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多孔介质内往复流动下超绝热燃烧的实验和数值模拟研究

邓洋波  
【摘要】:预混合气体在多孔介质内往复流动下的超绝热燃烧(RSCP)是一项先进的燃烧技术,它以其高效、低污染的优越性正在引起人们的关注。本文对RSCP系统的燃烧及排放特性进行了实验研究、数值模拟和理论分析,主要开展了如下几方面的工作: 1.自行设计建成了RSCP实验台,它由泡沫陶瓷燃烧器、电磁阀控制的周期换向的进排气管路系统和测量系统组成。用热电偶直接测温法和非红外热像仪测量温度,用气体分析仪测量燃气成分。在各种工况参数下,对多孔介质内轴向温度分布以及NO、CO和CO_2气体等污染物排放的浓度进行了系统测量。在实验基础上对RSCP系统燃烧过程轴向温度分布特点、扩延可燃极限、降低污染排放机理及各物理参数对燃烧特性和污染物排放的影响进行了分析,总结出了各工况参数对其燃烧特性及污染物排放影响的规律。 2.分别建成了RSCP系统一维气、固两相局部热非平衡双温度和热平衡单温度数学模型,对各种工况下燃烧室内轴向温度分布进行了数值模拟。数值计算结果同实验结果相比较,显示了同样的趋势与规律,但温度水平有一定偏差,对产生偏差的原因作了分析。 3.依据RSCP系统温度分布为近似梯形的特点,利用往复半周期分别为无限长和无限短两种极限情况下过滤燃烧模型简化理论解的适当组合,得出了适用于普通工况下(半周期为有限值)的RSCP系统温度分布的近似解。 实验研究、数值模拟和理论分析得出以下结论: 1.RSCP系统稳定燃烧过程中,燃烧室内轴向温度分布接近于梯形;随着气流的周期换向,燃烧室内上半周期的火焰熄灭而在不同位置重新着火,随后,火焰锋面从着火位置向下游缓慢移动,整个燃烧呈周期往复式演变;不同物理参数条件下,燃烧室内温度分布在半周期内的变化具有不同的特点;一定条件下,燃烧室内有可能产生二维胞室热点结构。 2.RSCP系统稳定燃烧过程中,燃烧室内最大温度、轴向温度分布和NO、CO和CO_2气体污染物排放浓度等受混合气体物理参数(燃料和空气气体流速、当量比和往复半周期)的影响。随着气体的流速增大,最高温度明显升高,高温区加宽,出口温度升高,燃烧效率降低,而CO排放含量增大,NO排放含量增大;随着当量比的增大,最高温度增大,高温区域增宽,燃烧效率提高,而CO排放含量减小,NO含量增大;通常情况下,随着往复半周期变小,最高温度略有增高,高温区域变宽,燃烧效率提高,而CO排放量减小,NO排放量也减小。计算和实验之间存在偏差主要原因是多孔介质数值模型中物性参数同实验件不同;模型本身也不够完善。 3.RSCP系统具有自组织的回收燃烧热用于预热新鲜混合气的功能,从而可显著扩延 混合气体的可燃极限,稀薄乃至极稀薄气体在其中可以自维持燃烧;同时,由于燃烧 室内形成无局部高温的宽而均匀反应区域,使得N0排放量最小化,C0排放量也被控 制在较低范围内。本文实验条件下,对于丙烷一丁烷混合气,其贫燃极限可扩展到当 量比0.065,CO排放量控制在400一1000ppm,NO排放量低于19ppm,多数情况低于 IOppm;对于甲烷和空气混合气体,C0排放量控制在ZO0pPm以下,N0排放量低于 10PPm。 4.多孔介质内最大温度值和轴向温度分布还受多孔介质本身物性参数和结构(体积 对流换热系数、热损失、衰减系数、比热容、孔径和孔隙率等)的影响。


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