收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

多孔介质中预混气体超绝热燃烧机理及其火焰特性的研究

史俊瑞  
【摘要】: 与自由空间的燃烧相比,预混气体在多孔介质中的燃烧是一项先进并具有广阔应用前景的燃烧技术,它不仅能够显著地拓展贫富燃极限,而且在污染物排放方面具有显著的优越性。研究超绝热燃烧机理和火焰特性,包括多孔介质中的热回流效应、燃烧波传播特性、反应区域的最高燃烧温度、燃烧器的贫可燃极限和最大半周期等,将有助于发展超绝热火焰理论,设计和开发多孔介质燃烧—换热器、反应器和多种目标的新型燃烧技术。本文通过实验测量、理论分析和数值模拟研究预混气体在多孔介质中的超绝热燃烧。 首先,自行设计和制作了可以研究多孔介质中燃烧波和热波传播规律的实验台,该实验台包括燃烧器(石英玻璃管)、气体供给系统和测量系统等。在燃烧波的传播过程中,对火焰的形状和发展进行了观测。在不同的工况参数下,利用热电偶系统地测量了燃烧器内的温度分布。基于这些实验结果,对超绝热燃烧、燃烧波的传播、反应区域的最高燃烧温度和火焰特性进行了分析。 其次,对单向和往复流动下稀薄预混气体在多孔介质中的低速过滤燃烧进行了理论分析。 (1)对稀薄预混气体多孔介质中的低速过滤燃烧进行分析。首先假设燃烧区域为无限薄的区域,建立燃烧波波速与燃烧区域最高温度的第一个关系式。然后利用层流预混火焰理论,将整个区域分为预热区域和反应区域,建立燃烧波波速与燃烧区域最高温度的另一个关系式。从而得到燃烧波波速和燃烧区域最高温度的封闭解。在宽广的工况范围内,理论解与实验取得了相同的趋势,解析地证实了超绝热燃烧是燃烧波和热波在特定条件下相互叠加的结果。 (2)通过与稳态的逆流燃烧器类比,得到了往复流动下绝热惰性多孔介质内的超绝热燃烧的简化理论解。该解包括两个常微分方程,其中包括了所有的主要控制参数,因此有助于深入理解这些控制参数对燃烧器特性的影响。与数值模拟的结果相比,多孔介质固体的温度曲线可以用简化解的分段线性函数很好地估算。利用简化的理论解求得的燃烧器内温度的最大值与实验值取得了相同的趋势,但是通常比实验值大,二者的误差小于20%。 (3)通过与实验和数值模拟结果的类比,对文中推导出的简化理论解进行进一步的研究。利用分段线性函数,构建出燃烧器内的温度分布曲线、贫可燃极限和最大半周期。该解适用于绝热条件下往复式惰性多孔介质燃烧器。结果表明,当流速小于0.12m/s时,理论解预测的可燃极限与实验取得了相同的趋势,增大流速可以获得较小的贫可燃极限。而流速大于0.17m/s时,增大流速对扩展贫可燃极限的影响很小。同时研究表明,小孔径的多孔介质材料更有利于扩展贫可燃极限。预测的最大半周期与流速的乘积与固体和气体热容的比值成线性关系;燃烧器的长度对最大半周期有显著的影响。燃烧器的长度越大,允许有较大的半周期。预测的贫可燃极限和推导出的最大半周期为燃烧器的设计和进一步改善提供了指导。 最后,建立了单向和往复流动下的预混气体多孔介质中燃烧的数学模型,用以深入探索和理解超绝热燃烧的机理和火焰特性。 (1)首先对稀薄预混气体的低速过滤燃烧波的传播特性进行了系统的数值研究,并与实验结果进行对比。通过一维数值模型研究多孔介质引起的热回流效应。结果表明,导热和辐射在热回流的过程中都起着重要的作用。研究了多孔固体的属性,例如热容和导热系数、系统的热损失、混合气当量比对燃烧波波速和反应区最高温度的影响。计算结果表明,多孔介质热容的大小是影响燃烧波传播速度的最重要的参数,但它对燃烧区域最高温度几乎没有影响。在宽广的工况范围内,数值预测的燃烧波波速和燃烧区最高温度与文献和本文中的实验结果取得了定性的一致。 (2)研究多孔介质内往复流动下预混气体的超绝热燃烧。在该系统中,通过周期性换向,燃烧波稳定在一个瞬态多孔介质燃烧器中。应用的一维双温模型包括气体输运、多孔介质固体的辐射、导热和气固两相间的对流换热。通过数值计算研究了弥散效应、主要工况参数,如半周期、流速、当量比、多孔介质材料对预混气体超绝热燃烧主要特性的影响。数值模拟结果通过实验进行了验证,并取得了相同的趋势。结果表明,组分弥散效应对气体温度分布和反应热影响很小;同一工况下,不考虑气体混合物的热弥散效应,会导致过高的气体温度计算值。同时,计算结果表明小孔径的多孔介质更有利于贫可燃极限的扩展,对30ppi的多孔介质燃烧器,得到了当量比为0.092的可燃极限。 (3)对往复式惰性多孔介质燃烧器进行了二维数值模拟和结构改进。在燃烧器中分别填充10ppi泡沫陶瓷或小球,研究其内部的燃烧温度和压力损失。结果表明,由相同材料制成但结构不同的多孔介质对燃烧器内的高温区的分布和压力损失有显著的影响。孔隙率较大的泡沫陶瓷适合于布置在燃烧区域,而孔隙率较小的小球适合于布置在热交换区域。根据此指导思想,提出一种改进的燃烧器,即在燃烧器的中间布置泡沫陶瓷,而在二端布置小球。对于当量比为0.1的极稀薄的甲烷与空气的混合气,得到了更为宽广的高温区域和适度的压力降。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 雷树业,郑贯宇;含湿多孔介质传热传质三参数渗流模型研究方法[J];清华大学学报(自然科学版);1997年02期
2 杜建华,王补宣;带内热源多孔介质中的受迫对流换热[J];工程热物理学报;1999年01期
3 张志军,杜建华,王补宣;多孔介质强迫对流传热中粘性耗散的影响[J];上海交通大学学报;1999年08期
4 杨臣;杨昆;刘伟;;采用多孔介质和肋片复合传热强化的数值研究[J];工程热物理学报;2009年06期
5 吴效楠;扈显琦;祁强;;多孔介质中天然气水合物相平衡条件研究进展[J];河北化工;2010年06期
6 常仕维;关于土建织物渗透特性的探讨[J];产业用纺织品;1988年02期
7 路勇,咸海峰,刘伟军;多孔介质干燥过程传热传质分析[J];电机与控制学报;1994年03期
8 蔡睿贤,张娜;多孔介质快速干燥过程热质耦合方程的代数显式解析解[J];工程热物理学报;2003年02期
9 秦宣云;崔彩虹;谷成玲;郑洲顺;;双重分形多孔介质孔隙率的研究[J];佳木斯大学学报(自然科学版);2008年05期
10 夏泳;叶慧群;许友生;宋付权;;X射线成像辅助多孔介质内渗流烘干仿真实验[J];辽宁工程技术大学学报(自然科学版);2009年S1期
11 史玉凤;刘红;孙文策;;多孔介质有效导热系数的实验与模拟[J];四川大学学报(工程科学版);2011年03期
12 孙茜;;多孔介质燃烧的研究进展与应用[J];节能;2011年04期
13 沙金煊;;多孔介质中的管涌研究[J];水利水运工程学报;1981年03期
14 曾康一,门福录;关于多孔介质中渗流的基本规律[J];地震工程与工程振动;1990年03期
15 陈宝明,王补宣,方肇洪;多孔介质自然对流中温度梯度与浓度梯度的相互耦合[J];工程热物理学报;1995年02期
16 张浙,刘伟,王崇琦,程尚模;高Dα数封闭腔内非饱和多孔介质的自然对流[J];华中理工大学学报;1995年11期
17 李俊明,王补宣;多孔介质内受迫对流凝结时两相共存区的非达西模型[J];工程热物理学报;1996年01期
18 刘伟,王崇琦,杨金宝,张浙;非饱和多孔介质热湿传输的一般数学模型[J];华中理工大学学报;1996年01期
19 雷树业,杨荣贵,杜建华;非饱和含湿多孔介质传热传质的渗流模型研究[J];清华大学学报(自然科学版);1999年06期
20 卢苇,马晓茜;几种多孔介质换热元件冷态试验研究[J];冶金能源;2000年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 张鹏;李英;董凤兰;;多孔介质中泡沫的产生和运移[A];中国化学会第十届胶体与界面化学会议论文摘要集[C];2004年
2 郭尚平;于大森;吴万娣;;生物脏器的孔隙率[A];全国第一届生物力学学术会议论文汇编[C];1981年
3 张德会;李健康;;多孔介质渗透率在金属成矿学研究中的意义[A];固体地球系统复杂性与地质过程动力学学术讨论会论文摘要集[C];2004年
4 谭文长;;黏弹性流体在多孔介质内的自然对流[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集(上)[C];2007年
5 李丽;陶果;戴世坤;;弹性波对多孔介质电导率的瞬态影响[A];2000年中国地球物理学会年刊——中国地球物理学会第十六届年会论文集[C];2000年
6 陈瑜;蔡庆东;;基于树网格的格子玻尔兹曼方法及其在渗流等问题中的应用[A];第五届全国青年计算物理学术交流会论文摘要[C];2008年
7 刘雪梅;许友生;;格子Boltzman方法研究竖直多孔介质板内混合对流传热传质问题[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
8 郭尚平;于大森;吴万娣;;生物脏器多孔介质的孔径分布和比面[A];全国第一届生物力学学术会议论文汇编[C];1981年
9 陈益峰;周创兵;井兰如;;THM耦合条件下多孔介质的多相流传输过程[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
10 郁伯铭;;分形渗透率模型对于多孔介质的应用[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集(下)[C];2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 荣伏梅;基于格子Boltzmann方法的多孔介质REV尺度的流动与强化传热研究[D];华中科技大学;2011年
2 纪朝凤;疏水缔合水溶性聚合物在多孔介质中缔合机理研究[D];西南石油学院;2004年
3 邓洋波;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[D];大连理工大学;2004年
4 李守德;不可逆热力学理论在多孔介质渗流问题中的应用研究[D];浙江大学;2003年
5 史玉凤;多孔介质对太阳池性能影响的研究[D];大连理工大学;2011年
6 杨满平;油气储层多孔介质的变形理论及应用研究[D];西南石油学院;2004年
7 凌忠钱;多孔介质内超绝热燃烧及硫化氢高温裂解制氢的试验研究和数值模拟[D];浙江大学;2008年
8 刘慧;多孔介质内预混气体燃烧的实验和数值模拟研究[D];东北大学;2010年
9 郭霄怡;分数阶微积分在量子力学和非牛顿流体力学研究中的某些应用[D];山东大学;2007年
10 李宾飞;氮气泡沫调驱技术及其适应性研究[D];中国石油大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 马世虎;往复流动下预混合气体在多孔介质中超绝热燃烧的数值模拟[D];大连理工大学;2004年
2 景贵成;低渗透油藏多孔介质特征及模拟[D];大庆石油学院;2002年
3 李昊;往复式多孔介质燃烧器的试验研究[D];浙江大学;2004年
4 刘雅宁;热气机回热器内流动和传热特性的研究[D];哈尔滨工业大学;2007年
5 王强;基于ANSYS的多孔介质中流动、传热与应力分析[D];武汉理工大学;2010年
6 刘冲;多孔介质流中Coriolis力对对流的影响[D];北京化工大学;2005年
7 兰万里;充满多孔介质的Rivlin-Ericksen流体中浓度扩散对对流的影响[D];北京化工大学;2007年
8 刘艳军;考虑毛细压差后多孔介质渗透率的分形分析[D];华中科技大学;2006年
9 宋波;多孔介质三维重建及流体动画模拟[D];中国科学技术大学;2011年
10 张斌;分形多孔介质中幂律型流体的渗透率研究[D];华中科技大学;2006年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 中国农业大学工学院 刘相东;多孔介质干燥理论与应用并行[N];中国化工报;2007年
2 饶文涛;多孔介质燃烧新技术及应用[N];世界金属导报;2009年
3 饶文涛;新一代燃烧技术——多孔介质燃烧[N];中国冶金报;2009年
4 特约记者  王振江 马立玫 盛玉奎;华北采油五厂稠油油藏实现规模化开采[N];中国石油报;2006年
5 尹万珠;森林与水的关系:缝隙现象和合力水运动(上)[N];科技日报;2002年
6 本报记者 任荃;“绿色”头脑左右创新行动[N];文汇报;2009年
7 尹万珠;森林与水的关系:改良沙化土壤[N];科技日报;2002年
8 王红;精馏技术国家工程中心优势凸显[N];中国化工报;2003年
9 齐欣;特色:立校之本[N];中国教育报;2003年
10 ;2003年度国家杰出青年科学基金获得者荣誉简介(之一)[N];科技日报;2003年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978