多孔介质内预混气体燃烧的实验和数值研究

论文摘要

多孔介质内气体预混燃烧是一种新型的燃烧技术。通过气固体间的热交换可以实现超绝热火焰温度,极大地提高燃烧稳定性,显著地拓宽燃烧贫富燃极限,有效地控制污染物排放。研究多孔介质燃烧机理和火焰特性,有助于设计开发多孔介质燃烧器。本文通过实验测量和数值模拟相结合,对多孔介质燃烧特性进行了研究,并对多孔介质燃烧的应用进行了实验研究。设计并搭建了多孔介质燃烧器,对单层惰性堆积床中的丙烷/空气预混气燃烧进行了实验研究,分析了单层堆积床内不同工作条件对火焰结构、燃烧稳定性的影响;同时对非稳态过程的燃烧波传播进行了简单的观测和分析。采用一维模型,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,对多孔介质燃烧进行数值模拟,并与实验结果进行了对比。结果表明,多孔介质燃烧能够实现超绝热火焰温度,提高火焰传播速度,减少污染物（CO,CO2）的排放。对双层多孔介质燃烧器内的贫燃料燃烧进行了实验和数值研究。分析了双层多孔介质燃烧的火焰结构、火焰稳定性能、污染物排放及燃烧器出口对外辐射性能。结果表明,双层多孔介质燃烧器具有很宽的火焰稳定范围;通过控制火焰位置可以控制出口辐射输出,而实现贫燃料低流速燃烧是提高表面辐射效率的有效途径。对双层多孔介质内甲烷/空气富燃料燃烧进行了一维数值模拟。结果表明,多孔介质内的富燃料燃烧同样可以实现超绝热火焰温度,燃烧产物中H2含量很高,验证了富燃制氢的可行性。H2的转化效率强烈依赖于预混气的当量比,选择合适的当量比是提高转化效率的关键。利用商业软件FLUENT6.2结合用户自定义标量和用户自定义函数,采用二维稳态模型和简单化学反应机理,对堆积床内丙烷/空气预混燃烧进行了数值模拟,并与实验结果进行对比。结果表明,由于壁面粘性和壁面散热的影响,多孔介质燃烧的火焰结构、密度分布和速度分布等都呈现明显的二维结构。所以在实际的燃烧器设计中应考虑壁面带来的影响。设计并搭建了带回热-换热装置的多孔介质燃烧器。实验研究了回热对燃烧温度、贫燃料燃烧极限和污染物排放的影响。结果表明,回热效果可以有效地提高燃烧温度,并拓宽贫燃料极限,在来流预混气速度等于42cm/s时,实现了丙烷/空气当量比为0.31的贫燃料燃烧。同时在燃烧器的整体热效率在当量比0.67时可以达到42%。对小尺度的多孔介质燃烧器进行了研究。在小型燃烧室（内径2cm、长2cm的圆柱形腔体）组织多孔介质燃烧,可以在较宽的当量比范围内稳定点燃和稳定燃烧。实验测量了温度和压力等参数;将燃烧室与渐缩喷管结构相结合,获得了稳定的微推力,验证了小型多孔介质燃烧推进器的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 多孔介质气体燃烧研究背景
• 1.2 多孔介质气体燃烧特点及其分类
• 1.3 多孔介质气体燃烧技术的应用
• 1.4 惰性多孔介质气体燃烧研究进展
• 1.4.1 静态的气体过滤燃烧
• 1.4.2 有火焰波传播的气体过滤燃烧
• 1.4.3 单层多孔介质内的驻定燃烧
• 1.4.4 双层多孔介质燃烧
• 1.4.5 在多孔介质表面燃烧的研究
• 1.4.6 多孔介质燃烧的二维研究
• 1.4.7 国内研究现状
• 1.5 本文的工作
• 第二章 单层堆积床内丙烷/空气贫燃料预混燃烧的实验和数值研究
• 2.1 实验装置和步骤
• 2.1.1 实验系统简介
• 2.1.2 多孔介质燃烧器结构
• 2.1.3 控制系统及数据采集系统
• 2.1.4 实验过程
• 2.1.5 燃烧现象观察
• 2.2 多孔介质内气体燃烧的一维模型
• 2.2.1 多孔介质内的一维反应流模型
• 2.2.2 一维体积平均模型
• 2.2.3 简化的一维稳态层流模型
• 2.2.4 弥散效应
• 2.2.5 固体多孔介质内的辐射传递模型
• 2.2.6 化学反应动力学
• 2.2.7 边界条件
• 2.2.8 数值计算方法
• 2.2.9 差分格式
• 2.2.10 迭代方式
• 2.2.11 自适应的网格划分方法
• 2.2.12 收敛误差控制
• 2.2.13 材料物性
• 2.3 结果及分析
• 2.3.1 堆积床内温度的分布及颗粒球直径的影响
• 2.3.2 不同当量比下火焰结构比较
• 2.3.3 火焰传播速度（燃烧速度）
• 2.3.4 组分及污染物的计算值
• 2.3.5 非稳态过程燃烧波的观测
• 2.4 小结
• 第三章 双层多孔介质燃烧器燃烧特性的实验研究和数值模拟
• 3.1 燃烧器结构和物性
• 3.2 稳定性能分析
• 3.2.1 火焰驻定位置和结构
• 3.2.2 双层多孔介质内火焰驻定特性
• 3.2.3 组分分布及污染物排放
• 3.3 双层多孔介质燃烧器出口辐射特性研究
• 3.3.1 燃烧现象观测
• 3.3.2 辐射通量计算
• 3.3.3 对外辐射效率分析
• 3.4 小结
• 第四章 多孔介质内甲烷/空气富燃料燃烧的数值模拟
• 4.1 数学物理模型
• 4.2 结果分析
• 4.2.1 火焰结构及辐射通量
• 4.2.2 多孔介质内组分分布
• 4.2.3 燃烧温度及火焰传播速度随当量比的变化
• 2/CO浓度随当量比的变化'>4.2.4 出口处H₂/CO浓度随当量比的变化
• 4.2.5 污染物排放量随当量比变化
• 4.2.6 转化效率随当量比变化
• 4.2.7 多孔介质的选择
• 4.4 小结
• 第五章 单层多孔介质燃烧的二维数值模拟
• 5.1 物理数学模型
• 5.2 求解方法及物性参数
• 5.3 冷态流场分析
• 5.4 壁面绝热的燃烧结果分析
• 5.4.1 压力分布
• 5.4.2 温度分布
• 5.5 考虑壁面散热的燃烧结果分析
• 5.5.1 温度分布
• 5.5.2 压力和密度分布
• 5.5.3 速度分布
• 5.5.4 组分质量分数变化
• 5.6 小结
• 第六章 带换热-回热装置的多孔介质燃烧器的实验研究
• 6.1 研究背景
• 6.2 实验装置及测量系统
• 6.2.1 燃烧器结构
• 6.2.2 测量系统
• 6.2.3 实验方法
• 6.3 实验结果及分析
• 6.3.1 温度的瞬态特性
• 6.3.2 多孔介质壁面的温度分布
• 6.3.3 贫燃极限
• 6.3.4 污染物排放
• 6.3.5 回热效率
• 6.3.6 换热效率
• 6.3.7 辐射效率
• 6.3.8 燃烧器热效率
• 6.4 小结
• 第七章 小型多孔介质燃烧推进器的实验研究
• 7.1 微尺度燃烧概述
• 7.1.1 微尺度燃烧研究背景
• 7.1.2 微尺度燃烧的尺度效应
• 7.1.3 微尺度燃烧技术
• 7.2 小型多孔介质燃烧器的燃烧实验
• 7.2.1 实验装置
• 7.2.2 实验方法
• 7.2.3 测量内容及结果
• 7.2.3.1 点燃界限及稳定燃烧界限
• 7.2.3.2 温度分布
• 7.2.3.3 热效率估算
• 7.2.3.4 腔体内压力随进口流量的变化
• 7.3 微推力测量
• 7.3.1 尾喷管的选择
• 7.3.2 微推力测试
• 7.4 小结
• 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