天燃气在多孔陶瓷板辐射器中预混燃烧的数值模拟

摘要

多孔介质具有很大的比表面积、良好的蓄热和换热性能，可以在燃烧技术中发挥重要作用。与自由空间中的传统预混合燃烧相比，多孔介质中的预混合燃烧在降低污染性尾气排放、扩展可燃极限、提高热效率、缩小燃烧室体积、扩大热力设备功率调节范围、提高辐射热输出和节约能量等方面具有显著优越性。多孔陶瓷板是多孔介质的一种形式，是燃气红外线燃烧器的核心组件。本文通过理论分析和数值计算，对多孔陶瓷板进行了较为全面的研究，主要完成了如下几个方面的工作：
　　1.建立三维的稳态模型，利用FLUENT软件对多孔陶瓷板(取单孔)预混燃烧进行数值模拟，得到稳定燃烧后的温度场、浓度场分布和火焰的位置，得出火孔内天然气—空气预混燃烧的三个不同阶段(天然气—空气混合物预热阶段、燃烧阶段和烟气放热阶段)的特性，并进行了理论分析；讨论了多孔陶瓷板的着火过程，并对其回火特性进行了研究。
　　2.对不同工况下的天然气预混燃烧进行模拟，并分析了燃烧特性受热负荷、过剩空气系数、多孔陶瓷板开孔率和多孔陶瓷板导热系数的影响。
　　3.探讨了多孔陶瓷板天然气预混燃烧过程中氮氧化物的生成机理,建立了氮氧化物生成模型，在所得到的孔内混合气体温度场的基础上,运用数值计算方法计算了该燃烧过程中氮氧化物的生成量,得到氮氧化物排放量低的结论,并分析了排放量低的原因；同时模拟了不同工况下氮氧化物的排放特性，并分析了受热负荷、过剩空气系数、多孔陶瓷板开孔率和陶瓷板导热系数的影响。
　　4.采用模拟的结果计算了燃烧器的头部能量损失系数，并分析了热负荷、过剩空气系数、多孔陶瓷板开孔率和多孔陶瓷板导热系数对能量损失系数的影响。

目录

天燃气在多孔陶瓷板辐射器中预混燃烧的数值模拟

SIMULATIONS OF NATURAL GAS PREMIXED COMBUSTION IN PORTED CERAMIC PLAQUE RADIATOR

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 多孔介质燃烧技术

1.2.1 超绝热燃烧的概念

1.2.2 多孔介质燃烧技术的特点

1.2.3 多孔介质燃烧的应用前景

1.2.4 多孔介质的材料和种类

1.3 数值模拟在多孔介质燃烧研究的意义

1.4 国内外研究现状

1.5 FLUENT软件简介

1.5.1 FLUENT软件的模型

1.5.2 利用FLUENT软件的优势

1.6 本课题研究的内容

第2章 多孔陶瓷板预混燃烧的数值模拟模型

2.1 流动模型

2.2 传热模型

2.2.1 流体计算域的能量方程

2.2.2 固体计算域的能量方程

2.2.3 辐射传热模型

2.3 物质传输和反应模型

2.3.1 物质输运模型

2.3.2 物质反应模型

2.4 判断收敛的标准

2.5 本章小结

第3章 多孔陶瓷板预混燃烧的模拟结果与分析

3.1 多孔陶瓷板红外线燃烧器的着火过程

3.2 多孔陶瓷板的物理模型选择

3.3 网格划分和边界条件

3.3.1 网格划分

3.3.2 边界条件

3.4 多孔陶瓷板预混燃烧的模拟结果分析

3.4.1 计算模型与参数

3.4.2 模拟结果及分析

3.4.3 多孔陶瓷板红外线燃烧器回火机理的研究

3.5 本章小结

第4章 参数变化的结果影响分析

4.1 热负荷对燃烧特性的影响

4.2 过剩空气系数对燃烧特性的影响

4.3 多孔陶瓷板的开孔率对燃烧特性的影响

4.4 多孔陶瓷板的导热系数对燃烧特性的影响

4.5 本章小结

第5章 多孔陶瓷板氮氧化物的排放特性

5.1 火焰中NOx的形成

5.2 NO形成的数值模型

5.2.1 NO输运的控制方程

5.2.2 热力型NO反应速率

5.2.3 热力型NO对温度的敏感性

5.2.4 热力型NO和火焰的计算解耦

5.3 模拟结果及分析

5.3.1 热力型NO的模拟结果

5.3.2 氮氧化物排放量低的原因分析

5.4 参数变化的结果影响分析

5.4.1 热负荷对氮氧化物排放特性的影响

5.4.2 过剩空气系数对氮氧化物排放特性的影响

5.4.3 多孔陶瓷板的开孔率对氮氧化物排放特性的影响

5.4.4 多孔陶瓷板的导热系数对氮氧化物排放特性的影响

5.5 氮氧化物的排放标准

5.6 本章小结

第6章 燃烧器头部能量损失系数的确定

6.1 多孔陶瓷板红外线燃烧器头部能量损失系数的计算公式

6.2 多孔陶瓷板红外线燃烧器头部能量损失系数的确定

6.3 参数变化对头部能量损失系数的影响

6.3.1 热负荷对头部能量损失系数的影响

6.3.2 过剩空气系数对头部能量损失系数的影响

6.3.3 多孔陶瓷板的开孔率对头部能量损失系数的影响

6.3.4 多孔陶瓷板的导热系数对头部能量损失系数的影响

6.4 本章小结

结论

参考文献

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致谢