（工程热物理专业论文）往复流动下预混合气体在多孔介质中超绝热燃烧的数值模拟.pdf

摘要 多孔介质内的往复流动超绝热燃烧技术可以拓宽燃料可燃极限，实现超低热值预混 合气的稳定燃烧，并可显著降低尾气中n o ；和e o 的排放，因而是一项很有发展潜力的先 进燃烧技术。本文对这项技术进行了数值研究。 本文认为多孔介质和气体之间处于局部热平衡状态，化学反应在一步内完成，气体 为透明介质，多孔介质为吸收发射性的灰介质；在此基础上，文章分别进行了一维和二 维数值计算，并系统地研究了各种参数对燃烧的影响。在一维和二维模型中，分别使用 了r o s s e l a n d 模型和离散坐标法来计算辐射传输。一维计算中，模拟了燃烧器中各物理 量在一个半周期内的变化，以及半周期、当量比、流速、熟损失、多孑乙介质的衰减系数、 比热和孔隙率，以及燃烧器长度对燃烧的影响。计算的结果基本与实验的趋势相符；燃 烧器内的温度分布基本呈梯形状；半周期对燃烧器的最高温度没有明显的影响，但是半 周期越大，燃烧器的出口温度也越大；大的当量比或是流速条件下，最高温度和出口温 度都明显升高，高温区域变宽；热损失对最高温度的影响不大，但是高温区域的宽度会 随着热损失的加大不断减小；衰减系数增大，最高温度将升高，高温区域也会变宽；较 大的比热容条件下，高温区域将变宽，同时出口温度下降；较小的孔隙率下高温区域将 变宽，但最高温度基本不变；燃烧器长度的改变对燃烧的影响不大。利用二维模型，得 到了与一维模型相类似的温度场和温度变化趋势；探讨了多孔介质中空气段，绝热层厚度 以及燃烧器半径对燃烧的影响。当燃烧在多孔介质中发生时，空气段对燃烧器的影响很 小；但是，当空气段中发生燃烧时，将会在此处产生较高的温度；燃烧器半径对燃烧的 影响很小。本文的模拟计算结果表明，对于细长的隔热较好的燃烧器，一维模型可以给 出较满意的预测结果；但是为了精确模拟气体与多孑l 介质问的换热有必要采用双温度模 型。 。 关键词：往复流动：超绝热燃烧；多孔介质；可燃极限；数值模拟 a b s tr a c t 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 n p o r o u sm e d i a ( r s c p ) i s aa d v a n c e d t e c h n i q u ew i t hg r e a tp o t e n t i a lb yw h i c hf l a m m a b i l i t yl i m i t s o ff u e l sc a nb es i g n i f i c a n t l y e x t e n d e da n d p r e m i x e dg a s e sw i t he x t r e m e l yl o w h e a tc o n t e n tc a nc o m b u s t s t e a d i l yw h i l et h e e m i s s i o no fn o xa n dc oc a nb er e d u c e dg r e a t l y t h i st h e s i sp r e s e n t san u m e r i c a ls t u d yo n r s c p t os i m p l i f ys i m u l a t i o n s ，a s s u m p t i o n sa r ep u tu pa sf o l l o w s ：t h ep o m u sm e s aa n dt h e w o r k i n gg a sa r ei nl o c a lt h e r m o d y n a m i ce q u i l i b r i u m ；t h ec o m b u s t i o nc h e m i s t r yi ss i m u l a t e d b yag l o b u lr e a c t i o n ；t h ew o r k i n gg a si so p t i c a l l yt r a n s p a r e n ta n dn o n r a d i a t i v e ；p o r o u sm e d i a a r ea b s o r b i n ga n de m i r i n gg r a ym e d i a n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sc a r r i e do u tw i t hb o t h1 - da n d 2 一dm o d e l s e f f e c t so fv a r i o u s o p e r a t i n gp a r a m e t e r s0 n c o m b u s t i o na r ed e t a i l e d l ys t u d i e d t h e r 0 s s e l a n dm e t h o di sc h o s e nt os i m u l a t er a d i a t i o nt r a n s f e ri nt h e1 - da n a l y s i s ，w h i l et h e d i s c r e t eo r d i n a t em e t h o di nt h e2 - ds i m u l a t i o n b a s e do n1 - dm o d e l ，t r a n s i e n tp r o f i l e so f t e m p e r a t u r e ，s p e c i e sm a s sf r a c t i o na n d r e a c t i o nr a t ed u r i n go n eh a l fc y c l ea r ec a l c u l a t e d ，a n d i n f l u e n c e so fh a l f c y c l e ，e q u i v a l e n c er a t i o ，i n l e tv e l o c i t y , h e a tl o s s ，a sw e l l a sp o r o u sm e d i a s p r o p e r t i e ss u c ha se 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 tc a p a c i t ya n dp o r o s i t y , a n dt h el e n g t ho f c o m b u s t o ro nt h ec o m b u s t i o na r es t u d i e d t h er e s u l t sa r eq u a l i t a t i v e l yc o n s i s t e n tw i t h e x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h ec o n f i g u r a t i o no ft e m p e r a t u r ep r o f i l ei st r a p e z i f o r m s h a p e d ；t h eh a l f c y c l eh a sl i t t l ei n f l u e n c eo nt h ep e a k o ft e m p e r a t u r e ，b u tw h e nt h eh a l fc y c l eb e c o m e l o n g e r , t h eo u t l e t t e m p e r a t u r ew i l lb e c o m eh i 班e r ；b o t hl a r g e re q u i v a l e n c er a t i o a n df a s t e ri n l e t v e l o c i t yo fg a s e sc a nc a u s eh i g h e rt e m p e r a t u r ep e a ka n d o u t l e tt e m p e r a t u r ea n dw i d e rh i 班 t e m p e r a t u r ez o n e ；i n f l u e n c eo f h e a tl o s so nt h ep e a ko ft e m p e r a t u r ei sl i t t l e ，b u tw i t ht h eh e a t l o s sb e c o m i n g g r e a t e r a n d g r e a t e r , t h ez o n e o fl a j 曲t e m p e r a t u r ew i l lb es h o r t e ra n d s h o r t e r ；t h e p e a ko ft e m p e r a t u r ei sh i g h e rw i t ht h eg r e a t e rs p e c i f i ch e a tc a p a c i t yo fp o r o u sm e d i aw h i l e o u t l e tt e m p e r a t u r ei sl o w e r ；w i mt h el e s sp o r o s i t y , t h ez o n eo fh i 曲t e m p e r a t u r ei se x t e n d e d a n dt h e p e a k o f t e m p e r a t u r ea l m o s tk e e p sc h a n g e l e s s ；t h el e n g t h o fc o m b u s t o rh a sl i t t l ee f f e c t s o nc o m b u s t i o n p r o f i l e so ft e m p e r a t u r ea te a c ht i m es t e pd u r i n go n eh a l fc y c l eo ft h e2 - d m o d e la r es i m i l a rw i t ht h o s eo f1 - dm o d e l w i t h2 dm o d e l ，c o m b u s t i o ni nc o m b u s t o r sw i t h a n dw i t h o u ta i rg a pa n dt h ei n f l u e n c eo f 也et h i c k n e s so fi n s u l a t i o na n dr a d i u so fc o m b u s t o r a r ea n a l y z e d i ti sf o u n dt h a tw h e nc o m b u s t i o nh a p p e ni np o r o u sm e d i a ，t h ea i rg a ph a sl i t t l e e f f e c to nc o m b u s t i o n , b u th i g h e rt e m p e r a t u r ew i l lc o m eo u ti na i rg a pw i t hc o m b u s t i o n h a p p e n i n gi n t h e g a p t h e r a d i u sh a si n s i g n i f i c a n te f f e c to nc o m b u s t i o n t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o ni n d i c a t et h a tc o m b u s t i o ni ns l e n d e rc o m b u s t o r sc a nb e p r e d i c t e ds a t i s f a c t o r i l yw i t h 1 - dm o d e l ；b u tt oa c c u r a t e l yp r e d i c th e a te x c h a n g eb e t w e e nw o r k i n gg a sa n dp o r o u sm e d i a ， s e p a r a t ee n e r g ye q u a t i o n sf o r t h es o l i da n d t h eg a sa r en e e d e d k e yw o r d s ：s u p e r a d f a l m m a b ii i t y ii m i t ： a b a t i c c o m b u s t i o n ：f e e i p r o c a t i n gf i o w ；p o r o u s m e d i a n u m e r i c a fs i m u l a t j o n 英文符号 p 尺 r e 吃 以 z ，打 d i ，； k 啦 q e a h 瓦 k f f s & t m e 主要符号表 压力 气体通用常数 温度 气体比内能 固体焓 气体焓 i 组分的质量分数 混合气的质量通量 组分的质量扩散系数 i 组分的扩散通量 气固综合导热系数 固体的比热容 气体的比热容 燃气低热值 环境温度 衰减系数 光子平均自由程 7 辐射强度 射线在介质中穿行的实际距离 导热系数 辐射导热系数 组分i 的摩尔分子质量 i 组分的摩尔浓度 腊文符号 多孔介质的孔隙率 动力粘度 多孔介质渗透率 i 组分的生成率 热损失系数 热损失所占进口热值的百分比 i 组分的化学计量系数 斯蒂芬一波尔兹曼常数 希s 肛口 q 卢吁 坼 盯 往复流动下预混合气体在多孔介质中超绝热燃烧的数值模拟 1 1 课题提出的时代背景 第一章绪论 二十世纪是人类历史上发展最为迅速的一个时代。科学技术突飞猛进的发展使社会 生产和人类生活都发生了翻天覆地的变化物质财富空前增加，人类生活水平和几个 世纪前相比，发生了质的飞跃。但是，这些巨大的变化同时也造就了两个世界性的问题 能源危机与环境污染。 据统计，自1 9 7 9 年以来，为了满足人类的日常消耗，全世界已烧掉的石油比到那一 年为止人类整个烧油史中烧掉的石油还多。目前全球每天消耗石油量已达7 1 0 0 万桶，几 乎每年增加2 o 。以这个数字计算，到2 0 1 0 年，全世界将消耗掉从经济到技术上都容 易开采的全部石油的一半。据估计，在2 0 5 0 年到来之前，世界经济的发展将越来越多地 依赖煤炭。其后在2 2 5 0 到2 5 0 0 年之间，煤炭也将消耗殆尽，矿物燃料供应枯竭。 相比较世界主要工业国的能源形势，我国的能源形势更加令人担忧! 我国储量居世界前三位的矿产虽然达几十种之多，然而我国人均能源可采储量远低 于世界平均水平。2 0 0 0 年人均石油开采储量、人均天然气可采储量、人均煤炭可采储量 分别为世界平均值的1 1 1 、4 3 和5 5 4 。 与此同时，我国能源消费量巨大，已成为世界第二大能源消费国一我国已迈入重工 业时期，对能源和资源的需求大增，快速发展的机械、汽车、钢铁都是单位增加值能耗 很高的行业。从长远看，一个异常严峻的问题摆在了加快发展中的中国面前：未来，谁 来供应中国的能源? 与发达国家相比，中国等发展中国家遇到的严重问题还不止这些。由于化石燃料一 般都是先通过燃烧来转化为热量再资利用，所以大量消耗化石燃料还引发了另一个重要 的社会问题燃烧排放所造成的环境污染。 传统的燃烧技术大都存在着这样的缺点：燃烧效率低，且污染物排放严重。英国、 美国等发达国家在其发展过程中都曾经历过严重的环境污染。近几十年来，由于发达国 家燃烧技术的改进以及大量重工业企业向发展中国家的迁移，环境状况才逐渐改善。 而我国现在正处于迅速推进工业化和城市化的发展阶段，对自然资源的开发强度不 断加大，加之粗放型的经济增长方式，技术水平和管理水平比较落后，能源利用水平非 常低。从能源利用效率来看，我国8 个主要高耗能行业的单位产品能耗平均比世界先进 水平高4 7 ，而这8 个行业的能源消费占工业部i i i 源消费总量的7 3 。大量的可利用 成分被当作废物直接排放到了环境中，不仅浪费了能源，也污染了环境。 面对可能即将到来的能源危机和环境危机，世界各国都采取了积极的措施。从目前 各国的能源政策来看，采取的措施主要有两个：第一种措施就是调整能源消费结构，降 低煤炭等一次性熊源在能源消费结构中的比例，提高核能、风能等清洁可再生能源的比 例；第二种措施就是采取节能的手段，努力提高现有能源生产设备的效率，同时努力降 低环境污染带来的严重危害本文所研究的预混合气体在多孔介质内的超绝热燃烧技 第一章绪论 一j 一 往复流动下预混合气体在多孔介质中超绝热燃烧的数值模拟 术正是在这种时代背景下提出来的。 1 2 预混合气体在多孔介质内的超绝热燃烧 1 2 1 预混合气体在多孔介质内的超绝热燃烧的概述 在工业生产中产生的可燃废气，一般含可燃成分浓度都比较低，通常采用添加助燃 燃料和外加能量的方法来使其燃烧，其应用也因此而受到限制；若直接排放到大气中， 不仅造成环境污染，其能量也不能回收，因而寻求贫燃料( 超低热值可燃气体) 自维持 燃烧的方法一直为人们所关注。 图1 1 多孔介质燃烧器中的反馈效应 f i g 1 ih e a tr e c i r c u l a t i o ni nt h ep o r o u sm e d i ac o m b u s t o r w e i n b e r g 在上个世纪七十年代首先提出了利用预混合火焰来预热未反应物的思 想这实际上是一个由反应产物向未反应物传递热量( 即所谓的热反馈效应，图1 1 ) 的过程。由于这部分热量的预热，理论上存在着产生超绝热燃烧温度，即比绝热燃烧温 度还要高的温度的可能性。 通常意义上的多孔介质，包括泡沫状的陶瓷，铁丝网等等。这些材料( 陶瓷、铁等) 有着较好的导热性能，其热辐射的发射能力和吸收能力也比空气的强。多孔介质的这种 特点，就使得上述热反馈作用可以在多孔介质燃烧器中很好地实现。在加装多孔介质的 燃烧器内，预混合气体燃烧放出的热量除了使当地多孔介质温度升高和被尾气带走，还 有相当一部分通过多孔介质的导热和辐射反馈到反应区域的上游预热未反应物，形成热 反馈。 近几十年来的研究表明，多孔介质内的燃烧，由于这种热反馈作用的存在，可以实 现低熟值气体的自维持燃烧；和普通燃烧器相比，它有着高效率、超低排放的显著特点“ ”；其原因可以定性她分析如下： 燃气与空气预先充分混合，在过剩空气很少的情况下也可以达到完全燃烧； 由于辐射和导热作用，多孔介质的高温部分( 燃烧区域) 对低温的前部( 发生反 应的上游区域) 加热，从而达到对未反应的燃气混合物的预热作用，加快了燃烧速度： 实验研究表明多孔介质中预混合燃烧排放的n 0 ；量非常低，一般小于百分之一。 n o ；排放低的原因可从其生成机理分析。在燃烧反应中，生成n o 。的首要条件是高温。当 第一章绪论 一一 往复流动下预混合气体在多孔介质中超绝熟燃烧的数值模拟 温度低于1 5 0 0 时，n 0 ) c 的生成量非常小；只有在温度高于1 5 0 0 时，n o x 的生成反应才 变得明显。而低热值可燃气体混合物在多孔介质中的燃烧，多孔介质表面温度多低于 1 5 0 0 ；同时，由于多孔介质的存在，燃烧速率和稳定火焰相应的流速大大提高，反应 物在燃烧管内的时间大大缩短，而n0 】【的生成相对其它产物需要更长的时间，这也抑制 了n 0 x 的生成；因此，n 魄的生成量很低。另外，在一定条件下，c o 的排放也可以达到较 为理想的水准。 总的来说，多孔介质内的超绝热燃烧技术是一种合乎时代需要的新技术，具有非常 诱人的使用前景。这项技术的应用一定程度上可以缓解目前人类所面临的能源和环境问 题。因而，这项技术也就成为近几十年来国内外学者研究的一个热点。 1 2 2 国内外多孔介质内超绝热燃烧研究的进展 自上个世纪7 0 年代w e i n b e r g 提出超绝热燃烧的概念以来，世界上的学者对多孔介 质内的超绝热燃烧进行了详尽的研究。 h a r d e s y 和w e i n b e r g n l 首先在理论上阐明了热反馈过程还可以扩展着火极限。他们 还从实验上证明了存在着超绝热燃烧温度存在，并分析因为稀薄混合物可以燃烧，c 0 排 放量将大大降低，而且反应器整体温度较低也将抑制n 仉的生成。 t a k e o ，s a t o 等人又改进了超绝热燃烧的思想。他们认为，当燃烧区中插入导热 的多孔介质时，才能产生超绝热燃烧。反应区通过传导向未燃物提供热量；而辐射热传 递则未加考虑。 按照他们的这种模型，加强热传递效率，比如说嵌入一块有着高的热传导性的多孔 介质，火焰将向上游运动，最大温度将降低，而且反应区将变宽。他们还预言了火焰在 一定的流速范围内将是稳定的。当流速增加时反应区将向下游运动，这样未反应物将被 推进到更高温度的多孔介质处而受到加热，于是，着火速度加快，火焰向上游运动。而 流速的降低也通过相反的效果维持了稳定燃烧。随着质量流率的增加，反应区变得越来 越窄，火焰向下游运动，最高温度增加。 按照上述的这些基本思想，各国学者开展了广泛的实验和数值研究。 1 2 2 1 多孔介质内燃烧的实验研究 k u l k a r n i 等人“1 对泡沫多孔介质内的甲烷和空气预混合燃烧的排放进行了实验研 究。预混合气体在多孔介质的下游被点燃。他们在多孔介质的下游获得了稳定的火焰。 实验中，通过对大量不同的工况迸行了测量( 当量比由0 7 - 1 2 ，燃料流量由 2 5 0 6 5 0 k w m 2 ) ，他们发现随着当量比的增加n o ，的排放量也会随之上升。而且，当量比 增加时，c o 的排放量也会大大增加。 x i o n gn 1 使用天然气和空气的混合物对多孔介质作了超低排放的研究。燃烧器由绝 热介质所包裹。实验发现，由于火焰位置的变化，改变当量比几乎不会改变燃烧温度： 但是当输入的热值改变时，燃烧温度将发生变化。当量比恒定时，多孔介质内火焰的位 置基本与燃料热值无关。n o , 的排放与燃料热值也基本无关，但是当量比的变化却对它有 显著影响。 k h a n n a “1 等人则对多孔介质中甲烷和空气的预混合燃烧的排放进行了研究。实验中， 第一章绪论 一3 一 往复流动下预混合气体在多孔介质中超绝热燃烧的数值模拟 燃烧器绝热良好。结果表明c o 和n 0 x 的排放量随着当量比的增加而增加。然而，当量比 一定时，火焰速度和燃料流量的改变对n 0 x 的排放无甚影响。在实验的整个范围内，n 嘎 的排放都低于3 6 p p m 。 ， s a t h e 等”1 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时，放热量和辐射输出量增大；原因是向上游入口处的热损 失减少而放热速率增大；当火焰位于多孔介质中间位置，无量纲光学厚度大概在1 0 时， 辐射输出量最大；如果燃烧器添装的多孔介质具有低散射系数、低导热率、气相和固相 之间有着较大的对流换热系数，就能产生出较高的辐射输出。另外，混合气体的燃烧速 度受多孔介质光学厚度和反射率的影响非常大。 p f h s u 等“1 认为泡沫多孔介质的衰减系数一般在1 0 0 1 0 0 0 m - 1 之间，这种多孔介 质燃烧器的辐射对燃烧特性的影响相对于导热的影响要小。他们的研究表明：预混合气 体在多孔介质内的燃烧扩展了可燃极限；燃烧温度也高于相应的绝热火焰温度；混合气 体的当量比越低，超绝热效应越明显当量比在0 9 时，火焰温度高出绝热温度1 ， 当量比为0 5 时，则高出几乎l o 。而且，多孔介质的物性参数也对燃烧的特性有着较 大的影响。 h s u 等“1 还研究了两层多孔介质燃烧器的燃烧速率和火焰稳定性问题。他们的实验 炉由两种不同孔径的，长度为5 1 c m 的多孔介质块堆积而成。小孔径多孔介质作为预热 层，大孔径多孔介质作为火焰稳定层。实验中发现，当小孔径多孔介质的孔径远小于大 孔径多孔介质的孔径时，在一定的当量比条件下，火焰能够稳定在大孔径多孔介质区域 内。在各种情况下，两层多孔介质的燃烧器的可燃极限都低于相应的自由火焰燃烧极限， 而且在一定当量比条件下，稳定火焰燃烧速度的流速范围比自由火焰情况大的多。 二次空气量 图1 2 不同当量比时c 0 排放随二次空气量的变化“1 f i g 。1 2e m i s s i o no fc 0w h e nt h es e c o n d a r ya i rv o l u m e sa r ed i f f e r e n t ” 南京理工大学的吕兆华等“1 对从中间段燃烧管中上游段多孔泡沫陶瓷与下游段 多孔泡沫陶瓷之间的一段间隙结构，引入二次空气的多孔介质燃烧器的c o 和n a 排放浓 度进行了实验测试，较系统地研究了化学当量比、混合气流率和不同比率二次空气对天然 气空气燃烧排放的影响。结果表明，加入适当比率的二次空气，不仅能够在相当宽的流速 范围内使火焰很好地稳定在中间段，而且能得到低水平的c o 排放浓度，特别对较低当量 比效果更为明显( 如图l _ 2 所示) 。 第一章绪论 一4 往复流动下预混台气体在多孔介质中超绝热燃烧的数值模拟 1 2 2 2 多孔介质内燃烧的数值模拟 多孔介质内燃烧过程的模拟非常复杂，因为它需要耦合多孔介质内的能量传递和化 学动力学。固体和气体的能量方程有时需要分开写。热传导、热辐射以及与气流的对流 换热必须考虑在固相能量方程中。气体的能量方程则必须考虑与固相的对流换热及化学 源项。有时，还需考虑d u f o u r 和s o r e t 效应。 目前为止，人们发展了复杂程度不同的模型来预测火焰速度、温度场、组分场和燃 烧的辐射效率。 e c h i g o 和y o s h i z a w a 使用单步反应机制，并假设燃烧器分为上游无反应区( 故该 部分温度被认为是常数) 、燃烧区、出口区域( 气体在此不反应) 三部分，由此得出了气 体温度场。该结果得到了超绝热燃烧温度，即在某些区域，气体温度超过了绝热燃烧温 度。 c h e n 等人n 的模型采用了多步反应模型( 1 7 个组分，5 5 个反应) ，考虑了s o r e t 效应，忽略了热散失，并认为气固相温度不平衡，由此建立了气相和固相能量方程。但 所得结果却并未出现超绝热温度。原因是多步反应机制模型所得到的火焰前沿要比单步 反应机制宽的多。c h e n 等人还对多孔介质的传导性、体积传热系数、出口边界条件对温 度场和燃烧速度的影响做了研究。结果表明出口边界条件对二者的影响要显著得多。体 积传热系数则在一定范围内影响较大。热传导相对温度场的影响并不显著，但是，它对 燃烧速度的影响非常大，因为热传导性能降低，使未反应气体得到的热量减少许多。 s i n g h 等人“使用独立的气固能量方程模拟了燃烧行为。他们规定所有化学反应发 生在一段特定的区域内，所以该模型中没有涉及化学反应动力学。结果表明，向前的辐 射散失很小。 h s u “1 改进了c h e n 的模型，他引入了z e l d o v i c h 机制( 3 个反应，并多了两个组分) 来模拟n o 的排放，并采用实验得来的熟传导性的辐射熄灭系数( r a d i a t i v ee x t i n c t i o n c o e f f i c i e n t ) 。能量方程采用了独立的气固能量方程，并通过对流换热系数将这两个方 程耦合起来。结果表明，该模型在模拟最大燃烧速度、维持燃烧的最小当量比、燃烧速 度随颗粒直径和当量比( 特别是低当量比情况) 变化的趋势，c o ，c o ：，n 0 的排放上和实 验取得良好的一致性。 m a r e ，m i h a l i k 等学者1 对燃料和空气的预混合物在多孔介质中燃烧时的可燃极限 进行了实验和数值研究，并分析了可燃极限和多孔介质材料性质间的关系。数值模型中 使用了单步模型来计算化学反应。计算结果最终与实验结果取得了定性上的一致；两者 都表明多孔介质的形状对可燃极限的影响要远远大于它的物理属性对可燃极限的影响。 吕兆华和孙思诚7 1 提出一种预估多孔介质中预混火焰燃烧速率的方法。在气固两相 能量方程合一模型的基础上，用光学厚极限条件下的扩散近似法简化其中的热辐射项， 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取得了较好的一 致性。 荷兰能源研究中心率先开发研制了泡沫陶瓷表面炉1 。中心建立了表面火焰燃烧辐 射的数学模型，模拟了表面燃烧器的火焰温度，表面温度，燃烧产物中的n o 含量，多孔 第一章绪论 一5 一 往复流动下预混合气体在多孔介质中超绝热燃烧的数值模拟 介质材料对燃烧过程和c o 、n 0 排放的影响。结果显示，在接近燃烧器的进出口处，温度 分布很陡；n o 主要在后火焰区域形成；n o 的含量在近火焰区斜率很大，而在后火焰区域 基本保持不变；空气含量越大，n o 的排放含量也越大：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；燃烧过程是在多孔介质内部开始的：气 体辐射对火焰温度影响很小，但对下游的n 0 、c o 含量影响较大。 杜礼明和解茂昭“1 根据气固两相局部非热平衡假设，建立了混合气在惰性多孔介质 中预混合燃烧的一维数学模型，研究了不同情况下甲烷一空气的预混合气在多孔介质中燃 烧时的温度分布和燃烧速率，并与自由空间中相应的值进行比较。结果表明( 见图1 3 ( a ) 和1 3 ( b ) ) ，多孔介质的存在可以扩展混合气的燃烧极限，强化对新鲜混合气的 预热，降低热量损失；在多孔介质中混合气的燃烧温度和燃烧室的温度明显升高，反应 区厚度和燃烧速率显著增大。 颦 图1 3 ( a ) 预混合气在多孔介质燃烧时的质量分布和燃 料质量分数分布“1 f i g 1 3 ( a ) d i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r e m a s s f r a c t i o no ft h ep r e m i x e dg a s e si nc o m b u s t i o ni n i n e r tp o r o u sm e d i a 【9 如 8 0 7 0 即 量器 j 3 0 2 0 1 0 1 2 3 超绝热燃烧新进展往复流动超绝热燃烧技术，以及本文的工作 1 2 3 1 往复流动超绝热燃烧技术及其研究进展 常规多孔介质燃烧器能扩大混合气浓度的可燃极限，但其降低贫限的程度是很有限 的。1 9 9 0 年，瑞典的a d t e c 公司在其商业报告中称，他们可以利用多孔介质往复流动的 超绝热燃烧技术燃烧汽车喷漆室里面排放的废气“”。 所谓多孔介质往复流动的超绝热燃烧技术，就是将混合气流过多孔介质的方向实行 周期性交替改变，即以往复流动方式分别从多孔介质的两端流入，实现周期性循环燃烧； 如图1 4 所示。多孔介质往复流动的超绝热燃烧技术与普通多孔介质燃烧技术最大的不 同在于它不仅利用了多孔介质的热反馈作用，而且通过来流气体的不断往复，不断吸收 上个半周期下游多孔介质储存的尾气热量；燃烧气体的预热效果大大改善，从而大大拓 第一章绪论 往复流动下预混合气体在多孔介质中超绝热燃烧的数值模拟 展了超低熟值气体的可燃极限。 正方向 - p 来反应物吸收多孔介质储熟( 正方向) 多孔介质吸收烟气热置( 反方向) 1 反方向 图1 4 多孔介质内往复流动超绝热燃烧 f i g 1 4s u p e r a d i a b a t i cc o m b u s t i o ni nr e c i p r o c a t i n gf l o wi np o r o u sm e d i a h o f f m a n n 。r e c h i g o ，h 等“”用三种光学厚度不同的多孔介质材料做燃烧室，进行 了多孔介质往复流动燃烧的实验研究。结果表明，相同孔隙率下，孔径越小贫燃极限越 低；在实验中，他们得到了当量比为0 0 2 6 的可燃极限。实验所得到的温度场在轴向上 呈梯形状。入口流速和当量比对温度分步起决定性的影响。增加当量比和流速，高温区 域将变宽，废气温度升高。另外，n 0 。排放水平非常低，c 0 排放量也远低于常规多孔介 质燃烧器。 h a n a m u r a 等“2 1 也建立了一维数值模型对多孔介质超绝热燃烧作了分析研究。他们 设定燃烧器中气体速度为一定值，反应机制为单步反应机制，组分的物理属性也为常数， 在此基础上建立了往复流动燃烧一维数值模型。研究表明这种燃烧方式下的火焰温度比 自由空间中的普通火焰理论值高出1 3 倍，而所用可燃气的低热值约为6 5 k j m 3 ，相当于 理论燃烧温升仅为5 0 k 。 f a b i a n o 等“3 1 对此一维模型又作了改进。计算中，他们引入了热损失，考虑了多孔 介质中的换热器的作用，并设定了气体属性随温度的变化而变化( 多孔介质的属性认为 g 瑚 t 1 k 】 1 5 0 s j 艟叠懿 _ j 髫秒一i 盯嚣。 、 l l ；i ， j 、| # ，：磬z 、漤：? - 7 置 ! 甄：童； 0 1 矿 - 1 扩 薯 薹 鼍 l 重 盖 s o口10丑0，3a 4q 5 i t l o nf m 】 图1 5 当量比对温度分布的影响1 f i g 1 _ 4e f f e c t so fe q u i v a l e n c er a t i oo ft h ew o r k i n gg a so nt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n “3 】 是常数) 。由此，他们得出了热损失、反应器长度、来流速度和当量比对温度分步的影响 第一章鳍论 一7 0 a 0 0 d 口 往复流动下预混合气体在多孔介质中超绝热燃烧的数值模拟 ( 如图1 5 所示) 。 泰国学者s u m r e r n gj u g j a i 和a m o r ns o m j e r t c h a r o e n “”对多孔介质往复流动的超 绝热燃烧技术作了实验研究和数值模拟。实验主要测定了一个周期内温度波动、轴向上 的湿度分步以及当量比对温度的影响。没有考虑化学反应且假定物性为常数，他们利 用一维数值模型讨论了火焰位置( 给定火焰厚度、放热率) 对温度场，净辐射热量的影 响；往复周期对最大温度，净辐射热流量( 不同r e 数下) 的影响；多孔介质光学厚度对 最大气体温度，净辐射热流量的影响；r e 数和平衡率对净辐射热流量的影响。实验和计 算的结果都表明，相同条件下多孔介质往复流动的超绝热燃烧器较普通的多孔介质燃烧 器有着更高的燃烧温度。 邓洋波等“钉对多孔介质内往复流动预混合超绝热燃烧的燃烧特性进行了实验研究。 对各种工况参数( 燃料空气当量比、气体流速、循环半周期) 下多孔介质内轴向温度分 布进行了系统的测量。实验结果表明，较之常规的自由火焰燃烧器，多孑l 介质往复流动预 混合超绝热燃烧具有增强火焰稳定性、拓宽燃料可燃极限等优点( 如图1 6 所示) 。对丙 烷一丁烷混合气，其贫可燃极限可扩展到当置比0 0 6 5 。在实验基础上，文章探讨了多 孔介质内预混合超绝热燃烧实现超绝热燃烧的机理，总结了有关工况参数对其燃烧特性 影响的规律。 图1 6 不同半周期下的贫可燃极限“” f i g 1 61 e a nc o m b u s t i b l el i m ea ts o m eh a l fc y c l e s 邓洋波等“们还对多孔介质内预混合超绝热燃烧的排放特性进行了实验研究。他们对 多孔介质内预混合气体单向流动和往复流动两种情况下燃烧的n o 、c 0 排放浓度进行了测 试，并系统地研究了预混合气体的当量比、流速、往复半周期对往复流动燃烧排放特性 的影响。结果表明，相对于单向流动，往复流动有更好的燃烧排放效果。往复流动燃烧 半周期内c o 平均排放浓度明显受当量比、流速、往复半周期的影响；而n 0 平均排放浓 度可达很低水平，通常保持在l o p p m 以下。 杜礼明等“对多孔介质内往复流动超绝热燃烧进行了数值模拟，其模型类似于 h a n a m u r a “2 1 的模型，所不同的是，他在计算辐射时采用了有限容积法。重点考察了多孔 介质的几何结构特征参数、热物性参数、各工况参数对系统中的温度分布，辐射热流量、 最高温升、辐射效率、燃烧速度、燃烧效率和可燃极限等的影响；研究了同一工况下往 复流动超绝热燃烧与常规多孔介质燃烧技术的燃烧性能，结果表明往复流动超绝热燃烧 技术的各个燃烧性能指标都优于常规多孔介质燃烧技术。 第一章绪论 - r 一 mm渤m瑚|薹蝴 0 9峰e萨驴0 0 o 0 g 往复流动下预混合气体在多孔介质中超绝热燃烧的数值模拟 以上学者的研究结果都表明利用多孔介质往复流动燃烧技术可实现极稀薄预混合气 的燃烧，还可以大大降低污染物的排放，而且，在很大的流速变化范围内，通过往复流 动，燃烧仍可保证稳定。多孔介质往复流动燃烧技术是当前时代背景下，一个非常诱人 的研究课题。 1 2 3 2 研究的缺陷以及本文的工作 由于多孔介质往复流动燃烧技术的研究还很短暂，目前这方面的数值模拟研究还很 少，其理论上还存在许多不足之处： ( d 数值模拟中对化学反应进行模拟时都作了很大假设( 单步反应机制) ，因而未能深 入揭示多孔介质往复流动燃烧机理，也不能做出准确的定量分析和预测。 以前的文献报道中，混合气体在多孔介质内流动和燃烧过程中的流速都被假定为 不变，从进口到出口流速恒为一常数。但是在实际的燃烧过程中，由于燃烧所放出的热 量与反应物的生成，流速是不断变化的，流速的变化反过来又会影响温度场的分步及整 个反应器内的反应等等。 对辐射模拟都比较简单，大都采用了r o s s e l a n d 法来计算辐射。 反应混合物在反应前温度升高有利于扩展其燃烧极限，而其温度的升高量则取决 于它与多孔介质交换的热量，多孔介质的蓄热能力与自身的物性参数的影响。但文献中 几乎没有相关的报道。 反应物和多孔介质的物性大都假定为常数，而实际上，许多属性都随着温度有较 大的变化。 对燃烧器的模拟局限于一维假设。 本文借助于通用商业计算流体力学软件包f l u e n t 并结合了自己编制的c 语言程序模 拟了多孔介质内的往复流动燃烧；针对上述这些缺点，在研究中做了一些改进： 有专门的动量方程计算流速。 除了在一维模拟中使用了r o s s e l a n d 法来计算辐射，二维模拟时，采用了较为精 确的离散坐标法。 研究了多孔介质蓄热能力和辐射能力对燃烧的影响。 计算中涉及到的全部物性都随温度而变化。 文中尝试着模拟了二维情况下的燃烧器表现。 基于一些简化问题的假设，在加上以上这些方面的考虑，作者建立了多孔介质内超 绝热燃烧的数值模型，并对各中操作参数对燃烧的影响进行了研究。下面的几章将对这 些方面作详细的介绍。 第一章绪论 往复流动下预混合气体在多孔介质中超绝热燃烧的数值模拟 第二章数值模型 目前来说，多孔介质内往复流动技术的研究尚未成熟；在使用数值方法研究这项技 术时，学者们大都根据实际情况进行了大量的简化，建立了较为简单易解的模型。本节 综合一些前人的研究成果，根据本项目实验的具体情况，简化问题，建立了相应的数学 模型。以下就对实验的概况和数学模型建立的具体过程进行一下介绍。 2 1 实验概述 大连理工大学的邓洋波等人对多孔介质内往复流动超绝热燃烧进行了详细的实验研 究“5 “”。实验测定了不同的工况参数( 当量比、进口流速、半周期等) 对多孔介质内 往复流动燃烧的影响，并测得了相应工况下的污染物排放值。 多孔介质2 # 圈2 1 实验装置示意图 f i 9 2 1s c h e m a t i co fe x p e r i m e n t a ls e t u p 图2 2 泡沫多孔介质 f i g 2 2p o r o u sc e r a m i cf o a m 实验装置如图2 1 所示。燃烧室为圆柱型的石英玻璃管。管里装有两种泡沫多孔介 质( 多孔介质1 # 和多孔介质2 # ，材质为a l 。0 3 ，其孔隙率8 5 8 7 5 。，图2 2 ) 。 多孔介质1 # 和2 # 的孔隙率相同，但孔径不同，2 # 的孔径要小因为实验证明较小 的孔径可以阻碍火焰的传播，因而可以避免回火的发生。2 # 多孔介质非常短，每端不到 第二章数值模型 一1 0 往复流动下预混合气体在多孔介质中超绝热燃烧的数值模拟 i c m 。管中间有2 c m 长的空隙，这里设置了火花塞用以点燃混合气体。整个燃烧室的外边 都包裹了一层石棉，因而其绝热效果相当好( 热损失不超过l o ) 。在燃烧室的两端， 分别装有两个小型换热器来冷却尾气，以避免蒸汽电磁阀为高温所破坏。在实验管路上， 安有两组( 四个) 电磁阀。当l # 阀门组开启时，2 # 阀门组关闭；当2 # 阀门组开启时， 1 # 阀门组关闭：这样就实现了燃烧室内燃气的往复流动实验混合气为家用液化气和空 气( 后期改为甲烷和空气 。实验中设置了稳定的空气供给设备( 压气机和储气罐) 以获 得恒定的空气流。空气管路和燃料管路上都安装了控制流量设备借以控制混合气的当量 比和流量。另外，由于管路和阀门等的阻力消耗，至燃烧室时。混合气的压力已基本与 大气压同。实验中，通