基于基元反应动力学观点的CO/H/N燃气高温空气燃烧的数值模拟

摘要

高温空气燃烧(HTAC)是20世纪90年代出现的一种新型燃烧技术,采用贫氧空气助燃,并将其预热到不低于1000℃的高温,具有高效节能、温度均匀和低NOx排放的效果,受到国内外科学界和工业界的广泛关注.该文综述了目前有关该技术的研究现状,以CO/H<,2>/N<,2>燃气为例,基于自由基基元反应动力学理论,采用详细化学反应模型,结合Kintecus化学计算软件,进行高温预热下CO/H<,2>/N<,2>燃烧的数值模拟,并对不同氧气浓度下火焰温度、各种自由基浓度,特别是氮氧化物(NO<,x>)浓度等变化规律进行分析.在上述研究的基础上,确定反应系统中的22种组分,应用商业软件FLUENT,对三维燃烧室中的同轴射流扩散燃烧建立数学模型.其中采用κ-ε模型模拟湍流特性,采用平衡混合分数/PDF模型模拟扩散燃烧,采用扩展泽尔道维奇机理描述热力NO的生成.最后得到不同空气预热温度和氧气浓度条件下的模拟结果,并分析温度场、流场、组分特别是NO<,x>的分布特性及其变化规律.结果表明,高温空气燃烧的火焰呈弥散状,体积显著增大,温度场梯度很小,无局部高温区,最高燃烧温度与普通燃烧相比显著降低;流场分布均匀,易于操作控制:能有效地降低NO<,x>的生成.

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2基元反应动力学概述

1.3高温空气燃烧概述

1.4高温空气燃烧研究现状

1.4.1研究方法

1.4.2研究现状

1.5本文的主要工作和意义

1.5.1本文的主要工作

1.5.2软件介绍

1.5.3本文的意义

第二章燃烧化学反应动力学基础

2.1质量作用定律

2.1.1定律的陈述

2.1.2多步反应和平衡常数

2.2反应机理

2.2.1一级反应和单分子反应

2.2.2更高级反应

2.2.3链锁反应和有关过程

2.3比反应速率常数的确定

2.3.1阿仑尼乌斯定律

2.3.2活化能

2.3.3碰撞反应速率理论

2.3.4过渡状态理论简介

第三章自由基基元反应动力学数学模型

3.1通用燃烧化学反应系统

3.2浓度微分公式

3.3温度微分方程

3.4反应平衡常数的计算

第四章基于自由基反应动力学模型的CO/H2/N2燃烧数值模拟

4.1 CO/H2/N2燃烧反应机理

4.2主要结果及分析

第五章气体湍流燃烧的数学模拟

5.1气体湍流流动模拟

5.1.1湍流流动的控制方程组

5.1.2混合长度模型(零方程模型)

5.1.3单方程模型

5.1.4 k-ε模型(双方程模型)

5.1.5雷诺应力模型

5.1.6大涡模拟和亚网格尺度模型

5.2气体湍流燃烧模拟

5.2.1湍流扩散火焰模型

5.2.2湍流预混火焰模型

5.2.3有限反应速率模型

5.3燃烧过程中污染物生成模拟

5.3.1 NOx生成模型

5.3.2烟灰的生成模型

第六章CO/H2/N2扩散燃烧数值模拟及结果分析

6.1物理模型及网格划分

6.2数学模型

6.2.1湍流流动的k-ε模型

6.2.2扩散燃烧模型

6.2.3 NOx生成模型

6.2.4边界条件

6.3结果分析

6.3.1温度场

6.3.2流场

6.3.3 NOx生成

第七章结论

参考文献

致 谢

附录A用Kinetecus模拟CO/H2/N2燃烧过程图像

附录B用FLUENT进行CO/H2/N2燃烧模拟图像