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预混气体在多孔介质内燃烧的工业应用和数值模拟研究

作　者: 王慧玲
导　师: 李本文
学　校: 东北大学
专　业: 热能工程
关键词: 多孔介质燃烧工业应用数值模拟预混气体燃烧器
分类号: TK16
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

多孔介质燃烧器凭借其燃烧效率高、污染物排放低、稳定性好、可供选择的燃料范围广、负荷调节范围广、燃烧器体积小等诸多优势正越来越广泛的被人们应用到工业生产和日常生活中。然而目前国内还没有其工业应用的先例。本文研究的目标是将多孔介质燃烧技术推向工业应用。根据多孔介质的特性和工业实际需要设计开发出用于加热炉的多孔介质燃烧器,并对预混气体在多孔介质(基于工业应用模型)内的燃烧规律进行了实验和数值模拟研究,研究结果用来指导工业应用。对预混气体在方形截面多孔介质内燃烧规律的实验研究,结果证明方形燃烧器是可以实现预混气体的稳定燃烧的,但是它对工况的要求更为苛刻,存在燃烧不均匀的问题,建议工业应用中使用圆形燃烧器。加放陶瓷颗粒粘结板和金属纤维时燃烧稳定和均匀情况较好,且对防止回火有一定作用。多孔介质燃烧器的燃烧强度不能过高,太高则易出现回火;也不能太低,太低则燃烧不稳定、易熄灭,且燃烧不均匀。实验表明燃烧强度宜稳定在900～1500kW/m~2。多孔介质燃烧器的工业应用实验证明,本文设计开发的多孔介质燃烧器在工业应用中是可行的,在采取一系列防回火措施之后,燃烧器能够持续较长时间正常燃烧(130分钟以上)。在当前的多孔介质材料条件下,探索出燃烧最好在燃烧强度不高于1200kW/m~2的工况下进行,此时的多孔介质辐射面温度不高于1200℃。多孔介质材料的孔径因素和耐高温、抗热震性能仍是制约工业应用成败的关键因素。烟气分析表明,多孔介质燃烧器污染物排放量很低。本文建立了两段式多孔介质燃烧器的二维模型,利用商业软件FLUENT对多孔介质内的预混燃烧进行数值模拟。首先对甲烷/空气预混气体的燃烧进行了数值模拟,与文献计算结果的对比验证了模拟结果的可靠性。然后使用相同的方法,对天然气/空气预混气体的燃烧进行数值模拟,采用用于工业实际的燃烧器物理模型和符合工业实际的参数设计,计算结果预测了燃烧器内的温度分布和污染物排放情况,并定量给出了不同当量比、入口流速对多孔介质内燃烧的影响。结果表明,天然气/空气预混气体在多孔介质中燃烧,随着当量比的增大,气相温度峰值升高,当量比为0.9时较当量比为0.65时温度峰值高出约350K,固相整体温度都提升;随着入口流速的增大,气相和固相在火焰面附近温度都降低,在出口处温度都提高,流速为0.85m/s时较0.25m/s时出口烟气温度高出约150K,多孔介质辐射面温度高出约200K。预混气体在多孔介质内燃烧较完全,可以有效地利用燃料,节约能源,且污染物排放量极少。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
第一章绪论  11-27
  1.1 研究背景和意义  11-13
    1.1.1 直流燃烧技术的不足  11-12
    1.1.2 超绝热燃烧的概念  12-13
  1.2 多孔介质中的燃烧简介  13-16
    1.2.1 多孔介质材料及特性  13-14
    1.2.2 多孔介质中燃烧概念分析  14-16
  1.3 多孔介质内燃烧的研究进展  16-20
    1.3.1 国外研究进展  16-19
    1.3.2 国内研究进展  19-20
  1.4 工业应用现状和前景  20-24
  1.5 本文的研究内容和方法  24-27
第二章方形截面多孔介质燃烧规律的实验研究  27-41
  2.1 实验平台  28-32
  2.2 实验内容  32-33
  2.3 实验结果分析  33-39
  2.4 本章小结  39-41
第三章多孔介质燃烧器的工业应用实验  41-54
  3.1 实验平台  41-45
  3.2 实验内容  45-46
  3.3 实验过程及分析  46-50
    3.3.1 多孔介质燃烧器的实验过程  46-49
    3.3.2 普通燃烧器实验过程  49-50
  3.4 实验结果分析  50-52
    3.4.1 多孔介质燃烧器实验数据及分析  50-51
    3.4.2 普通燃烧器实验数据及分析  51-52
  3.5 本章小结  52-54
第四章多孔介质内燃烧的数值模拟研究  54-72
  4.1 FLUENT软件模拟燃烧问题的优势  54-55
  4.2 数学物理模型和数值方法  55-61
    4.2.1 物理模型  55
    4.2.2 模型假定  55-56
    4.2.3 控制方程  56-57
    4.2.4 化学反应模型  57-58
    4.2.5 边界条件  58-59
    4.2.6 多孔介质区域结构参数和特性参数设置  59-60
    4.2.7 数值计算方法  60-61
  4.3 计算结果及分析  61-70
    4.3.1 甲烷/空气的预混燃烧模拟  61-63
    4.3.2 天然气/空气的预混燃烧模拟(基于工业模型)  63-66
    4.3.3 当量比的影响  66-67
    4.3.4 入口流速的影响  67-69
    4.3.5 氮氧化物的排放特性  69-70
  4.4 本章小结  70-72
第五章全文结论  72-74
参考文献  74-77
致谢  77-78
个人简历  78

预混气体在多孔介质内燃烧的工业应用和数值模拟研究

内容摘要

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