惰性多孔介质内预混燃烧的研究

摘要

多孔介质内燃烧技术具有燃烧效率高、污染物排放低的优点，已经成为国内外研究的一个热点。本文采用数值模拟和实验的方法，对多孔介质内预混燃烧过程的机理进行了分析研究。数值模拟是本文的重点，主要包括三部分内容：一维多孔介质内预混燃烧的模拟、考虑湍流的多孔介质内预混燃烧的模拟和二维多孔介质内预混燃烧的模拟。 采用一维稳态层流反应流模型对多孔介质内的预混燃烧进行数值模拟是本文最主要的内容。模型考虑气固之间的对流换热和气相的弥散效应，采用详细的化学反应机理和双通量辐射传递方程。由于一维稳态层流火焰面的求解是一个特征值问题，文中还对该问题的数值求解方法进行了研究，通过对初值、迭代方法和网格等的优化，数值计算的稳定性和收敛性大大增强。 本文首先分析不同化学反应机理和弥散效应模型对计算结果的影响。研究表明，在当量比较小时，一步反应机理与详细机理的计算结果基本一致；在当量比较大时，使用一步反应机理会产生较大的误差，需要使用详细的反应机理，其中GRI 3.0精度最高，GRI 2.11和GRI 1.2次之，Peters最差；在当量比较大时，弥散效应对多孔介质内燃烧影响很大，考虑弥散效应可以大大改善计算的结果。 本文还对单层和双层多孔介质燃烧器内的火焰结构、火焰传播及驻定机理、污染物排放、辐射输出效率等问题进行研究。结果表明，相比于自由流中的预混燃烧，多孔介质内燃烧可以实现超绝热火焰温度、拓宽贫燃极限、提高层流火焰传播速度、减少污染物的排放；单层多孔介质燃烧器不利于火焰驻定在多孔介质内，双层多孔介质燃烧器易于把火焰驻定在交界面附近，可以防止回火和吹脱。 当气流速度较大时，层流模型的计算值与实验值有较大的差距，需要考虑湍流的影响。本文推导了多孔介质内燃烧的一维湍流模型，并进行了数值计算。结果表明，用湍流模型计算的火焰传播速度、NO和CO的排放量比层流模型更接近实验值，说明考虑湍流效应可以改善数值计算的结果。但是NO的计算值与实验值仍有较大差别，需要考虑更精确的模型。 为了考虑由壁面粘性和散热引起的火焰面结构的多维效应，并对前面模拟中的一维假设进行检验，使用二维层流反应流模型对多孔介质内的预混燃烧进行模拟。结果表明，多孔介质内的边界层很薄，且厚度一定，流动和燃烧可以近似为一维情形，多孔介质内主流区的火焰结构与使用一维模型的计算结果相似。 通过实验对多孔介质内的预混燃烧火焰进行观察和测量。实验使用丙烷/空气预混气，多孔介质材料选为氧化铝泡沫陶瓷。实验得到的结论验证了前面的计算结果。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1多孔介质内燃烧的研究背景

1.2多孔介质内不同燃烧方式的研究状况概述

1.2.1静态的气体过滤燃烧

1.2.2驻定的气体过滤燃烧

1.2.3非驻定的气体过滤燃烧

1.3多孔介质内燃烧数值模拟工作概述

1.3.1材料物性的研究

1.3.2物理模型的研究

1.4多孔介质燃烧的应用前景

1.5本文的工作

第二章多孔介质燃烧的数学物理模型和数值方法

2.1多孔介质内气体燃烧的一维模型

2.1.1多孔介质内的一维反应流模型

2.1.2一维体积平均模型

2.2一维层流模型中的假设

2.3弥散效应

2.4固体多孔介质内的辐射传递模型

2.5化学反应动力学

2.6边界条件

2.7多孔介质物性数据

2.8数值计算方法

2.8.1差分格式

2.8.2迭代方式

2.8.3网格划分

2.8.4收敛误差控制

2.9加速收敛的方法

2.10程序可靠性检查

2.10.1自适应网格精度检查

2.10.2自由层流预混火焰的计算

2.11小结

第三章单层多孔介质燃烧器的数值研究

3.1单层多孔介质燃烧器的结构和物性

3.2模型对计算结果影响的分析

3.2.1弥散效应的影响

3.2.2化学反应机理的影响

3.2.3小结

3.3多孔介质燃烧火焰结构的分析

3.4多孔介质燃烧器的辐射输出效率分析

3.5多孔介质燃烧器的污染物排放

3.6多孔介质燃烧器中两种不同的火焰驻定机理

3.6.1在多孔介质内部燃烧的机理

3.6.2在多孔介质表面燃烧的机理

3.6.3小结

第四章双层多孔介质燃烧器的数值研究

4.1双层多孔介质燃烧器的结构和物性

4.2火焰结构分析

4.3火焰传播速度和火焰的驻定

4.4污染物的排放

4.5与单层多孔介质的比较

4.6结论

第五章考虑湍流的多孔介质燃烧模型

5.1多孔介质内湍流模型概述

5.2体积平均的湍流模型

5.3模型假设和简化

5.4计算结果的分析

5.5结论

第六章多孔介质内燃烧的二维数值模拟

6.1多孔介质内层流预混燃烧的二维体积平均模型

6.2数值模拟方法

6.3结果分析

6.3.1无化学反应多孔介质流动流场分析

6.3.2多孔介质内绝热火焰的二维结构

6.3.3有壁面散热的多孔介质内火焰结构

6.4结论

第七章多孔介质内预混燃烧的实验研究

7.1实验装置

7.2实验内容

7.2.1两种不同孔径多孔介质内的温度测量

7.2.2不同空气流量时的火焰变化

7.2.3不同丙烷燃气流量时的火焰变化

7.3结论

第八章结论和展望

8.1全文总结

8.2论文创新点

8.3研究展望

参考文献

博士期间发表的学术论文

致谢