多孔介质内预混气体燃烧稳定操作范围的研究

稀薄预混气体在多孔介质中超绝热燃烧的研究多孔介质具有很大的比表面积、良好的蓄热和换热性能，可以在燃烧技术中发挥重要作用。

与自由空间中的传统预混合燃烧相比，多孔介质中的预混合燃烧在降低污染性尾气排放、扩展可燃极限、提高热效率、辐射热输出和节约能量等方面具有显著优越性。

预混合气体在多孔介质中往复式流动下的超绝热燃烧(以后简称为RSCP)是一种全新的多孔介质预混合燃烧技术，由于嵌入了往复流动换向装置，RSCP燃烧器不仅具有混合气单向流动多孔介质燃烧器的优点和特点，还有一些更有吸引力的燃烧特性。

本文通过理论分析、数值计算和实验观测，对RSCP技术进行了较为全面的研究，主要完成了如下几个方面的工作： 1．从“容积平均”假设出发，在前人的理论基础上，借助流体力学的基本原理，通过严密的数学分析，推导出一套气体反应流在各向同性多孔介质中的体积平均输运方程。

该方程组简洁直观，通用性强，可直接应用于模拟不同条件下的混合气在惰性多孔介质中的流动和反应过程，由于模型中考虑了气、固两相局部非热平衡，因此尤其适用于模拟预混合气在多孔介质中的流动和燃烧反应。

2．分析了RSCP燃烧器的工作原理，详述了多孔介质和换向装置在其中的作用，从理论上对超绝热火焰产生的依据以及如何实现超绝热度的最大化作了深入分析，研究了强化预热对可燃极限的影响，对RSCP系统的热力学效率进行了探讨，将前人的研究加以系统化，总结出了若干重要结论。

3．在本项研究的具体条件下，应用多孔介质中气体反应流的通用输运模型，建立了RSCP系统的二维数学模型，运用辐射换热的有限容积法这一新方法求解辐射换热方程，较深入研究了多孔介质燃烧器中的固体辐射换热，成功地实现了光学厚介质的非表面辐射计算与流场及燃烧计算的耦合。

4．通过数值方法研究了冷、热态环境下多孔介质对气体反应流的压力损失影响，结果发现，热态环境下多孔介质对气流的阻力损失影响比冷态环境下大得多，但孔隙率大的多孔介质对气体反应的阻力损失并不大。

惰性多孔介质内预混燃烧的研究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。

燃烧科学与技术Journal of Combustion Science and Technology 2017，23(3)：231-235DOI 10.11715/rskxjs.R201605033收稿日期：2016-05-20．基金项目：国家自然科学基金资助项目(51306129).作者简介：陈金星（1991— ），男，硕士，chenjinxing@.通讯作者：李 君，男，博士，副教授，lijun79@.多孔介质微燃烧器的稳燃范围的数值研究陈金星，李 君，李擎擎(天津大学机械工程学院，天津 300350)摘 要：应用计算流体力学软件Fluent ，对氢气/空气预混气在部分填充多孔介质的微平板燃烧器中的实验现象进行了模拟，研究了多孔介质热导率、壁面热导率、多孔介质孔隙率对稳燃范围的影响．模拟结果表明：稳燃范围的大小与多孔介质热导率呈正相关趋势，较高的多孔介质热导率将会拓宽稳燃范围；随着壁面热导率的增加，稳燃范围与壁面热导率呈V 型比例；多孔介质孔隙率也是影响稳燃范围的一个重要因素，在0.5～0.9的区间内，随着孔隙率的增大，稳燃范围也随之增大．关键词：微平板燃烧器；多孔介质；稳燃范围；数值模拟中图分类号：TK16 文献标志码：A 文章编号：1006-8740(2017)03-0231-05Numerical Study on Stability Limits of Combustionin Micro -Combustors with Porous MediumChen Jinxing ，Li Jun ，Li Qingqing(School of Mechanical Engineering ，Tianjin University ，Tianjin 300072，China )Abstract ：Based on the experimental phenomena of premixed hydrogen/air combustion in planar micro-combustors partially filled with porous medium ，numerical study was carried out to examine the influence of po-rous medium thermal conductivity ，wall thermal conductivity ，and porosity on stability limits ，using computa-tional fluid dynamics software Fluent ．The results show that stability limits have a positive correlation with porous medium thermal conductivity ，and higher porous medium thermal conductivity will broaden stability limits ．With the increase of wall thermal conductivity ，stability limits will exhibit a V-shaped pattern against it ．Porosity is also an important factor influencing stability limits ．Within the range of 0.5 to 0.9，stability limits will expand gradually with the increase of porosity.Keywords ：planar micro-combustor ；porous medium ；stability limits ；numerical simulation随着微小型科技装备的不断涌现，基于燃烧的微小型动力系统相较于化学电池而言，有着能量密度高、效率高、体积小等优点，日益成为便携式能源的潜在选择．相较于传统燃烧，微燃烧器同时也存在着散热损失大、易于壁面淬熄等不足．因此，实现微尺度下稳定、高效的燃烧，成为现阶段微燃烧研究的重点[1]．目前所知，在燃烧器内填充多孔介质是一种有效的稳燃手段，国内外诸多学者针对填充多孔介质的微燃烧做了广泛研究．Norton 等[2-3]分别研究了甲烷/空气、丙烷/空气预混气在微燃烧器中的燃烧特性与火焰稳定性，数值结果表明，壁面热导率是影响火焰稳燃烧科学与技术 第23卷 第3期— 232 —定性的重要因素．Liu 等[4]对Y 型微燃烧器做了数值研究，结果表明，微燃烧器中填充多孔介质相较于不填充多孔介质可以极大地提升燃烧的混合程度，从而有利于火焰的稳定．Zhao 等[5]的数值结果表明，相较于自由火焰燃烧器，填充多孔介质的微燃烧器具有更广阔的可燃下限、更高的火焰传播速度以及更好的火焰稳定性．Zhong 等[6]实验研究了微型瑞士卷燃烧器中的过焓燃烧，发现瑞士卷型设计可以极大地提升燃烧稳定性，同时拓展了预混气的熄火极限．Pan 等[7]研究发现，微多孔介质燃烧器具有较高的外壁面平均温度，与自由火焰燃烧器相比温度梯度更低．本课题组前期工作中，针对填充多孔介质的微平板燃烧器分别进行了实验研究和数值模拟[8-11]．模拟主要应用Fluent 软件研究了全填充多孔介质微平板燃烧器的火焰位置、火焰速度等燃烧特性．实验过程中，研究对象主要为部分填充多孔介质的微平板燃烧器，探索了燃烧器尺寸、多孔介质填充方式、预混气流速等对回火、吹熄等临界状态的影响，并确定了微燃烧器的稳燃范围．微平板燃烧器主要研究用来作为MTPV 的热源，因此，确定燃烧器的稳燃范围，使得高温区域可以集中在平板壁面而非入口或者出口处，对于MPTV 的研究工作具有指导意义．数值研究相对于实验研究而言，可以在更广泛的范围内针对稳燃范围以及其相应的临界条件做探究．本文应用计算流体力学软件Fluent ，对部分填充多孔介质的微平板燃烧器进行数值模拟，分别考察了多孔介质热导率、壁面热导率、多孔介质孔隙率等物性对微燃烧器的稳燃范围以及临界条件的影响．1 实验平台以及数值模型图1为实验系统装置示意．氢气和空气分别经过质量流量计后进入混气罐，混合后经均流器进入微燃烧器，采用红外测温仪读取外壁面温度．平板型微燃烧器的尺寸为10mm ×1mm ×20mm (不计法兰底座高度)，燃烧器材料选用不锈钢316L ，壁厚为0.5mm ．图2(a )展示了多孔介质在微燃烧器中的填充方式．采用不锈钢316L 丝网作为多孔介质材料，放置于微燃烧器内，多孔介质一端距出口7mm ，一端距入口8mm ．数值计算过程中，采用层流预混燃烧模型，多孔介质热导率为20W /(m ·K )，孔隙率0.87，微燃烧器壁面材料热导率为20W /(m ·K )，发射率0.9．如图2(b )所示，微燃烧器的入口取为速度入口，来流为氢气和空气预混气，未燃预混气温度300K .外界环境温度300K ，微燃烧器与外界之间的对流换热系数为20W /(m 2·K )．法兰底座与燃烧器出口处壁面设为绝热壁面，其余设为非绝热壁面，非绝热壁面的热损失包括与外界环境的对流换热损失和热辐射损失两部分．微燃烧器的出口设为压力出口，出口压力为0.1MPa ．氢气和空气的反应机理由9个组分和19个基元反应组成[12]．图1 实验系统示意微燃烧器的截面长宽比为10∶1，燃烧器内的流动可以近似认为二维流动．考虑到物理模型的对称性，计算中简化为二维对称面．（a ）多孔介质在微燃烧器中的填充方式（b ）微燃烧器数值模型的边界条件(非比例图)图2 数值模型示意(单位：mm )因为不锈钢铁丝网在微燃烧器中的填充方式为陈金星等：多孔介质微燃烧器的稳燃范围的数值研究 燃烧科学与技术— 233 —部分填充，故在铁丝网填充区域采用描述多孔介质的控制方程，其他区域仍为自由空间中的流动和燃烧问题．为简化计算，文中做了如下假设：①稳态燃烧；②惰性多孔介质；③多孔介质各向同性；④忽略多孔介质以及气体的辐射；⑤气体与多孔介质之间存在热 平衡[13-15]．本文应用Fluent 软件进行计算，为了保证计算准确性的同时兼顾计算时间效率，进行了网格独立性验证．分别选用5298节点、14688节点、20198节点3种网格，统一初始流速为2m /s ，当量比0.5，对比不同网格数下计算结果的外壁面温度分布曲线．如图3所示，经过网格独立性验证，14688节点的网格可以较好地满足计算需求．图3 网格独立性验证2 模型验证为了验证模型的准确性，针对部分填充多孔介质的微平板燃烧器进行了如下实验．实验过程中，分别采用u ＝1m /s 、u ＝2,m /s 、u ＝3,m /s 3个入口流速．固定预混气入口流速，调节预混气当量比Φ，依次以0.025的间隔从0.25调整到1.0．每调节一次当量比，待燃烧稳定后，读取微燃烧器的外壁面温度，从而获得壁温峰值在壁面上的位置．然后，仿照实验过程，在Fluent 中进行计算，便可得到模拟条件下的壁温峰值位置分布．图4即为3种入口流速下实验与模拟所得壁温峰值位置分布的对比．可以看出，虽然在某些工况下模拟结果与实验结果存在偏差，但是在壁温峰值点位置分布的变化趋势上，二者具有较明显的一致性，因此认为文中采用的数值模型是可行的．由图4可以看出，固定入口流速后，随着当量比的调节，壁温峰值位置在某两个当量比下分别存在着巨大的突变．依据这两种突变定义以下两种临界条件，分别是脱离多孔介质(Φ1)和吹出多孔介质(Φ2).前者为在固定流速下，当量比高于临界值时，壁温峰值的位置将脱离多孔介质，向法兰处移动并最终稳定于法兰附近；后者为在固定流速下，当量比低于某一临界值时，壁温峰值的位置将脱离多孔介质并向出口处移动．由Φ1与Φ2确定的一段当量比范围定义为稳燃范围，壁温峰值以及壁面高温区域稳定在多孔介质填充区域.（a ）u ＝1,m/s（b ）u ＝2,m/s（c ）u ＝3,m/s图4 壁温峰值点的模拟与实验对比3 结果与讨论本文中微平板燃烧器被设计为MTPV 的热源，当入口流速u ＝1,m /s 时，微燃烧器外壁面温度较低，不利于MTPV 的研究利用．因此，文中只针对u ＝2m /s 、u ＝3m /s 进行了参数化研究． 3.1 多孔介质热导率对稳燃范围的影响对于微平板燃烧器而言，壁面高温区域集中在入口或者出口处，都不利于MTPV 的有效利用．在微燃烧器的中间位置填充多孔介质，可以将火焰稳定在多孔介质区域，多孔介质具有良好的储热功能，从而将燃烧科学与技术第23卷 第3期— 234 —壁面高温区域集中于平板表面，有效扩大微燃烧器的高温表面面积，从而实现提升MTPV 效率的目的．因此，多孔介质热导率(k s )是影响微燃烧器稳燃范围的一个重要因素．从图5可以看到，k s 对Φ1、Φ2的影响不尽相同．一方面，随着k s 增大，Φ1经历短暂的下降后趋于平稳，另一方面，Φ2与k s 呈反比关系，即k s 愈大，壁面高温区域愈容易在低当量比下稳定于多孔介质填充区域．这是因为多孔介质在微燃烧器中主要起储热稳燃作用，随着k s 增大，储热效果也更明显，低当量比的未燃预混气更易于在多孔介质区域燃烧并稳定．整体而言，稳燃范围随着ks 增大而增大．（a ）u ＝2m/s （b ）u ＝3m/s图5 多孔介质热导率对稳燃范围的影响同样，由图5可以看出，u ＝3m /s ，k s ＝2W /(m ·K )时，Φ1、Φ2不存在．计算过程中，在该入口流速与多孔介质热导率设置下，预混气无法在微燃烧器腔内稳定燃烧．可以推测，当入口流速较高时，较低热导率的多孔介质并不能起到稳燃作用，燃烧无法在燃烧器腔内稳定存在． 3.2 壁面热导率对稳燃范围的影响微燃烧器壁面对于燃烧特性主要有两方面影响：一方面高温壁面向上游冷壁面导热，可以有效预热未燃预混气，另一方面壁面与外界环境间存在对流换热损失，热损过大有可能导致熄火．因此，壁面热导率(k w )是影响微燃烧器稳燃范围的另一个重要因素．固定入口流速，微燃烧器的稳燃范围随k w 的变化如图6所示．可以看出，当k w 取值逐渐增大时，临界条件Φ1、Φ2相应地产生V 型变化趋势．当k w 取值范围较小时，如2W /(m ·K )、20W/(m ·K )，高温壁面对上游未燃预混气的预热作用较为明显，Φ1、Φ2随着k w 的增加而降低．当k w 继续增大，如50W /(m ·K )，壁面与外界的对流换热损失逐渐占据主导地位，Φ1、Φ2大幅增加．随着k w 增大，如100W /(m ·K )、200W /(m ·K )，可以看到Φ1、Φ2相继消失，稳燃区间也不存在，即k w 过高时，预混火焰将被吹出微燃烧器，甚至熄火．同时，对比不同流速工况下的结果，可以推测在较高流速下，稳燃范围的临界点Φ1、Φ2更容易消失．（a ）u ＝2m/s （b ）u ＝3,m/s图6 壁面热导率对稳燃范围的影响3.3 多孔介质孔隙率对稳燃范围的影响当入口流速固定时，改变微燃烧器内填充多孔介质的孔隙率ε，多孔介质内的实际流速也会发生相应改变，从而对燃烧器的稳燃范围产生一定影响．图7分别展示了微燃烧器的稳燃范围随ε改变而产生的变化趋势．u ＝2m /s 时，随着ε逐渐增大，多孔介质内的实际流速相应地减小，所以预混气可以在更低的当量比下在多孔介质中稳燃，即Φ2与ε呈反比关系．而Φ1则不同，当ε增至某一数值时，Φ1会保持平稳．u ＝3m /s 时，Φ1、Φ2在ε小于0.7的范围里，有着与u ＝2m /s 时相似的变化趋势．当ε趋近0.8并逐渐升高时，Φ1、Φ2的变化趋势会分别出现转折并逐渐增大．当ε处于0.8～0.9的区间时，微燃烧器具有较为宽广的稳燃范围．（a ）u ＝2m/s （b ）u ＝3m/s图7 多孔介质孔隙率对稳燃范围的影响4 结 论本文对氢气/空气预混气在部分填充多孔介质的微平板燃烧器的稳燃范围进行了数值模拟，分别研究了多孔介质热导率、壁面热导率以及多孔介质孔隙率的影响．(1) 随着多孔介质热导率的增加，Φ1基本没有明显的改变，Φ2与多孔介质热导率呈反比关系，稳燃范围也逐步扩大．(2) 壁面热导率与临界条件Φ1、Φ2呈V 型趋势，随着壁面热导率的增加，Φ1、Φ2会经历一个先减陈金星等：多孔介质微燃烧器的稳燃范围的数值研究 燃烧科学与技术— 235 —小后增大的过程．当壁面热导率过高时，Φ1、Φ2会逐渐消失，稳燃范围也不再存在．(3) 多孔介质孔隙率是影响燃烧器稳燃范围的重要因素，在0.5～0.9的区间内，随着孔隙率的增大，稳燃范围也随之增大． 参考文献：［1］ 范爱武，姚 洪，刘 伟. 微小尺度燃烧[M ]. 北京：科学出版社，2012.Fan Aiwu ，Yao Hong ，Liu Wei. Micro-Combustion [M ]. Beijing ：Science Press ，2012(in Chinese ).［2］ Norton D G ，Vlachos D G. Combustion characteristicsand flame stability at the microscale ：A CFD study of premixed methane/air mixtures [J ]. Chemical Engineer-ing Science ，2003，58(21)：4871-4882.［3］ Norton D G ，Vlachos D G. A CFD study of propane/airmicroflame stability [J ]. Combustion & Flame ，2004，138(1)：97-107.［4］ Liu Y ，Zhang J Y ，Fan A W ，et al. Numerical investi-gation of CH 4/O 2 mixing in Y-shaped mesoscale combus-tors with/without porous media [J ]. Chemical Engineer-ing & Processing ，2014，79(3)：7-13.［5］ Zhao P H ，Chen Y L ，Liu M H ，et al. Numerical simu-lation of laminar premixed combustion in a porous burner [J ]. Fron t iers of Energy & Power Engineering in China ，2007，1(2)：233-238.［6］ Zhong B J ，Wang J H. Experimental study on premixedCH 4 /air mixture combustion in micro Swiss-roll combus-tors [J ]. Combus ion and Flame ，2010，157(12)：2222-2229.［7］ Pan J F ，Wu D ，Liu Y X ，et al. Hydrogen/oxygenpremixed combustion characteristics in micro porous me-dia combustor [J ]. Energy Procedia ，2015，61：1279-1285.［8］ Li J ，Wang Y T ，Shi J R ，et al. Dynamic behaviors ofpremixed hydrogen-air flames in a planar micro-combustor filled with porous medium [J ]. Fuel ，2015，145：70-78.［9］ Li J ，Wang Y T ，Chen J X ，et al. Effects of combustorsize and filling condition on stability limits of premixed H 2-air flames in planar microcombustors [J ]. AIChE Journal ，2015，61：2571-2580.［10］ Li J ，Wang Y T ，Chen J X ，et al. Experimental studyon standing wave regimes of premixed H 2-air combustion in planar micro-combustors partially filled with porous medium [J ]. Fuel ，2016，167：98-105.［11］ Li J ，Li Q Q ，Wang Y T ，et al. Fundamental flamecharacteristics of premixed H 2-air combustion in a planar porous micro-combustor [J ]. Chemical Engineering Journal ，2016，283：1187-1196.［12］ Giovangigli V ，Smooke M D. Extinction of strainedpremixed laminar flames with complex chemistry [J ]. Combus ion Science and Technology ，1987，53：23-49.［13］ Chua K J ，Yang W M ，Ong W J. Fundamental experi-ment and numerical analysis of a modular microcombus-tor with silicon carbide porous medium [J ]. Industrial & Engineering Chemistry Research ，2012，51(18)：6327-6339.［14］ Bubnovich V I ，Zhdanok S A ，Dobrego K V . Analyticalstudy of the combustion waves propagation under filtra-tion of methane-air mixture in a packed bed [J ]. Interna-t ional Journal of Hea t & Mass Transfer ，2006，49(15/16)：2578-2586.［15］ 史俊瑞，解茂昭，徐有宁，等. 多孔介质燃烧-换热器NO x 排放的二维数值研究[J ]. 工程热物理学报，2011，32(2)：353-356.Shi Junrui ，Xie Maozhao ，Xu Youning ，et al. Two-dimensional numerical study of NO x emissions in porous media combustor-heater [J ]. Journal of Engineering Thermophysics ，2011，32(2)：353-356(in Chinese ).。

燃烧模型对多孔介质内预混燃烧的影响夏永放;史俊瑞;徐有宁;李本文;薛治家;谷聪伟【摘要】采用二维非稳态数学模型研究燃烧模型多孔介质内预混燃烧影响.燃烧模型分别为单步和多步化学反应动力机理(17种组分,58个反应),CH4/空气当量比的范围为0.55～1.0.对比分析两种燃烧模型下燃烧器中心处的温度、组分浓度分布曲线.结果表明,多步燃烧模型对燃烧器内温度、组分浓度分布有更准确的预测,并与文献结果比较,证实了二维非稳态数学模型的正确性.此外,将二维的温度场进行比较,结果表明单步化学机理的反应区域小,温度梯度大,而多步化学反应由于各反应步骤存在时间尺度的差异,反应区域大,温度梯度相对较小,与实际燃烧情况能很好的吻合.【期刊名称】《沈阳工程学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(010)002【总页数】5页(P118-122)【关键词】燃烧模型;预混燃烧;多孔介质;二维数值模拟【作者】夏永放;史俊瑞;徐有宁;李本文;薛治家;谷聪伟【作者单位】沈阳工程学院辽宁洁净燃烧发电与供热技术重点实验室,辽宁沈阳110316;沈阳工程学院辽宁洁净燃烧发电与供热技术重点实验室,辽宁沈阳110316;沈阳工程学院辽宁洁净燃烧发电与供热技术重点实验室,辽宁沈阳110316;大连理工大学能源与动力学院,辽宁大连116024;沈阳工程学院辽宁洁净燃烧发电与供热技术重点实验室,辽宁沈阳110316;沈阳工程学院辽宁洁净燃烧发电与供热技术重点实验室,辽宁沈阳110316【正文语种】中文【中图分类】TK16预混气体燃烧特性研究一直被许多学者作为一个热门的话题[1-2].多孔介质内预混气体燃烧具有低CO和NOx排放、热流密度高及动力调节范围大等优点，可应用在内燃机、户式供暖、工业炉等领域[3-4].近些年，在多孔介质预混燃烧器设计和运行上有了更多的研究.Fu，Hsu等[5-6]在多孔介质内燃烧的辐射效率、燃烧率、熄火极限、火焰稳定性、污染物排放等方面做了大量的试验工作.数值模拟被广泛用在研究多孔介质燃烧方面.Hsu等[7]对多孔介质内的燃烧速度、温度、组分浓度分布做了一维数值计算，确认使用多步化学反应动力模型的必要性.Barra等[8-9]首次用一维非稳态数学模型研究了多孔介质内气固传热过程及多孔介质材料特性对火焰稳定性的影响.Brenner等[10]用二维稳态数学模型对多孔介质燃烧器内温度场及组分浓度分布进行了数值模拟，并与实验数据进行比较，认为数值模拟是很好的辅助设计工具.Liu等[11]用二维非稳态数学模型研究了多孔介质燃烧器内反应物当量比、介质辐射衰减系数及导热系数对温度场的影响.采用二维非稳态数学模型，分别用单步和多步化学反应(17种组分，58个反应)机理，对CH4/空气当量比Φ在0.55～1.0范围内进行数值计算.分析比较两种燃烧模型对温度场、组分浓度分布引起的差异.此外，对两种燃烧模型下多孔介质燃烧器的排放温度进行分析，并与文献[7-8]数据进行比较来验证计算模型及结果的正确性.同时，还研究CO浓度随当量比Φ的变化规律，并与文献[12]结果进行比较，进一步证实计算模型及结果的正确性.1.1 物理模型研究对象为2段式柱形多孔介质燃烧器，数值计算区域为燃烧器模型对称轴的一半，模型如图1所示.燃烧器总长度6.05 cm，上游段小孔区A(Al2O3,25.6 ppc(单位厘米孔数))长度为3.5 cm，下游段大孔区B(PSZ(氧化钇稳定的氧化锆),3.9 ppc) [7]长度为2.55 cm，燃烧器内径为7 cm.1.2 数学控制方程为简化计算工作量，做如下假设.1) 燃气混合物为理想气体且无辐射.2) 多孔介质材料常物性且无催化作用.3) 忽略Dufour效应、Soret效应及体积力.4) 燃烧器壁面绝热.5) 忽略浮升力效应.基于以上假设，采用二维非稳态数学模型，控制方程组如下.1)连续性方程2)动量方程3)气体能量方程4)固体能量方程▽2Ts5)组分输运方程式中，ρg为气体混合物密度，uj为气流速度，p为压力，μ为气体混合物动力粘性系数，ε为多孔介质空隙率，cg为气体混合物平均比热容，Tg为气体热力学温度，Ts为固体温度，λg为气体导热系数， cg,k为第k种组分的比热容， Dk为第k种组分的扩散系数，Yk为第k种组分质量分数，ωk为第k种组分生成率，hk为第k种组分生成焓，hV为体积对流换热系数，ρs为固体密度，cs为固体比热容，λs,eff为有效固体导热系数.Vk,j为第k种组分扩散速度.有效固体导热系数λs,eff =λs+λR，其中λs为固体导热系数，λR为当量辐射导热系数.多孔介质假定为连续性介质且光学厚度为无穷大，当量辐射导热系数由扩散逼近法确定[11,13]：固相能量方程通过固气相间的对流换热进行耦合求解.由于传热的复杂性换热系数采用体积对流换热系数，体积Nusselt数一般关系表达式如下[8]：式中，常数C在小孔区和大孔区分别为0.638、0.146，指数m在小孔区和大孔区分别为0.42、0.96.为了使计算方程组封闭，气相混合物密度需要计算，其表达式如下：式中，为气体平均分子量，Ro为通用气体常数.第k种组分的扩散速度计算表达式如下：式中，Dkm组分扩散系数从CHEMKIN II物性输运数据库获得[17].1.3 燃烧模型和边界条件模拟计算燃烧模型分别使用单步燃烧模型和多步燃烧模型(17种组分，58个反应)[7].此研究采用二维非稳态数学模型，初始条件预设多孔介质燃烧器内点火温度为1 500 K，气体混合物入口边界条件为出口边界条件为假设进出口多孔介质与环境间仅存在辐射换热，其入口表达式为出口为计算使用CFD软件包FLUENT6.3，气固两相及燃烧器进出口与环境间的换热计算采用自定义函数UDF程序完成，气体组分热化学及输运特性由CHEMKIN II物性输运数据库[14]和TRANFIT数据库获得[15].用SIMPLE算法对压力速度场耦合计算，对流相离散采用一阶迎风差分格式，扩散项采用中心差分格式.使用两种燃烧模型分别在当量比Φ=0.55～1.0范围内进行二维数值计算，分析比较单步和多步化学反应机理对温度场、组分浓度分布引起的差异.另外，对多步反应中CO排放浓度与当量比变化规律进行分析.为了验证二维非稳态数学模型的正确性，绘制出不同当量比下单步和多步反应燃烧器轴中心温度及主要组分分布曲线，并进行比较，如图2所示.由于燃烧器内气体和固体间的对流换热系数较高，气体和固体间温差较小，因此，固体温度曲线不作详细分析.在预热段固体间进行导热及辐射方式传热，其温度稍高于气体；而在反应区，燃烧气体放出化学反应热，温度稍高于固体.图2表明在预热区单步反应与多步反应的温度及主要组分分布曲线是基本重合的，而在反应区段，单步反应的温度比多步反应的温度要高，温度梯度大，而且单步反应主要组分浓度也比多步反应组分浓度要高.由于单步反应无法选择化学反应路径，反应区域小，CO2生成速度要比多步反应快.相比之下，多步反应机理中CH4热解成中间碳氢化合物组分，从化学反应时间尺度来分析，燃料氧化反应生成CO和CO2速度比单步化学反应机理慢.在反应区CO出现峰值，随后部分CO组分又被氧化成CO2，多步反应释放的化学反应热比单步反应少，因此，多步反应的出口温度比单步反应低.图2还表明，随当量比Φ增加，以上对应各相同量的差值加大，与文献[7]具有相似的规律.两种反应机理情况下多孔介质燃烧器出口温度随当量比Φ变化关系，如图3所示，并与文献[8]进行比较.当量比Φ增加，出口温度近似地呈线性升高，与文献[8]具有相同的规律.随当量比Φ增加，单步反应与多步反应出口温度差值逐渐加大.在当量比Φ=0.8时，多步化学反应的出口温度几乎与文献[8]的结果相等，证明此研究采用二维非稳态数学模型的正确性.不同当量比下二维CO浓度分布云图，如图4所示.从图4中可以看出上下游多孔介质交界面上CO有很大的变化梯度，出现峰值浓度；随后，部分CO又被氧化成CO2，浓度降低.随着当量比Φ增加，CO的峰值浓度升高，排放浓度增加.燃烧器中心CO排放浓度随当量比Φ的变化关系曲线，如图5所示.CO出口排放浓度随当量比Φ呈近似幂指数变化，并与文献[12]结果进行比较，表明二维非稳态模型计算结果能够与文献实验结果吻合较好，进一步证实了研究数学模型及燃烧模型的正确性.不同当量比时，2种燃烧模型的二维温度场比较，如图6所示.由于单步化学反应模型反应迅速，反应区域小，在较小空间区域内，有较大的温度梯度.而对于多步化学反应模型，由于化学反应路径多，各反应步骤存在反应时间尺度上的差异及中间组分的不完全反应，具有较大的反应区域，温度梯度较小，温度场分布更均匀化一些，更接近实际情况.此外，燃烧器壁面处由于气体粘滞力的影响，在边界上存在流动边界层，温度分布符合边界层规律.通过采用二维非稳态数学模型对单步燃烧模型和多步燃烧模型计算结果分别进行计算分析比较，得到如下主要结论.1)计算结果与文献[7-8，12]数据相吻合，证实了此研究采用二维非稳态数学模型是正确的.2)单步燃烧模型反应迅速，反应区域小，而多步燃烧模型各个反应步聚存在反应时间尺度的差异，整体反应较平缓，反应区域较大，接近于实际燃烧规律.3)相对于单步燃烧模型，多步燃烧模型能够预测污染物形成规律及排放浓度，CO 排放浓度随当量比Φ呈幂指数增加.【相关文献】[1] Jun-Rui Shi,Mao-Zhao Xie,Hong Liu,et al.Two-dimensional numerical study of combustion and heat transfer in porous media combustor-heater[J].Proceedings of the Combustion Institute,2011,33: 3309-3316.[2] 刘慧，董帅，李本文，等.多孔介质内预混气体燃烧稳定操作范围的研究[J].东北大学学报：自然科学版，2010，31(6)：834-837.[3] D Trimis,F bustion in a porous medium-advances andapplications[J].Combustion Science and Technology,1996,121:153-168.[4] J R Howell,M J Hall,J L bustion of hydrocarbon fuels within porous inertmedia[J].Progress Energy Combustion Science,1996,22:121-145.[5] X Fu,R Viskanta,J P Gore.Measurement and correlation of volumetric heat transfer coefficients of cellular ceramics[J].Experimental Thermal and Fluid Science,1998,17:285. [6] P F Hsu,W D Evans,J R Howell.Experimental and numerical study of premixed combustion within nonhomogeneous porous ceramics[J].Combustion Science and Technology,1993,90:149-172.[7] P F Hsu,R D Matthews.The necessity of using detailed kinetics in models for premixed combustion within porous media[J].Combustion and Flame,1993,93:457-466.[8] Amanda J Barra,Guillaume D,Janet L E,et al.Numerical study of the effects of material properties on flame stabilization in a porous burner[J].Combustion andFlame,2003,134:369-379.[9] Amanda J B,Janet L.Heat recirculation and heat transfer in porousburners[J].Combustion and Flame,2004,137:230-241.[10]G Brenner,K Picken,O Picken,et al.Numerical and experimental investigation of matrix-stabilized methane/air combustion in porous inert media[J].Combustion andFlame,2000,123: 201-213.[11]Hui Liu,Shuai Dong,Benwen Li,et al.Parametric investigations of premixed methane-air combustion in two-section porous media by numerical simulation[J].Fuel,2010,89:1736-1742.[12]X Y Zhou,J C F parison of four combustion models for simulating the premixed combustion in inert porous media[J].Fire Mater,1998,22: 187-197.[13]Maozhao Xie,Junrui Shi,Yangbo Deng,et al.Experimental and numerical investigation on performance of a porous medium burner with reciprocating flow[J].Fuel,2009,88:206-213.[14]R J Kee,F M Rupley,J A Miller.The Chemkin thermodynamic data-base[R].Sandia National Laboratories Report,SAND-8215B,1992.[15]R J Kee,G Dixon-Lewis,J Warnatz,et al.A fortran computer code package for the evaluation of gas phase multi-component transport properties[R].Report SAND86-8246,Sandia National Laboratories,1986.。

多孔介质内预混气体燃烧的实验和数值模拟研究共3篇多孔介质内预混气体燃烧的实验和数值模拟研究1多孔介质内预混气体燃烧的实验和数值模拟研究随着经济的飞速发展，人们对能源的需求在不断增加，而石化行业的快速发展也使得空气污染和温室气体排放日益加剧。

燃烧是石化生产中最重要的环节，因此节能降耗、减少环境污染和提高石化生产效率，成为石化行业亟需解决的问题。

多孔介质内的预混燃烧是一种可以实现高效能、低污染的燃烧方式。

多孔介质不仅提供了相对较大的反应表面积和热量交换面积，更重要的是，它可以改善流动场的分布，增强燃烧反应动力学过程中的传质与传热过程，并降低燃料使用量。

因此，对多孔介质内预混气体燃烧的研究成为了当前燃烧工程领域的热点和难点。

实验研究和数值模拟研究是多孔介质内预混气体燃烧研究的关键环节。

通过实验研究，可以获得多种参数的变化规律，了解多孔介质内的燃烧过程，探究燃烧机制。

而数值模拟则可以为实验提供补充，通过数值模拟，可以模拟多孔介质内燃烧的过程，预测多种参量的变化趋势，发现存在的问题并提出解决方案。

因此，实验研究和数值模拟研究是密切相关且缺一不可的。

在实验研究中，我们通常采用测量多种参量的方式，比如温度、燃料和氧气之间的摩尔分数、CO、CO2和NOx等的浓度变化，以及某一位置的速度和压力变化等。

我们可以通过改变多孔介质的孔径、厚度、形状和流向等因素来研究多孔介质内的气体燃烧过程。

同时，我们还可以利用高速摄影技术，观察燃烧时的流动场变化，建立流场模型，了解燃烧机制。

这些实验数据对于验证数值模拟的准确性，同时为未来的多孔介质内预混气体燃烧的优化提供指导。

在数值模拟研究中，我们通常采用CFD（ComputationalFluid Dynamics）方法，利用领域物理和数学数值计算的方法对多孔介质内预混燃烧的流动场和化学反应过程进行计算和分析。

通过数学方法建立多孔介质的几何模型和物理模型，同时划分计算区域，设置初始和边界条件。

多孔介质反应器中甲烷预混气体燃烧火焰传播特性研究_位纯知Value Engineering 0引言随着当今社会能源需求的增加和化石燃料资源的限制，要求经济和清洁的能源出现。

氢气是环境友好型能源，被认为是一种未来能源[1]。

传统的甲烷重整制氢方式有水蒸汽重整，自热重整和部分氧化重整，但常需催化剂，装置大系统复杂[2]。

将多孔介质超绝热燃烧技术应用到部分氧化重整的领域，可以有效地解决传统重整制氢面临的问题。

多孔介质反应器中燃烧气体对流传热，使固体骨架通过导热和辐射作用将热量传递到火焰的上游预混气体[3]。

因此多孔介质内超绝热条件下反应温度高，反应速度快，燃烧稳定性好等优点。

因此多孔介质燃烧技术在国内外被广泛的研究。

Kim 等研究了甲烷在多孔床燃烧器的贫燃燃烧稳定火焰的位置受混合物平均速度的影响[4]。

Bubnovich 等人对双层氧化铝小球燃烧器的贫燃稳定性进行了研究，火焰可以稳定在两层小球交界面上[5]。

Bubnovich 等人建立惰性多孔介质气体燃烧简单模型预测了燃烧反应区的厚度和燃烧波的波速[6]。

国内的吕兆华等人研究了不同当量比下泡沫陶瓷介质中的燃烧速率[7，8]。

王恩宇、褚金华等对渐变型多孔介质燃烧器中天然气预混燃烧温度分布进行了研究，结果表明其温度分布更均匀燃烧更稳定[9，10]。

为了优化多孔介质反应器的点火启动过程，本文分别以氧化铝小球和氧化铝泡沫陶瓷为多孔介质，对不同流速的甲烷/空气预混气体在不同孔隙率和多孔介质材料的多孔介质反应器内的火焰前沿传播特性进行了研究，试验研究不同多孔介质结构和流速对燃烧波的传播速度的影响。

1实验装置惰性多孔介质燃烧实验系统包括燃料供给系统、燃烧系统、冷却与干燥系统、控制与测量系统。

系统示意图如图1所示。

多孔介质反应器采用内径40mm ，外径60mm ，高410mm 的不锈钢圆管。

圆管轴向开了12个为孔径5.5mm ，孔距20mm 的等间距的小孔。

管壁开孔中安装12根热电偶，相应的温度分别用T1到T12表示。

热工综合试验结课作业多孔介质燃烧实验报告姓名：学号：指导老师：时间：多孔介质燃烧实验报告一、实验名称：多孔介质燃烧试验研究二、实验目的研究可燃气体混合物在耐高温、导热性能较好的多孔介质里的燃烧情况，并且与无多孔介质时加以对比。

通过监测分析燃烧室各处的温度变化来分析多孔介质对燃烧的促进作用。

三、实验背景与技术简介多孔介质中的预混燃烧方式是气体混合物在一种既耐高温、导热性能又好的特殊多孔介质材料里燃烧的过程，燃气和空气充分混合后经预热接近着火温度，然后进入多孔介质燃烧室中进行燃烧。

多孔介质，即由固体物质组成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙构成的介质。

多孔介质是由多相物质所占据的共同空间，也是多相物质共存的一种组合体，没有固体骨架的那部分空间叫做孔隙，由液体或气体或气液两相共同占有，相对于其中一相来说，其他相都弥散在其中，并以固相为固体骨架，构成空隙空间的某些空洞相互连通。

多孔介质是一种具有大孔隙率和光学厚度的透气性固体。

多孔介质的存在使燃料和氧气的接触面积变大，燃烧过程中，多孔介质内气相的燃烧放热、内部导热、对流、传质和固相内部导热、辐射及气、固两相之问的对流换热互相耦合，这种复杂的传热和化学反应过程就构成新颖、独特的燃烧方式。

燃料和氧化剂(氧气或空气)按一定的比例预先均匀混合，再送入燃烧室中进行燃烧的方法称为预混合燃烧。

多孔介质内预混合燃烧是指预混合气体通过颗粒或小球填充床、蜂窝陶瓷或泡沫陶瓷、毛毡滤芯、金属薄片叠层、纤维膨化结构等多孔介质固体框架缝隙内的燃烧。

多孔介质燃烧优点有很多，相对于气体，多孔介质具有更良好的热交换特性，使燃烧区域温度迅速趋于均匀；相对于自由空间，多孔介质有更大的固体表面积，因而具有很强的蓄热能力。

由于多孔介质的存在，在燃烧过程中，通过各种换热形式，尤其为辐射放热，大部分反应区产生的热量回流有效预热未燃混合气体，使燃烧保持更好的稳定性。

大量的研究表明多孔介质中的预混燃烧可大幅度提高燃烧速率，显著增强火焰稳定性，提高火焰温度，扩展贫燃极限，降低有害污染物的排放量。

第11卷第3期2005年6月燃　烧　科　学　与　技　术Journa l of Co m busti on Sc i ence and Technology Vol .11No .3Jun .2005预混气体在多孔介质中往复式超绝热燃烧的数值研究杜礼明1,2,解茂昭2(1.中国科学院大连化学物理研究所,大连116023;2.大连理工大学动力工程系,大连116024)摘　要:根据气、固两相局部非热平衡假设,建立了RS CP 系统的二维非稳态数学模型,对于固体能量方程中的辐射源项采用辐射传递的有限体积法求解,研究了当量比、换向半周期、混合气流速对温度分布、辐射热流量和放热率的影响,考察了最高温升和可燃极限与这些参数之间的关联.研究表明,燃烧室内温度呈梯形分布,高温区较宽;气体的最高温度明显高于绝热火焰温度;贫可燃极限显著扩展,对提高燃烧效率和节约能源有重要作用.关键词:多孔介质;预混气体;往复流动;超绝热燃烧;数值研究中图分类号:TK124 文献标志码:A 文章编号:100628740(2005)0320230206Num er i ca l S i m ul a ti on on Rec i proca ti n g Superad i a ba ti c Com busti onof Prem i xed Ga ses i n PorousM ed i aDU L i 2m ing 1,2,X I E Mao 2zhao2(1.Dalian I nstitute of Chem ical Physics,Chinese Acade my of Science,Dalian 116023,China;2.Depart m ent of Power Engineering,Dalian University of Technol ogy,Dalian 116024,China )Abstract:Taking int o account non 2l ocal ther modyna m ic equilibriu m bet w een the por ous media and p re m ixed gases by in 2tr oducing separate energy equati ons for the gas and s olid phases,t w o 2di m ensi onal unsteady mathematical model for reci p r o 2cating superadiabatic combusti on of p re m ixed gases (RSCP )in por ous media has been devel oped in the p resent study .The finite volu me method is app lied t o s olve the radiative s ource ter m in the energy equati on of s olid phase .The influences of the dom inating working para meters,such as equivalence rati o,half cycle and fl ow vel ocity,on the temperature distribu 2ti ons,radiati on flux and heat release rate are discussed .The relati onshi p bet w een the maxi m u m te mperature difference and the para meters are exa m ined and the influence of the parameters on combustible li m it is ascertained .The results show that the te mperature p r ofile inside the combust or has a typ ical trapezoidal shape and the domain of the central p lateau te mpera 2ture al m ost covers half of the combust or;the maxi m u m gas te mperature is re markably higher than the theoretical fla me tem 2perature and the combustible range can be extended obvi ously .It reveals that the RSCP can make an i m pact r ole on energy saving and combusti on efficiency i m p r oving .Keywords:por ous media;p rem ixed gases;reci p r ocating fl ow;superadiabati o combusti on;nu merical investigati on 高孔隙率的多孔介质有很大的热容量和比表面积,是很好的燃烧场和蓄热场,与气体相比,导热系数和热辐射能力也大得多,因而有很好的换热性能.在燃烧室中插入多孔介质,可以显著增强火焰中的传热传质过程,存储大量燃烧热,可以使火焰温度明显超过混合气在自由空间中的绝热火焰温度,这就是所谓的超绝热燃烧[1～3]. 预混合气体以往复流动形式在多孔介质中超绝热收稿日期:2004210208. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50076005). 作者简介:杜礼明(1972— ),男,博士,助理研究员,dul m @dicp.ac .cn .燃烧(RSCP )是近几年发展起来的一项新型多孔介质预混燃烧技术,被认为是当前最有效和最实用的燃烧技术之一.与预混气体单向流动的多孔介质预混合燃烧(P MC )不同,在RSCP 燃烧器中,每隔一定时间(即半周期)燃气和尾气的流向互换.由于混合气进出多孔介质的方向周期性换向,使得分别充当预热器和余热回收器的多孔介质两端的作用也周期性改变,从而可充分利用多孔介质良好的传热性能和蓄热能力,最大限度回收尾气余热,并使燃烧热得到循环利用.实验研究表明,与多孔介质中单向流动的预混合气燃烧相比,RSCP 扩展可燃极限的潜力更大,甚至可以实现燃料的极稀薄燃烧[4].本文研究了当量比、换向半周期、混合气流速等工况参数对温度分布、辐射热流量和放热率的影响,考察了最高温升和可燃极限与这些参数之间的关联,以期对RSCP 机理的研究和新型多孔介质预混合燃烧器的设计起到一定的参考作用.1　数学模型1.1　问题描述 RSCP 的工作原理与系统组成见文献[5]所述,燃烧室为一细长圆柱形结构,可用二维轴对称模型描述.本文将RSCP 系统简化成如图1所示的物理模型,图中多孔介质A 的孔径比多孔介质B 的孔径小得多,目的是阻止“回火”[6].燃烧室的总长度L 0=32c m ,其中L 1=L 0/8,新鲜可燃混合气以室温状态交替从多孔介质两端流入,流动方向每隔一定时间反向一次.图1　RSCP 燃烧器示意1.2　数学模型 多孔介质中气、固相的传热能力有明显差异,气体燃料燃烧释放出来的热量不可能立刻完全传递给固体基质,因此两相之间存在局部温差,即二者处于局部非热平衡状态,应分别建立能量输运方程,并通过两相之间的换热将这两个方程耦合起来.本文引入多孔介质的体积孔隙率ε以描述固相介质的存在和影响.为简化问题,研究中作了4项假设. (1)多孔介质是不可渗透和惰性的,可当作连续介质处理,在燃料燃烧过程中不变形,孔隙率不随空间位置和多孔介质的孔隙结构变化而变化,忽略两种多孔介质之间的接触热阻,不考虑两种多孔介质的结构差异对换热和流体流动的影响. (2)多孔介质为一个各向同性的光学厚介质,可发射和吸收热辐射,忽略漫射,忽略潜在的催化效应,忽略混合气的热辐射. (3)燃料和空气在反应前已充分混合,可以视为理想气体,燃烧反应为一步不可逆化学反应,服从A r 2rehnius 定律,并且火焰不发生畸变. (4)由于流速较低,扩散效应明显强于弥散效应,因此忽略弥散效应;忽略气体热辐射和Duf our 效应的影响. 根据以上假设,建立控制方程. 连续方程: 5(ρg )5t +55x (ρg u )+1r 55r(r ρg v )=0(1) 轴向动量方程: 5(ρg u )5t +55x (ρg uu )+1r 55r (r ρg vu )= -5p 5x +55x (μ5u 5x )+1r 55r (μr 5u 5r )-ΔpΔx(2) 径向动量方程: 5(ρg v )5t +55x (ρg uv )+1r 55r (r ρg vv )=-5p5r+5x (μ5v x )+1r 5r (μr 5v r )-μv r 2-Δp Δr(3) 式(2)和式(3)最后一项表示气体反应流在多孔介质中的压力损失,用Ergun 模型可以描述为-Δp Δx =μc 1u +c 2ρg |u |u -Δp Δr =μc 1v +c 2ρg |v |v (4)式中:c 1和c 2分别表示多孔介质的渗透系数和惰性系数. 气相的能量方程为 5(ρg c p T g )t +5x (ρg c p uT g )+1r 5r(r ρg c p vT g )=55x (λg 5T g 5x )+1r 55r (λg r 5T g 5r)+H (T s -T g )/ε+ΔH c ωF W F (5)式中:H 为多孔介质中气、固两相间的体积换热系数;λg 与c p 分别是混合气的导热系数和质量比热容;右边最后一项表示混合气燃烧放出的热量,其中ωF 为燃・132・2005年6月 杜礼明等:预混气体在多孔介质中往复式超绝热燃烧的数值研究料和氧的摩尔反应速率,ΔH c 为单位质量燃料的燃烧热.根据A rrehnius 定律,单步反应的热效应与详细化学反应的热效应是相同的,此处关心的是燃料的热效应,因此可用单步不可逆总反应来描述其燃烧反应. 多孔介质的能量方程为 5(ρs c p s T s )5t =55x (λs5T s 5x )+1r 55r (λs r 5T s 5r )+ H (T g -T s )1-ε-(5q r x +5q rr)-C w (T s -T 0)(6)式中,C w (T s -T 0)表征燃烧室的热量损失,参照文献[7],取C w =280W /(m 3・K ). 组分守恒方程为 5(ρg m i )t +5x (ρg um i )+1r 5r(r ρg v m i )= 55x (λg L e i c p 5m i 5x )+1r 55r (r λg L e i c p 5m i 5r)-W i ωi(7)式中:L e 是Le wis 数,L e =ρc p D /λg ,D 为组分扩散系数;ωi 为i 组分的摩尔反应速率;W i 为i 组分的分子量. 燃气是预先混合好的甲烷和空气均匀混合物,可以视作理想气体,因此燃烧过程中气体混合物的密度可以根据理想气体状态方程求得.1.3　数值计算方法 对于式(6)中的辐射源项,采用辐射换热的有限容积法(finite volu me method )模型,离散与求解过程以及多孔介质的热物性参数详见文献[8].对计算区域采用有限容积法离散,空间方向上将燃烧室均匀划分为125×25个网格,角空间均匀划分为9×15个网格.对扩散、对流项采用乘方格式,对时间项采用全隐格式,边界条件采用附加源项法处理.燃烧是极快的化学反应现象,相对而言多孔介质中的换热是一个慢过程,它们的耦合使得控制方程组表现出强烈的刚性.为了克服刚性,在每个时间步上控制方程的求解分成两个阶段进行:首先,假定多孔介质的温度分布为定值(由前一次计算得到)求解化学反应项,将算得的热释放加到稳态气体能量方程和组分守恒方程中;然后,步进一个时间步长,计算新时间步长上的气体能量方程和多孔介质能量方程.2　结果与分析 由于本文中模型的边壁条件简单,加之多孔介质是均匀和各向同性的,模拟得到的各参量在燃烧室的径向差异较小,因而选用比较有代表性的轴向的量来描述各工况下RSCP 的热结构和燃烧特性.2.1　燃烧室内的典型热结构及其演化 图2中为稳定燃烧以后,RSCP 系统中任意一个周期内前后半周期末的气、固温度分布和放热率曲线.当量比<=0.15,初始流速u 0=0.1m /s 的甲烷2空气预混合气体在自由火焰中的绝热温度低于700K,由图可知,该工况参数下RSCP 系统(半周期h c =60s )中峰值温度超过1200K,而且高温区很宽,气、固温度分布基本呈梯形或马鞍状,换向前后的轴向温度场基本对称.图3为半周期内4个不同时刻的气体温度分布和放热率,根据温度峰值及最大放热率的位置可以判断RSCP 系统中火焰区周期性往复移动.这是因为对于预混合燃烧,火焰区的位置取决于混合气流速和火焰传播速度的相对大小,二者相等则火焰位置保持不动,若混合气流速较大,则火焰向下游移动,反之向上(a )前半周期末(b )后半周期末图2　RSCP 系统中一个周期内的气、固温度分布及放热率图3　半周期内RSCP 燃烧室中气体温度分布的演化及放热率・232・燃 烧 科 学 与 技 术 第11卷第3期游移动.RSCP系统由于流向的周期性换向,火焰传播速度也周期性往复换向,而该速度一般不等于混合气的流速,因此火焰区作周期性往复移动.与常规燃烧系统相比,这种热结构有利于强化对燃料的预热效果,减少热量损失,提高和均衡燃烧室的温度场.2.2　工况参数对热结构的影响 对于燃烧室尺寸和多孔介质材料确定的RSCP燃烧器,影响燃烧室的热结构和燃烧性能的主要参数是混合气的半周期hc、燃空当量比<和混合气流速u等工况参数.2.2.1　预混合气体流速的影响 图4表示混合气在3种不同流速的温度和放热率分布.由图4可知,流速增大,温度峰值和最大放热率明显升高,火焰区向两端移动,高温区加宽.因为在换向周期不变的情况下,流速增大,进入燃烧室的新鲜混合气的质量流量增加,单位时间内带入体系的热量相应增加.所以,对于极稀薄可燃气体(包括工业废气),为利于燃烧或处理,应以较大的初始流速导入燃烧器中,当然流速也不宜过大.因为多孔介质的蓄热能力(一般以ρsc p s值为量度)是有限的,随着流速的增大,烟气余量未被充分吸收即随烟气排出体系外,烟气出口温度升高,余热回收率降低.另外,流速过大,也使部分燃料有可能来不及参与燃烧就随尾气排出燃烧室.图4　过滤速度对RSCP燃烧室中气体温度分布及放热率的影响(<=0.15,hc=40s)2.2.2　半周期对热结构的影响 图5描述的是气体温度分布及放热率与换向半周期的关系.由图可知,随着换向半周期的增大,反应区和高温区向燃烧室中部移动,高温区变窄,梯形温度分布逐渐变形,出口温度也越来越高,峰值温度稍有降低,半周期增至无穷大,即混合气单向流动时,梯形温度分布形态消失,高温区的宽度变得很窄,导致出口温度很高,意味着热损失明显增大.图中P MC系统中<=0.35,u=0.10m/s.可见,在一定范围内,半周期越短,燃烧室中高温区越宽,温度分布越均匀,从而有利于提高能量利用效率.但从设备使用寿命看又要求半周期越长越好,结构一定的RSCP燃烧室,半周期的选取有一个合理的范围,一般hc=20～100s即可.图5　半周期对RSCP燃烧室中气体温度分布及放热率的影响(<=0.15,u=0.10m/s)2.2.3　当量比对热结构的影响 图6表示气体温度和放热率与甲烷2空气当量比的关系.随着当量比的增大,反应区向两侧移动,高温区显著增宽,温度梯度增大,温度峰值和出口温度明显增大.减小当量比,高温区变窄,<=0.075时,气体温度分布形态呈三角形分布,当量比小于一定值,温度峰值减小至低于最小点燃温度,火焰将熄灭.图6　当量比对RSCP燃烧室中气体温度分布及放热率的影响(u=0.1m/s,h c=40s)2.2.4　壁面热损失对热结构的影响 燃烧系统的绝热性能越好,燃烧热损失就越低,相同工况条件下燃烧室的温度就越高,图7为燃烧室的壁面热损失对气体温度分布的影响.从图中可见,随壁面热损失系数增大,反应区向燃烧室中部移动,峰值温度和高温区的温度普遍降低,轴线中间部位的温度下降尤其剧烈,Cw=140W/(m3・K)时,峰值温度和轴线中间点的温度分别为1253.5K和1202.5K,而C w=560W/(m3・K)时,这两个温度分别为1173.0・332・2005年6月 杜礼明等:预混气体在多孔介质中往复式超绝热燃烧的数值研究K 和1062.5K,高温区的宽度也明显变窄,温度分布形态由较规则的梯形向马鞍形转变.可见,改善燃烧系统的绝热性能对于提高燃烧温度和减少热损失十分重要.图7　壁面热损失对气体温度分布的影响(<=0.15,u =0.10m /s,h c =40s )2.2.5　最高温升与工况参数的关系 RSCP 系统的最大特点之一是利用多孔介质和往复换向装置的共同作用,充分回收尾气余热,降低热量损失,使部分燃烧热得以循环利用,从而可以实现稀薄乃至极稀薄自维持燃烧.图8表示不同当量比的预混合气在自由火焰中的绝热温度、P MC 系统及RSCP 系统(半周期h c =25s )中稳定燃烧时的最大气体温度.由图可知,同一当量比下混合气的峰值温度在RSCP 系统中最高,在P MC 系统中次之,在自由火焰中最低;P MC 系统和RSCP 系统的最高火焰温度都明显高于自由火焰中的绝热温度.这一结果充分显示出多孔介质的蓄热和预热作用,还表明RSCP 系统具有更强扩展贫可燃极限的能力,正是由于往复换向装置的嵌入,进一步强化了尾气余热回收和对预混气体的预热.图8　不同燃烧系统中最高气体温度与当量比关系的比较(u =0.1m /s ) 燃料在燃烧过程中的最高温度与理论燃烧温度之差(即最高温升)可以表征超绝热性能的强弱.图9表示不同半周期下最高温升ΔT 与当量比的关系.由图可知,半周期相同时,当量比越小,最高温升越大,即超绝热效应越明显,同一当量比下半周期小者超绝热效应更明显.自由火焰中甲烷2空气混合气的贫可燃极限一般为<=0.5,而<=0.075的极稀薄甲烷2空气混合气在RSCP 系统中最高温度仍高达1992.5K,最高温升为685.5K (h c =25s ).图9　燃2空当量比对最高温升的影响(u =0.1m /s ) 图10表示最高温升与换向半周期的关系,由图可知,最高温升随半周期增大而缓慢降低,如u =0.3m /s,h c =25s 时,ΔT max =685.5K,而h c =90s 时,ΔT max =619.0K .这是因为半周期越短,从尾气中回收的余热量越多,气、固换热也越频繁,气体的预热效果就更好,从而燃烧室的峰值温度也就越高.根据图11,最高温升随着流速增大而升高.这是因为当量比相同时,混合气的流速越大,单位面积上热负荷越高,燃烧热释放量随之增加,火焰温度升高.图10　换向半周期对最高温升的影响(<=0.15)2.2.6　RSCP 系统的可燃极限 本文研究了半周期分别为15s 和90s 情况下可燃极限与流速的关系,见图11.图中实验数据均取自文献[4],计算与实验中的工况参数、多孔介质的属性参数等都很接近.由图可知,在一定范围内,半周期越大,可燃极限越低.而对于同一半周期,混合气入口流速越大,可燃极限降低,但速度过大时通过燃烧室两端损失的热量迅速增大,可燃极限反而有所升高.图11・432・燃 烧 科 学 与 技 术 第11卷第3期还表明,对于材质相同的多孔介质,在一定范围内孔隙越小,预混合气体在其内的可燃极限也越低.本文中,h c =90s 和h c =15s 时,最低可燃极限分别为<=0.038及<=0.0445,相当于预混气体的低热值分别为104.5kJ /kg 和122.4kJ /kg .单向流动下多孔介质预混合燃烧的贫可燃极限一般为<=0.35左右[9],可见RSCP 技术显著扩展了燃料的贫可燃极限.图11　RSCP 系统中的可燃极限3　结　论 (1)RSCP 系统中反应区周期性往复移动,燃烧室内温度呈梯形或马鞍形分布,而且高温区很宽,这种独特的热结构形态有利于燃料的充分燃烧,从而降低NO x 与CO 排放. (2)流速、当量比和半周期等工况参数对RSCP 系统的温度分布、辐射热流量、最高温升和放热率有重要影响.对于一定RSCP 系统,存在一个最佳工况组合,使燃烧综合性能最高,可燃极限充分扩展. (3)RSCP 技术极大地提高了混合气的燃烧温度,显著扩展燃料的可燃极限,特别是贫可燃极限,使燃料的利用范围显著扩大,为开发低热值燃料和工业废气处理提供了理论依据.参考文献:[1]　Jeong Y S,Lee SM ,Ki m N K,et al .A study on combus 2ti on characteristics of superadiabatic combusti on in por ousmedia [J ].KSM E International Journal,1998,12(4):680—687.[2]　Zhdanok S,Lawrence A,Koester G .Superadiabatic combus 2ti on of methane air m ixtures under filtrati on in a packed bed [J ].Co m bustion and Flam e,1995,110:221—231.[3]　Hana mura K,Echigo R.Superadiabatic combusti on in a por 2ous mediu m [J ].Int J Heat M ass T ransfer ,1993,36(13):3201—3209.[4]　Hoff mann J G,Echigo R,Yoshida H,et al .Experi m entalstudy on combusti on in por ous media with a reci p r ocating fl ow syste m [J ].Co m bustion and Flam e,1997,111(1/2):32—46.[5]　解茂昭,杜礼明,孙文策.多孔介质中往复流动下超绝热燃烧技术的进展与前景[J ].燃烧科学与技术,2002,8(6):520—524.Xie Maozhao,Du L i m ing,Sun W ence .Superadiabatic com 2busti on in por ous media with reci p r ocating fl ow:Advancesand p r os pects[J ].Journal of Co m bustion Science and Tech 2nology,2002,8(6):520—524(in Chinese ).[6]　Contarin F,Saveliev A V,Frid man A A,et al .A reci p r ocalfl ow filtrati on combust or with e mbedded heat exchangers:Nu merical study[J ].International Journal of Heatand M ass Transfer ,2003,46:949—961.[7]　Tri m is D,Durst F .Combusti on in a por ous mediu m 2ad 2vances and app licati ons[J ].Co m bustion Science and Tech 2nology,1996,121(1—6):153—168.[8]　杜礼明.稀薄预混气体在多孔介质中超绝热燃烧的研究[D ].大连:大连理工大学动力工程系,2003.Du L i m ing,I nvestigati on on Superadiabatic Combusti on of Lean Prem ixed Gases in Por ous M edia [D ].Dalian:Depart 2ment of Power Engineering,Dalian University of Technol o 2gy,China,2003(in Chinese ).[9]　吕兆华,孙思诚,裴锦华,等.多孔泡沫陶瓷中预混火焰燃烧速率的试验研究[J ].燃烧科学与技术,1995,1(2):129—134.L üZhaohua,Sun Sicheng,Pei jinhua,et al .Experi m ental study of p re m ixed burning rate within por ous cera m ics[J ].Journal of Co m bustion Science and Technology,1995,1(2):129—134(in Chinese ).・532・2005年6月 杜礼明等:预混气体在多孔介质中往复式超绝热燃烧的数值研究。

多孔介质燃烧技术多孔介质燃烧技术1 多孔介质燃烧技术加入多孔介质的燃烧器由于对流，导热和辐射三种换热方式的存在，使燃烧区域温度趋于均匀，保持较平稳的温度梯度。

在燃烧稳定的同时还具有较高的容积热强度。

与自由空间燃烧相比，预混气体在多孔介质中的燃烧具有功率密度大，调节范围广，污染物排放低和结构紧凑等优点。

多孔介质预混燃烧特点是燃烧设备的热效率较高，其原因有以下两个方面：①燃气与空气预先充分混合, 在过剩空气很小的情况下也可达到完全燃烧,②由于辐射作用, 多孔介质的高温后部对低温的前部进行加热, 从而达到对未反应的燃气混合物的预热作用, 加快了燃烧速度。

因此对多孔介质传热传质和燃烧的研究具有重大的学术价值，已成为当前最活跃最前沿的研究领域之一。

传统的气体燃料燃烧主要是以自由火焰为特征的燃烧。

这种燃烧需要较大的空间，火焰周围温度梯度大，容易产生局部高温。

当温度高于1500℃时，NOx生成变得明显。

由于NOx的剧毒性，减少其排放也显得非常重要。

传统燃烧器的换热器主要以烟气辐射和对流换热为主，换热系数小。

多孔介质燃烧技术是一种新颖独特的燃烧方式。

其与自由空间燃烧的区别在于：（1）多孔介质的空隙率很大相对于自由空间有较大的固体表面积，因而有较强的蓄热能力；（2）多孔介质的存在使混合气体在其中产生剧烈的扰动，强化了换热。

（3）相对于气体来说多孔介质有较强的导热和辐射能力，可以使预混气体燃烧产生的部分热量从下游的高温区传递到上游的低温区预热未然混合气体，这样就提高了燃烧速率并可使燃料完全燃烧，减少了CO的排放；（4）多孔介质良好的换热特性是燃烧区域温度迅速趋于均匀，保持了平稳的温度梯度，降低了最高温度水平，减少了NOx生成量；（5）辐射燃烧效率最高可达80%-90%，而常规辐射燃烧器对辐射的转换效率充其量为30%，在相同的热负荷下,多孔介质预混燃烧热效率较高，比本生式燃烧节约燃气30-50%。

与自由燃烧相比，多孔介质燃烧具有燃烧速率高、燃烧稳定性好、负荷调节范围大、容积热强度大、燃烧器体积小、燃气适应性好、烟气中污染物排放低、燃烧极限变宽、可燃用热值很低的燃气等优点。

多孔介质中的预混合燃烧多孔介质中的预混合燃烧是一个包含化学反应及导热、对流和热辐射三种换热方式互相耦合的复杂过程。

近30年来，国内外学者对此作过大量的研究。

20世纪70年代初，英国学者Weinberg就提出超绝热燃烧或过焓燃烧的概念，并从理论上预言如果热量从热的产物再循环到冷的反应物流中去，超绝热燃烧就有可能实现。

随后，Weinberg等人通过一系列的理论分析和实验研究表明，基于这种理论的燃烧系统成功地扩展了火焰稳定性和可燃范围，可用来燃烧劣质燃料及低热值混合物，但当时为产生过焓，使用了一些体积庞大、造价高昂的复杂换热器。

尽管如此，由于热量在反应区外循环，除了燃烧温度有所提高外，并未改变复杂的火焰结构。

1979年，Takeno和Sato等提出了一种能改变火焰内部结构的简单而直接产生过焓的方法向火焰内部插入一段导热系数高的多孔材料，使热量在从下游高热区到上游低热区的整个介质内循环，为产生过焓火焰提供了必要的能量反馈。

作者建立了理想气体二元混合物一维单步化学反应模型。

数值计算结果表明：多孔介质过焓火焰最重要的特征是在质量流率提高的情况下，火焰还能正常维持，而且质量流率越高。

根据该文的观点，可以用简单的燃烧装置燃烧低热值的混合物。

由于他们当时提出的模型过于简化，忽略了诸多因素，如辐射、压力扩散、热扩散、外力，还假定固体温度在整个流动和燃烧过程中保持一致，因此无法揭示问题的本质，不能给出有足够说服力的定量研究结论。

1984年Kotani等用小直径的陶瓷管束作为研究对象，建立了数学模型，在模型中提出对气体和固体采用独立的能量方程，这是他们对多孔介质预混合燃烧理论研究的重要贡献。

但是模型中没有考虑辐射作用，而辐射换热在多孔介质预混合燃烧中对火焰位置、火焰温度、燃烧速度等重要参数有很大的影响。

此外，在研究中假定多孔介质的导热系数无穷大，这是不符合实际的。

由于强烈的对流换热，气体与多孔介质沿混合气流动方向上存在温度差，上游侧的多孔介质壁面温度高于下游侧的壁面温度，此温差较大,从而在燃烧室内形成热辐射场。

多孔介质燃烧器性能的实验研究的开题报告一、选题背景随着工业化的发展，燃料的需求量也在不断地增加。

为了更好地利用燃料，提高燃烧效率，减少燃气的排放，燃烧器的设计和优化变得越来越重要。

多孔介质燃烧器是一种新型、高效的燃烧器，它不仅可以提高燃烧效率，还可以降低燃气的排放。

因此，对多孔介质燃烧器进行研究，具有重要的理论和实际意义。

二、研究目的本文的研究目的是通过实验研究，探讨多孔介质燃烧器在不同工况下的燃烧性能，深入了解多孔介质燃烧器的燃烧机理和影响其性能的因素。

通过实验结果，为多孔介质燃烧器的设计和优化提供理论基础和实验依据。

三、研究内容1.多孔介质燃烧器的设计和制备，包括制备多孔介质材料，设计燃气喷嘴等。

2.多孔介质燃烧器的性能测试，包括确定燃料类型、燃烧室温度、氧气含量等参数，在实验室条件下进行多孔介质燃烧器的燃烧性能测试。

3.数据处理和分析，通过实验结果分析多孔介质燃烧器在不同工况下的燃烧性能，深入了解其燃烧机理，为多孔介质燃烧器的设计和优化提供理论依据。

四、研究方法本文的研究方法主要包括实验方法和数据分析方法。

实验方法主要包括利用实验室设备和多孔介质材料等制备多孔介质燃烧器，确定实验参数，进行性能测试等。

数据分析方法主要包括对实验数据进行处理和分析，利用统计方法和图表等进行结果表达和解释。

五、研究意义本文的研究成果可以为多孔介质燃烧器设计和优化提供理论依据和实验依据，较好的解决了多孔介质燃烧器燃烧性能的研究难题。

同时，通过优化多孔介质燃烧器的设计，可以提高燃烧效率，降低燃气排放，节约燃料资源，具有广泛的应用前景和社会经济效益。

六、研究进度安排1.文献综述：4周2.设备准备和多孔介质燃烧器制备：4周3.实验参数设计和数据测试：4周4.数据处理和分析：4周5.论文撰写和修改：4周七、预期成果完成多孔介质燃烧器性能的实验研究，获得关于多孔介质燃烧器性能的实验数据和分析结果，为多孔介质燃烧器的设计和优化提供理论基础和实验依据，获得一篇优秀的学术论文。

多孔介质内预混气体燃烧的实验和数值研究的开题报告一、选题背景随着国家对环保的要求越来越高，低污染、高效能的燃烧技术受到了越来越多的关注。

多孔介质内预混气体燃烧技术具有燃烧效率高、污染物少等优点，在生产和环保方面的应用广泛。

然而，目前对多孔介质内预混气体燃烧的机理研究尚不深入，需要进一步探究其燃烧过程和机理。

二、研究目的本研究旨在通过实验和数值模拟的方法，研究多孔介质内预混气体燃烧的机理及其影响因素，为该技术的应用提供参考依据。

三、研究内容1. 设计多孔介质内预混气体燃烧实验装置，采用气体分析仪器、热电偶等对实验数据进行采集和处理，探究多孔介质内预混气体燃烧的可燃范围、燃烧速率、温度分布等规律。

2. 建立多孔介质内预混气体燃烧的数值模型，采用ANSYS Fluent等计算软件进行数值模拟和分析，研究燃烧过程及其机理。

3. 探究多孔介质的性质、通量、引燃源等对多孔介质内预混气体燃烧过程的影响。

四、研究意义该研究有助于探究多孔介质内预混气体燃烧的机理及其影响因素，为该技术的应用提供参考依据。

同时，也可以为低污染、高效能的燃烧技术的发展提供参考和借鉴。

五、研究方法本研究采用实验和数值模拟相结合的方法，通过实验数据和数值模拟的结果进行验证和分析，得出多孔介质内预混气体燃烧的规律和机理。

具体方法包括设计实验装置、采集和处理实验数据、建立数值模型、进行数值模拟等。

六、研究预期成果1. 多孔介质内预混气体燃烧的实验数据和数值模拟结果。

2. 多孔介质内预混气体燃烧的规律和机理。

3. 多孔介质的性质、通量、引燃源等对多孔介质内预混气体燃烧过程的影响。

七、研究进度安排1. 完成文献综述和课题立项：1个月。

2. 设计实验装置和进行实验：2个月。

3. 建立数值模型和进行数值模拟：2个月。

4. 数据分析和论文撰写：3个月。

五、参考文献1. Maaz, S., Kothapalli, P., & Chen, C. (2019). Experimental investigation of premixed combustion in porous media. International Journal of Heat and Mass Transfer, 129, 385-393.2. Liu, Z., Wei, C., Jin, L., & Wu, J. (2017). Combustion characteristics of porous media burners using pre-mixed methane/airfor micro gas turbine applications. International Journal of Heat and Mass Transfer, 107, 107-118.3. Jafari Nodoushan, E., & Pourkashanian, M. (2018). Numerical study of premixed combustion of methane-air mixture in porous media. Energy Conversion and Management, 174, 459-469.。

气体燃料在渐变型多孔介质中的预混燃烧机理研究为缓解能源结构不合理造成的环境污染问题，我国加快了天然气的使用力度，发展高效、低污染排放的天然气燃烧技术具有非常重要的现实意义。

气体燃料在惰性多孔介质中的燃烧技术在很多方面体现出了其优越性，成为近年来燃烧领域的研究重点之一。

本文以实现高效、稳定燃烧和低污染物排放为目标，研究了多孔介质猝熄直径、孔径、厚度等参数对均匀多孔介质(HPM)中燃烧特性的影响规律；提出了渐变型多孔介质(GVPM)结构优化的设计构想，研究了气体燃料在渐变型多孔介质中的燃烧和流动特性。

对均匀多孔介质中预混火焰的猝熄效应进行了试验研究，发现多孔介质的猝熄直径是多个参数的复杂函数，与混合气体流速、层流火焰传播速度、燃烧室管流雷诺数、预混气体导温系数、当量比、多孔介质固体温度有关。

采用孔径由小到大逐渐变化排列的渐变型多孔介质，可以扩大多孔介质内火焰的猝熄范围，增强燃烧的稳定性。

对均匀型多孔介质中的燃烧稳定性进行了试验研究，得到了均匀多孔介质中回火、脱火或熄火的当量比极限范围；研究了火焰从多孔介质下游外侧进入多孔介质内部或火焰从多孔介质中脱离或熄灭时的气流速度或当量比极限条件；得出了火焰面位置及燃烧温度随当量比和燃烧强度的变化而在多孔介质中移动的规律；同时，在试验中发现了火焰的偏移、分层或分块燃烧现象，从另一方面说明了多孔介质中温度分布均匀和污染物排放降低的原因所在。

进行了泡沫陶瓷孔径、厚度及材质对均匀型多孔介质中的稳态燃烧特性的影响试验研究。

得到了多孔介质孔径对燃烧室温度分布、污染物排放、火焰速度、燃烧稳定性以及多孔介质燃烧器压降(阻力损失)的影响规律和多孔介质层厚度对燃烧器换热特性及阻力特性的影响规律。

均匀多孔介质中燃烧特性的研究为渐变型多孔介质的设计和燃烧特性的研究奠定了基础。

对天然气—空气预混气体在多种渐变型多孔介质中稳态燃烧特性、启动特性、非稳态特性进行了详细研究。

获得了渐变型多孔介质中的温度分布、污染物排放、火焰速度、燃烧稳定性及压降随当量比和燃烧强度的变化特性，并研究了渐变型多孔介质中稳定燃烧的气流速度和当量比极限；通过燃烧室温度分布揭示了渐变型多孔介质中稳态燃烧状况的多样性存在。

多孔介质燃烧技术研究进展及应用1概述20世纪70年代,英国学者Weinber首次提出超绝热燃烧概念。

多孔介质燃烧是用惰性多孔介质材料取代自由空间,利用其相对于气体而言强大得多的蓄热功能和辐射特性,实现热反馈,即将燃烧产生的热量及尾气中的余热用于加热反应区上游的预混合气,加强火焰中的传热传质过程,从而使燃烧反应大大增强，多孔介质燃烧是用惰性多孔介质材料取代自由空间。

在忽略对外热损失的情况下火焰温度可超过未预热可燃混合气的绝热火焰温度,因此也称为超绝热燃烧（Super-adiabatic Combustion）。

图1 超绝热火焰的形成机理多孔介质燃烧器具有功率大、范围可调、高功率密度、极低的CO和Nox 排放量、安全稳定燃烧、结构紧凑,尺寸大大减小,制造成本低,系统效率较高,消除了额外能耗。

该技术主要包括多孔介质内的预混合气燃烧技术和液体燃料的汽化燃烧技术两部分内容。

2气体燃料在多孔介质中的燃烧气体燃料在多孔介质中的燃烧可以被应用到诸多领域,包括动力工程、化学工艺、生态学、火灾和爆炸的预防等。

实际上,气体在多孔介质中的燃烧又都可以称为滤过燃烧(FiltionCombustion,FC）。

主要包括以下几个方向:多孔惰性介质(PIM)中的燃烧技术,催化性多孔介质中的燃烧技术,可燃多孔介质中的燃烧,多孔介质的燃烧合成或烧结技术等。

2.1天然气在渐变型多孔介质中的燃烧特性试验研究惰性多孔介质中的燃烧。

多孔介质中火焰受限在多孔介质孔隙中,被分成若干个微小火焰,相互制约相互影响,宏观上又表现为均匀的平面火焰。

图2 惰性多孔介质中预混燃烧机理钢瓶额定压力为20MPa,高压天然气经过天然气减压器后通入预混室与空气混合。

由于天然气在减压过程中会出现结露或者结霜现象,导致减压器出口受堵,引起天然气压力和流量波动,不能保证正常供气,所以天然气减压器需要有伴热装。

图3 多孔介质燃烧试验系统燃烧器由预混室和燃烧室组成。

因为燃烧过程天然气与空气当量配比接近1:10 。

第37卷,总第215期2019年5月,第3期《节能技术》ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGY Vol.37,Sum.No.215May.2019,No.3惰性多孔介质中预混燃烧的研究进展王　波,薛国程,张　龙,商庆垄(上海理工大学能源与动力工程学院,上海　200093)摘　要:预混气体在惰性多孔介质中的燃烧具有燃烧速度快、燃烧效率高、温度分布均匀、贫燃极限宽、节约能源、污染物排放低等优点。

介绍了惰性多孔介质中预混气体单向流动燃烧和往复流动燃烧的原理和特点,详述了火焰传播与驻定的机理,以及火焰传播中的不稳定现象,分析了影响火焰传播的因素,讨论了数值模拟中的物理模型、控制方程、边界条件、反应机理和求解方法,回顾了预混气体多孔介质燃烧技术的应用情况,分析指出了有待进一步研究的问题。

关键词:多孔介质;预混燃烧;火焰传播;数值模拟中图分类号:TK16 文献标识码:A 文章编号:1002-6339(2019)03-0231-08Research Progress of Premixed Combustion in Porous Inert MediaWANG Bo,XUE Guo -cheng,ZHANG Long,SHANG Qing -long(College of Energy and Powering Engineering,University of Shanghai for Science andTechnology,Shanghai 200093,China)Abstract :Premixed combustion in inert porous media has the advantage of high burning rate,high com⁃bustion efficiency,uniform temperature distribution,wide lean flammable limit,energy saving and low pollutant emission.The principle and characteristics of this technology were introduced,including unidi⁃rectional flow combustion and reciprocating flow combustion.The flame propagation characteristics were discussed in detail,such as flame propagation,flame stabilization,flame instabilities,and the factors af⁃fecting flame propagation.The physical models,control equations,boundary conditions,reaction mecha⁃nism and solution methods used in numerical simulation were reviewed.The application of premixed com⁃bustion in inert porous media was also summarized.Some problems need to be studied further were point⁃ed out.Key words :porous media;premixed combustion;flame propagation;numerical simulation 收稿日期　2018-10-23 修订稿日期　2018-12-05作者简介:王波(1981~),男,博士,副教授,主要从事蓄热燃烧技术研究。

预混气体在惰性多孔介质内燃烧的实验和数值模拟
初步研究的开题报告
1. 研究背景与意义：
预混气体在惰性多孔介质内的燃烧具有广泛的应用，如气体轮机内燃烧、工业窑炉等。

但是，惰性多孔介质的存在会对燃烧反应产生很大的影响，目前对于这种复杂的燃烧机理尚未得到很好的认识，因此有必要进行深入的研究。

2. 研究内容与方法：
本研究将采用实验和数值模拟相结合的方法来研究预混气体在惰性多孔介质内的燃烧机理，并探讨介质孔隙率、孔隙尺寸和形状等因素对燃烧反应的影响。

实验将使用透明的惰性多孔介质，并通过光学方法观测燃烧过程中的温度、速度、压力等参数，在此基础上进行数值模拟，利用CFD软件进行数值模拟。

3. 研究成果：
本研究的成果将有助于深入了解预混气体在惰性多孔介质内的燃烧机理，并探索孔隙率、孔隙尺寸等因素对燃烧反应的影响，为实际应用提供理论依据。

同时，将通过实验和数值模拟相结合的方法，为研究这种复杂的燃烧机理提供一种新的方法。

4. 研究难点：
本研究的难点在于惰性多孔介质内的气体流动和燃烧反应机理十分复杂，对于实验条件和模拟方法要求较高，需要解决诸多技术问题。

另外，预混气体在多孔介质内的燃烧机理尚未完全了解，需要研究。

5. 研究意义和意义：
本研究的意义在于深入了解预混气体在多孔介质内的燃烧机理，并为实际应用提供理论指导，有助于提高燃料的利用率和减少排放物的产生。

同时，本研究的方法可以为其他复杂燃烧机理的研究提供借鉴，具有广泛的推广价值。

新型民用多孔介质燃气灶稳定燃烧可行性分析
周航;王关晴;涂华欣;徐江荣
【期刊名称】《杭州电子科技大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2024(44)1
【摘要】随着人们生活品质提高,对民用燃气灶具节能减排的要求不断提高,对其燃烧性能提出了更高标准。

利用自行搭建的实验装置系统,对新型民用多孔介质燃气灶稳定燃烧的可行性进行了实验研究。

结果表明多孔介质燃气灶点火后,燃烧火焰依次经历了点火初期的表面燃烧、向上游传播、燃烧火焰界面稳定三个阶段。

燃烧火焰界面稳定后,多孔介质燃气灶可实现稳定燃烧,燃气灶多孔介质上表面温度分布非常均匀,温度梯度小,燃烧CO排放浓度能够稳定在18 ppm左右,NO排放浓度能够稳定在3 ppm左右,热效率能够达到64%。

实验结果验证了多孔介质燃气灶稳定燃烧的高效性,为深入研究开发多孔介质民用燃气灶具提供了研究基础。

【总页数】8页(P55-62)
【作者】周航;王关晴;涂华欣;徐江荣
【作者单位】杭州电子科技大学能源研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TK174
【相关文献】
1.多引射预混多孔介质燃气灶着火稳定性研究
2.多孔介质内氨气稳定燃烧范围的数值模拟
3.民用多孔介质燃气灶具的研究进展
4.民用燃气具多孔介质燃烧器的常见问题探讨
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