一种高效多孔介质燃烧器模型建立及其燃烧数值模拟

摘要

在当下，我国的能源利用现状存在着不容忽视的问题：效率低下、环境污染、产能过剩、浪费严重…并且，大量工业开发的低品位能源未被有效利用。如低浓度瓦斯，在常规燃烧设备上难以被安全有效使用，直接排入大气又会造成环境污染和能源浪费。节能减排，实现能源的高效合理利用，达到经济增长和环境保护的“双赢”，是关系我国长远发展的重要战略问题。因此，许多有利于环境保护和节约能源的新燃烧技术应运而生，其中具有优越特性的多孔介质燃烧技术应用前景十分光明。
　　多孔介质材料具有蓄热能力强、导热和辐射性能优良、抑制爆燃等诸多优点，在多孔介质燃烧系统中，热输运方式主要是通过固体导热和固体辐射传热，以此将燃烧反应发生区域的大量热量输送到反应区前，使未燃气体得到预热，因此和传统的燃烧器相比，多孔介质燃烧器可以使气体燃料燃烧更加充分，提高燃烧效率，扩展贫燃极限，体积分数极低(低于35％)的可燃气体可以在多孔介质燃烧器内燃烧，并且污染物排放量较低。近些年来国内外燃烧和工程热物理界的专家学者予以多孔介质燃烧技术高度关注。
　　本文首先对比优选燃烧模拟软件，选择 FLUENT软件作为多孔介质燃烧器模拟软件；基于瓦斯燃烧基本规律分析甲烷/空气预混气体在多孔介质内燃烧的机制，结合多孔介质燃烧器应用现状、国内外多孔介质燃烧实验和数值模拟现状，本着加强燃烧器对预混气体燃料的预热作用、使燃烧更成分的目的，对目前工业应用和研究采用的两段式多孔介质燃烧器进行了结构上的改进；对比在不同当量比和入口流速下新燃烧器和改进前的燃烧器的燃烧性能，开展贫燃料燃烧模拟，关注火焰面运移规律，并考察了新燃烧器中主要污染物 NOx的排放情况；同时还借助数值模拟考查了多孔介质材料一些物性参数的改变对燃烧效果的影响。研究得到，改进后的新燃烧器可以实现燃烧温度更高、节约燃料、贫燃瓦斯气体利用率提高的目的。合理选择搭配多孔介质材料，也可以进一步提高燃烧效率。本研究为多孔介质燃烧装置的工业开发与应用提供了新的思路与方向。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 多孔介质中的燃烧技术发展

1.3 本文的研究目标

1.4 本文的研究内容

1.5 本文的研究方法和技术路线

第二章 多孔介质内的瓦斯燃烧理论分析

2.1 燃烧生成焓及反应焓

2.2 多孔介质燃烧器内瓦斯燃烧反应机理

2.3 本章小结

第三章 新型多孔介质燃烧器设计与数值计算方法

3.1 常用燃烧模拟软件的比较

3.2 FLUENT软件简介及模拟燃烧问题的优势

3.3 数学物理模型和数值方法

3.4 本章小结

第四章 多孔介质内预混燃烧计算结果及分析

4.1 甲烷/空气两段—双层式预混燃烧与普通两段式预混燃烧

4.2 新燃烧器中不同当量比下的 NOX排放特性

4.3 本章小结

第五章 多孔介质部分物性参数的影响

5.1 多孔介质辐射衰减系数对燃烧效果的影响

5.2 多孔介质导热系数对燃烧效果的影响

5.3 多孔介质孔径大小对燃烧效果的影响

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 本文创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

附录 A: 攻读学位期间的学术成果目录