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气体引射式无焰燃烧的数值模拟和实验研究

作　者: 俞瑜
导　师: 林其钊
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 工程热物理
关键词: 无焰燃烧引射烟气再循环冷态流场 PSRN模型 CFD模拟 PLIF热线风速仪
分类号: TK16
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

引射式无焰燃烧是一种由燃烧器和燃烧室内部结构结合产生的非催化无焰燃烧方式,具有无焰燃烧高效低污染物排放的特点。本文以引射式无焰燃烧为研究对象,结合理论分析、数值模拟和实验研究,研究其热力学、流体力学和化学反应动力学的内在规律,分析引射式无焰燃烧形成、稳定的临界条件和污染物排放的影响因素,为这种燃烧方式的数值模拟和实验研究建立理论依据和数据参考,从而为无焰燃烧技术的发展和应用提供基础。首先搭建了包含了甲烷、氢气、氧气及空气及压缩空气的反应流体公用测试平台,可以对气态燃料和氧化剂的流量进行实时的控制和检测,对CO、UHC、NOx等污染物排放进行检测。引射式无焰燃烧实验平台由实验供气系统、燃烧器以及测试系统构成。且自行设计的无焰燃烧实验炉和燃烧器可以通过燃料和氧气输送管同供气系统连接。其次,建立了引射式无焰燃烧的热力学分析模型。使用了CHEMKIN程序包的热力学数据,并采用基于显焓分析的方法,对工作在无焰燃烧模式的临界条件和甲烷／空气引射式无焰燃烧过程进行了热力学分析。计算了甲烷／空气引射式无焰燃烧时的混合过程的焓值变化并探讨了混合物温度和再循环率对燃烧模式的影响。分析了燃烧和内部换热过程带来的不同再循环率下的混合物温度变化。评价了甲烷和空气完全燃烧时在不同再循环率条件下工作在无焰燃烧模式的最大外部取热。并计算了火用效率随烟气温度和再循环率的变化曲线。再次,使用丙酮平面激光诱导荧光(PLIF, planar laser induced fluorescence)研究了用于预热过程的低旋流部分预混燃烧器出口混合特征。对自由射流出口二维瞬时径向和轴向密度场进行了测量,并分析了两种驱动压力下燃烧器出口的丙酮PLIF图像。结果表明,在弱驱动压力(0.2MPa)下,轴向射流扩张角较小,径向射流拓展到1／3半径处；在强驱动压力(0.4MPa)下轴向射流扩张角增大,下游区域的密度分布不均匀性减小,径向射流可拓展到整个半径处。实验观察到的射流边界的涡破碎结构同其他研究结果接近。同时还搭建了尺度缩小的无焰燃烧预热燃烧器的供气、标定及测试系统实验平台,使用恒温热线风速仪对燃烧器出口冷态流场进行了测量,研究了无焰氧化预热燃烧器出口的流动特性。结果表明,不同空燃比时燃烧器出口中心二维截面轴向速度呈马鞍型分布,改变空气流量时出口轴向速度梯度相近,且冷态时轴向射流速度边界同热态相似,为无焰氧化炉内流场的数值模拟和实验研究提供了数据参考。而后,基于Fluent程序包对引射式无焰燃烧反应器进行了数值模拟。讨论了不同湍流燃烧模型对无焰燃烧特性的模拟。并分析了添加反应器、射流工况、反应器中的氧浓度分布等引射式无焰燃烧反应器的热态特性。并对不同模型的温度计算结果进行了比较,探讨了不同模型对轴向中心温度计算结果的模拟。最后,分析了用于抑制热力型NOx生成的含氢气体燃料无焰燃烧的化学反应动力学模型。使用PSRN模型结合GRI对四种H2／CH4混合物及纯氢的无焰燃烧进行模拟。结果显示NOx污染物低于30ppmv,而CO排放低于50ppmv,同四种燃料的“清洁无焰燃烧”的实验数据相一致。模拟还揭示当氢组分从40%增加到100%时,CO从48ppmv降低到接近O排放,但氮氧化合物受氢含量影响不大,而且在高度稀释时NOx和CO几乎不受再循环率影响。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-12
第一章绪论  12-32
  1.1 研究背景  12-16
  1.2 无焰燃烧的国内外研究现状  16-23
    1.2.1 无焰燃烧的形成原理及发展历程  16-22
    1.2.2 引射式无焰燃烧的研究现状  22-23
  1.3 本文的研究内容  23-24
  参考文献  24-32
第二章引射式无焰燃烧实验平台的设计  32-38
  2.1 实验供气及测试系统设计  32-36
    2.1.1 实验供气系统  32-35
    2.1.2 测试分析系统  35-36
  2.2 本章小结  36-38
第三章基于显焓分析的引射式无焰燃烧的热力学特性  38-56
  3.1 引言  38
  3.2 引射式无焰燃烧的热力学模型  38-41
  3.3 结果与讨论  41-53
    3.3.1 甲烷引射式无焰燃烧的临界条件分析  41-43
    3.3.2 甲烷引射式无焰燃烧混合过程分析  43-49
    3.3.3 燃烧及内部换热分析  49-50
    3.3.4 外部取热分析  50-51
    3.3.5 不同烟气再循环率下的火用分析  51-53
  3.4 本章小结  53-54
  参考文献  54-56
第四章引射式无焰燃烧器出口冷态流场研究  56-78
  4.1 无焰燃烧预热燃烧器的PLIF冷态流场实验研究  56-62
    4.1.1 实验装置和方法  58-60
    4.1.2 数值模型  60
    4.1.3 结果与讨论  60-62
  4.2 喷嘴出口冷态流场的热线风速仪测试  62-74
    4.2.1 引言  62-63
    4.2.2 试验平台组成  63-64
    4.2.3 实验工况及方法  64-70
    4.2.4 结果与讨论  70-74
  4.3 本章小结  74-75
  参考文献  75-78
第五章引射式无焰燃烧的数值模拟及热态特性研究  78-92
  5.1 引言  78
  5.2 基于Fluent程序的数值模拟  78-84
    5.2.1 Fluent求解过程  79
    5.2.2 Fluent中基本的守恒方程  79-81
    5.2.3 模型选择  81-83
    5.2.4 边界和初始条件  83-84
  5.3 结果与讨论  84-89
    5.3.1 添加引射反应器的影响  84-85
    5.3.2 引射式无焰燃烧反应器的氧浓度分布  85-86
    5.3.3 不同射流工况对引射式无焰燃烧温度场的影响  86-87
    5.3.4 不同模型对于引射式反应器温度模拟的结果影响  87-89
  5.3 本章小结  89
  参考文献  89-92
第六章基于Chemkin程序包的含氢气体引射式无焰燃烧模型研究  92-102
  6.1 引言  92-93
  6.2 Chemin程序包及PSRN数值模型  93-94
  6.3 含氢气体引射式无焰燃烧机理  94
  6.4 结果与讨论  94-98
    6.4.1 含氢燃料的无焰燃烧  95-96
    6.4.2 氢组分对温度的影响  96-97
    6.4.3 氢组分对CO和NO_x生成的影响  97-98
    6.4.4 卷吸率和温度对污染物生成的影响  98
  6.5 本章小结  98-99
  参考文献  99-102
第七章结论与展望  102-106
  7.1 本文的主要工作和结论  102-104
  7.2 本文的主要创新之处  104
  7.3 下一步的工作和展望  104-106
致谢  106-107
攻读博士期间发表的学术论文  107

气体引射式无焰燃烧的数值模拟和实验研究

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