，v o g e l 等8 刃) 。k h a n n a 等针对双层多孔介 质内甲烷，空气预混燃烧。测量了n o x 和c o 的排放、辐射输出以及出口处的 中冒料掌技术大学博士掌位论文 温度考虑到h s u 的一维层流稳态模型大大低估了火焰传播速率，h e n n c k c 和 b a r m 等考虑到固体构架的曲折通道对火焰输运的加强作用而引入弥散效应项， 并采用修正后的一维层流模型对相同的燃烧过程进行了数值模拟，大大改善了 对火焰传播速率和污染物排放等的预测。m a t h i s 等采用了y z a 和z t m 两种多 孔介质材料，对稳定燃烧功率范围及污染物排放进行了测试，实验表明，与p s z 双层多孔介质燃烧器相比，采用y z a 和z t m 材料有效地拓宽了稳定燃烧功率 范围，并降低了n o x 的排放，而用y z a 材料制作的多孔介质有更好的火焰稳 定性和更宽的稳定燃烧功率范围。s m u c k e r 针对m a t h i s 的y z a 多孔介质内燃 烧实验开展了一维瞬态的层流模拟，考虑了弥散效应，采用g r l 3 0 的燃烧机理 对污染物排放进行了数值研究。v o g e l 等对双层多孔介质燃烧器的超绝热火焰 温度燃烧和亚绝热火焰温度燃烧进行了大量的实验研究，研究表明，在当量比 低于o 7 时，两种燃烧模式都能发生，而火焰都驻定在双层多孔介质的交界面 附近；而当当量比高于o 7 时，只能发生亚绝热火焰温度燃烧。 国内的很多学者近年来也对双层、渐变型以及往复式多孔介质燃烧器内的 气体预混燃烧开展了一定的实验和数值研究瞰4 0 1 】。 1 2 3 非驻定的气体过滤燃烧 b a b k i n 等在1 9 8 2 年最早开展了这方面的研究，他们发现非驻定的气体过 滤燃烧不同于静态的气体过滤燃烧，火焰传播的临界贝克列数要小于6 5 l l 叫， 即眠= 墨出。，以 6 5 ，他们还对碳化硅颗粒堆积床内h 2 a i r 的过滤燃烧进 行了实验研究和初步的理论分析，提出燃烧波波速是燃气流率、当量比以及燃 烧器直径的函数。若可燃气在堆积床下游点火，给定当量比下，燃烧波逆流向 前传播，随可燃气流率的增加，逆流向前传播的燃烧波波速增加，并达到一个 峰值，在这以后，可燃气流率再增加，波速则会下降至零，并改为沿流向传播。 b a b k i n 等【1 0 3 1 用一维双温度模型对燃烧波逆流向前传播的过滤燃烧过程进行了 理论分析，假定物性参数为常数，沿流向将研究区域划分为预热区，释热区和 冷却区，结合边界条件理论预测出充分发展后的燃烧波波速为： 致s ( 1 + 盯) = q ( 1 9 ) 式中。为孔内气流平均速度，盯= ( 1 曲q n 占气b 是固体与气体热容量之比， 现为系统的热波波速。他们还总结出燃烧波的传播方向取决于燃气当量比、燃 气流率和点火温度，而燃烧波波速与系统的热输运特性有关。p o t y t n y a k o v 等”州 摹一簟 塘i e 于1 9 8 5 年发现当燃烧波沿流向传播时，可以实现超绝热火焰温度燃烧( s a c ) ， 点火位置位于堆积床下游；当燃烧器的直径小于1 5 m m 时燃烧器的外部热损很 大，不能再被忽略，气固温度沿径向下降很多，而当燃烧器的直径大于1 5 m m 时，沿径向的气固温度分布与燃烧器直径关系不大。需要指出的是，以上研究 均针对充分发展后的燃烧状态，并没有专门研究点火阶段的瞬态效应。 k o e s t e r 等【雌1 吲对惰性氧化铝球堆积床内非驻定的气体过滤燃烧开展了大 量实验研究，点火位置位于堆积床上游，在燃烧波沿流向传播时实现s a c ，并 成功组织了当量比低于o 2 的甲烷空气的极度贫燃。他们还提出了简化的一维 瞬态反应流模型，对输运项和燃烧系统的特征尺度进行了因次分析，分析表明， 气固相间对流换热项是主项，而气体输运和环境热损项可以忽略。值得注意的 是，他们在考虑相间对流换热的前提下完成了双温度模型向单温度模型的推导， 即修正了传统意义上的单温度模型，并基于此模型对非驻定气体过滤燃烧的诸 多瞬态特性进行了理论研究。 z h d a n o k 等p l 也对堆积床内非驻定过滤燃烧进行了一维准稳态的理论分析， 作常热物性假定，忽略气相输运，固体内的辐射用扩散模型的有效导热方式计 入分析得出无热损燃烧过程的火焰最高温度r ，： q = 而a 函r o ( 1 1 。) 式中a 瓦为绝热火焰温度。不难看出在燃烧波沿流向传播时( 嚷 o ) ，可实现超 绝热火焰温度燃烧；而燃烧波逆流向传播时( 吐 0 ) ，对应亚绝热火焰温度燃烧。 他们还基于无限大的气固相间对流换热假定，利用单温度模型求出充分发展后 的燃烧波波速与点火温度、环境热损、系统输运参数等之间的显性关系式： ”= ( 射一箭 m 式中甜= 皱哆为无量纲燃烧波速，a t , - - 7 , 一瓦，霉为固体点火温度，t o 为环境 温度，廊l 和c 。分别为可燃气流率和定压比热，点为固体的总有效导热系数，只， 为无量纲的热损系数。 f u t k o 延续z h d a n o k 的工作，采用双温度模型与单温度模型的特征值方法 得出充分发展后的温度场，并与双温度模型的数值模拟结果进行了比较l i ”j 。 p u t l 等还考虑了甲烷，空气在高温区的逆反应对反应区温升的影响。对理论分 中冒料学技术大掌俘士攀位论文 析模型进行了改善 1 0 s - l o o ，改善后的理论模型能较好地预测火焰结构。 k e n n e d y 研究组f l l 叫1 4 1 也对堆积床内非驻定气体过滤燃烧进行了理论分析， 结合反应区的能量平衡，对有热损的单温度模型进行了直接求解，得出充分发 展后的燃烧波波速，形式与z h d a n o k 等的理论预测式( 1 1 1 ) 一致。他们还对氧化 铝堆积床中甲烷，空气的非驻定燃烧过程开展了大量的实验和数值研究，当量比 在0 1 到2 之间。实验表明，在当量比位于0 4 5 到1 6 时，对应亚绝热火焰温 度燃烧，在当量比低于0 4 5 或高于1 7 时可以实现s a c 。他们通过将坐标系建 立在移动的燃烧波上，对充分发展后的过滤燃烧状态进行了准稳态数值模拟， 采用详细化学反应机理( o r l 3 o ) ，对火焰结构和污染物排放进行了细致的研究， 数值结果与实验结果较为吻合，虽然燃烧温度的预计在极度贫燃工况下不太准 确，但燃烧波波速的预示值与实验值吻合较好；计算结果还表明g 1 u 3 0 机理较 好地描述了超贫燃和富燃燃烧工况下的污染物排放。 1 3多孔介质内燃烧数值模拟工作概述 1 3 1 材料物性的研究 数值计算和分析显示材料物性对多孔介质内的火焰特性有重要影响，所以 对不同材料多孔介质物性参数的确定是决定数值模拟准确性的一个重要因素。 许多学者在这方面做了很多研究。h s u 和h o w e l l ( 1 1 卯，m i t a l 等】，f u 等1 切， y o u n i s 和v i s k a n t a 等【4 5 1 都实验研究了多孔介质材料的物性。在数值模拟中，固 体多孔介质最重要的物性参数包括辐射消光系数，反照率，孔径，气固之间的 体积对流换热系数和有效热传导等。一般来说，辐射消光系数与温度、压力、 材料、光波的波长等参数有关。反照率是散射系数与消光系数的比值，表示多 孔介质内光线的散射强弱。 h s u 和h o w e l l 1 1 5 】测量了网状结构、部分稳定氧化锆( p s z ) 多孔介质的热 传导和辐射消光系数。多孔介质孔径范围为3 9 p p c 2 5 6 p p c ( 每厘米孔数) ， 实验发现，多孔介质有效热传导系数随孔径的增大而减小，近似有如下