层流预混燃烧火焰的数值研究

论文摘要

层流预混燃烧火焰是最常见的燃烧现象,广泛应用于日常生活和工业生产中,研究层流预混火焰具有重要的意义。层流预混火焰是综合体现流体流动、分子输运和化学反应等因素的最基础的燃烧现象,它有着和湍流火焰相似的化学过程。研究层流预混火焰是认识湍流火焰等复杂燃烧现象的基础,许多湍流火焰理论正是基于对层流火焰的认识而提出的。同时,研究层流预混火焰可以更好地理解燃烧过程,为实际应用中改进燃烧技术,减少燃烧污染,加强燃烧过程控制等提供理论依据。因此,如何准确、有效地研究认识层流预混火焰已经成为当今燃烧学研究的热点。本文研究内容为利用详细化学反应机理数值模拟研究一维稳态层流预混燃烧自由传播火焰问题。首先建立问题的物理模型,根据物理模型推导其控制方程,确定定解条件,将求解域、守恒方程和定解条件离散化,最后求解代数方程。分析氢气-空气、一氧化碳-空气、甲烷-空气、高炉煤气-空气燃烧的化学反应机理；详细研究甲烷-空气、高炉煤气-空气一维稳态层流预混燃烧自由传播火焰,认识其燃烧特性,为甲烷和高炉煤气的实际应用提供理论支持。本文的主要计算内容为：（1）利用GRI3.0化学反应机理计算甲烷-空气一维稳态层流预混燃烧自由传播火焰。研究甲烷火焰中质量通量、温度分布、组分浓度分布、气体流速分布等,研究当量比、预混气体初始温度等因素对甲烷火焰的影响。（2）在深入研究氢气、一氧化碳、甲烷燃烧化学反应机理的基础上,提出了高炉煤气燃烧的化学反应机理,并利用该机理计算高炉煤气-空气一维稳态层流预混燃烧自由传播火焰。研究高炉煤气火焰中质量通量、温度分布、组分浓度分布、气体流速分布等,研究当量比、预混气体初始温度等因素对高炉煤气火焰的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号表
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 层流预混燃烧火焰研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 燃烧的数值计算
• 1.3.1 CHEMKIN程序包与燃烧计算
• 1.3.2 燃烧计算软件（程序）简介
• 1.4 本文研究内容及意义
• 第2章 一维层流预混燃烧模型与数值解法
• 2.1 物理模型
• 2.2 数学模型
• 2.2.1 控制方程
• 2.2.2 定解条件
• 2.3 燃烧过程组分热物性分析
• 2.3.1 组分参数关系式
• 2.3.2 气体比热
• 2.3.3 气体比焓
• 2.3.4 气体比熵
• 2.4 燃烧过程组分传输特性分析
• 2.4.1 热传导率
• 2.4.2 扩散速度
• 2.5 控制方程数值求解方法
• 2.5.1 网格划分
• 2.5.2 控制方程离散
• 2.5.3 代数方程求解
• 2.6 本章小结
• 第3章 化学反应动力学与化学反应机理
• 3.1 化学反应
• 3.1.1 总包反应与基元反应
• 3.1.2 燃烧反应速率
• 3.1.3 火焰传播
• 3.2 氢气-空气燃烧反应机理
• 3.3 一氧化碳-空气燃烧反应机理
• 3.4 甲烷-空气燃烧反应机理
• 3.5 高炉煤气-空气燃烧反应机理
• 3.6 本章小结
• 第4章 一维层流预混火焰计算结果与分析
• 4.1 甲烷-空气层流预混火焰
• 4.1.1 计算结果分析与验证
• 4.1.2 当量比对甲烷-空气火焰的影响
• 4.1.3 初始温度对甲烷-空气火焰的影响
• 4.2 高炉煤气-空气层流预混火焰
• 4.2.1 计算结果分析与验证
• 4.2.2 当量比对高炉煤气-空气火焰的影响
• 4.2.3 初始温度对高炉煤气-空气火焰的影响
• 4.3 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 附录1：氢气-空气燃烧反应机理
• 附录2：一氧化碳-空气燃烧反应机理
• 附录3：高炉煤气-空气燃烧反应机理
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历