MILD燃烧的实验研究与基于EDC的详细化学反应机理的数值模拟

论文摘要

高效低污染的燃烧技术是解决目前面临的环境与气候问题的主要途径之一。本文研究的Mild燃烧技术是一种可以实现氮氧化物排放减少50%以上，热效率提高30%以上，设备的尺寸减少20%以上的新型燃烧技术。但是目前Mild燃烧的实现要求较高的空气预热温度，严重阻碍了其大规模的工业应用，本文主要研究常温空气下Mild燃烧方式的实现及其燃烧特性。利用CFD辅助设计了功率为20kW的Mild燃烧试验台，实验台可以进行气体燃烧和煤粉的Mild燃烧研究。在设计的实验台上顺利实现了常温空气下丙烷的Mild燃烧，发现燃烧室内气流组织结构式是实现常温空气燃烧的关键。设计的燃烧室中燃料和空气在距离进口约为炉膛1/4处已经被与炉内的回流烟气充分稀释，回流倍率为4.216。通过对常温空气下Mild燃烧炉膛内的组分场发现炉膛的CO含量最高的区域往往发生在炉内温度峰值的区域，并且炉膛的NO含量最低的区域往往发生在炉内CO含量最高的区域。常温空气下Mild燃烧烟气中污染物含量非常低，CO约为3ppm，NO约为40ppm。通过不同空气进口温度工况下的Mild燃烧实验发现，提高燃烧时空气的进口温度，会使炉内的温度水平有所增加，但炉内及烟气中的CO含量和NO含量都有不同程度的升高。本文采用雷诺应力湍流模型（RSM）与涡耗散概念(EDC)燃烧模型以及三种不同的详细反应机理对常温Mild燃烧进行了数值模拟研究，模拟的结果表明235步反应机理可以很好的进行Mild燃烧绝大部分区域的温度场与组分场的预测，炉膛中CO预测浓度略高测量值，NO的预测浓度低于测量值。在炉膛中近燃烧器小区域内的预测温度低于测量值，O2浓度高于测量值。这表明这部分区域流动和燃烧尺度可能非常接近，导致温度和氧气浓度的模拟预报的结果相差较大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 Mild 燃烧技术的研究背景
• 1.2 本课题的研究意义
• 1.3 Mild 燃烧技术的简介
• 1.4 Mild 燃烧技术国内外研究的现状
• 1.5 本文的研究课题
• 2 Mild 燃烧实验台设计与系统介绍
• 2.1 Mild 燃烧实验台的设计要求
• 2.2 Mild 燃烧实验台的结构及流程
• 2.3 Mild 燃烧实验台的设计
• 2.4 本文研究所采用的 Mild 燃烧实验系统
• 3 Mild 燃烧实验研究
• 3.1 Mild 燃烧实验的基本操作
• 3.2 Mild 燃烧实验工况
• 3.3 实验结果及分析
• 3.4 本章小结
• 4 Mild 燃烧数值模拟研究
• 4.1 本文采用的数值模拟工具
• 4.2 燃烧流场控制方程和物理模型的选取
• 4.3 数值模拟及结果分析
• 4.4 本章小结
• 5 全文总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献