预混气体在多孔介质中燃烧的火焰面不稳定特性研究

摘要

在过去的十年里，预混气体在多孔介质中的燃烧问题得到了大量的关注，因为与自由空间的燃烧相比，预混气体在多孔介质中的燃烧具有燃烧效率高、贫燃极限低以及尾气排放量低等优点，是一项先进并具有广阔应用前景的燃烧技术。研究预混气体在多孔介质中燃烧的火焰面特性将有助于燃烧技术的发展，本文通过实验观测、理论分析和数值模拟研究预混气体在多孔介质中燃烧的火焰面不稳定特性。主要研究内容如下:
　　(1)实验研究。搭建预混气体在多孔介质中燃烧的实验台，包括燃烧器（石英玻璃管）、气体供给系统和测量系统等，对甲烷/空气的预混气体和氢气/空气的预混气体在多孔介质中燃烧的火焰面不稳定特性进行研究。通过设定不同工况参数，如不同气体当量比（燃料浓度）、不同气体入口流速，对火焰面的形状和发展进行了观测。结果表明，气体当量比（燃料浓度）和气体入口流速对火焰面的特性有很大的影响。
　　(2)理论分析。为研究多孔介质中火焰面出现倾斜演变的原因，建立二维双温模型，对预混气体在燃烧器内的流动、传热和燃烧进行模拟，分析火焰面的倾斜演变，并从温度场、气体流速场、压力场三个方面对火焰面出现倾斜演变的现象进行分析。结果表明:给定初始倾斜角的火焰面会持续发展，出现更严重的倾斜现象;温度场、气体流速场、动压场通过影响燃烧化学反应速率、气体流动方向、壁面散热等间接影响火焰面的倾斜演变，导致火焰面倾斜的持续发展。
　　(3)数值模拟。为了模拟甲烷/空气预混气体在多孔介质中燃烧的实验工况，建立具有初始火焰面倾斜角的二维双温模型。运用FLUENT来模拟预混气体燃烧、气体流动以及传热等。通过设定不同工况参数，如不同气体当量比、不同气体入口流速、不同填充小球直径、不同的壁面散热情况等，对火焰面的形状和发展进行了分析和研究，结果表明气体当量比、气体入口流速、填充小球直径、壁面散热情况对火焰面的特性有很大的影响。另外，为了解释产生火焰面倾斜的根本动力，建立没有初始火焰面倾斜角的二维双温模型，假设入口气体当量比、入口气体流速、燃烧器内孔隙率的分布不均匀，分别沿轴左侧一个值、右侧另一个值。结果表明，不均匀分布的气体入口流速对产生火焰面倾斜影响很小，而不均匀分布的入口气体当量比和不均匀分布的孔隙率对产生火焰面倾斜影响很大。

目录

声明

摘要

第1章 文献综述

1．1 研究背景和意义

1．2 多孔介质预混燃烧技术

1．2．1 超绝热燃烧

1．2．2 多孔介质材料

1．3 多孔介质预混燃烧技术的研究进展

1．3．1 超绝热燃烧的实验和理论研究进展

1．3．2 不稳定燃烧的实验和理论研究进展

1．4 本文的主要研究内容和研究方法

1．4．1 实验研究

1．4．2 理论分析

1．4．3 数值模拟研究

第2章 甲烷／空气在多孔介质中燃烧火焰面不稳定性的实验研究

2．1 实验装置

2．1．1 燃烧系统

2．1．2 供气系统

2．1．3 数据采集系统系统

2．1．4 冷却系统

2．2 实验步骤

2．3 实验结果与分析

2．3．1 燃烧温度的瞬态特性

2．3．2 当量比对多孔介质蓄热能力的影响

2．3．3 火焰面不稳定现象的描述

2．3．4 燃烧尾气

第3章 氢气／空气在多孔介质中燃烧火焰面不稳定性的实验研究

3．1 实验设备

3．2 实验步骤

3．3 实验结果与分析

3．3．1 燃烧温度的瞬态特性和非瞬态特性

3．3．2 火焰面不稳定现象的描述

3．3．3 火焰面不稳定现象的影响因素

第4章 多孔介质燃烧器内火焰面倾斜的数值模拟

4．1 数学模型

4．1．1 物理模型

4．1．2 控制方程

4．1．3 边界条件

4．1．4 初始条件和求解

4．2 火焰面倾斜现象描述

4．3 火焰面倾斜的影响因素

4．3．1 当量比对火焰面倾斜的影响

4．3．2 入口流速对火焰面倾斜的影响

4．3．3 填充小球直径对火焰面倾斜的影响

4．3．4 燃烧器外壁散热对火焰面倾斜的影响

4．4 产生倾斜火焰面的动力

4．4．1 初始角对火焰面倾斜演变的影响

4．4．2 燃烧器内局部扰动对平坦火焰的影响

4．4．3 初始条件不均匀性对平坦火焰的影响

第5章 结论

5．1 实验研究方面

5．1．1 甲烷和空气的预混气体在多孔介质中燃烧的火焰面不稳定性

5．1．2 氢气和空气的预混气体在多孔介质中燃烧的火焰面不稳定性

5．2 理论分析方面

5．3 数值模拟方面

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文