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新型燃烧技术的数值模拟

王星陈  
【摘要】:优化能源结构驱使天然气占一次能源消费比例不断提高,通过各种燃烧方式的天然气高效清洁利用已成为节能和环境保护中一个越来越重要的方面。预测燃烧产生的有害气体是燃烧过程数值模拟的一个关键问题。针对甲烷燃烧体系,将化学动力学模拟与CFD数值模拟相融合,发展燃烧过程的有害气体预测方法,可为天然气高效清洁利用提供一条重要的手段和途径。主要研究结论如下:1.建立了甲烷燃烧体系的化学动力学模型,研究了甲烷在不同组分下的燃烧特性,结果表明:(1)在研究的当量比范围内,绝热火焰温度呈抛物线分布,最高值位于略为富燃料当量比处(Φ≈1.05);在低当量比和高当量比区域,氮氧化物的摩尔分数均很低。(2)将二氧化碳、氮气、氩气分别作为稀释气体加入到燃料侧,燃烧温度依次降低;在稀释比相同的情况下,二氧化碳的加入对减少氮氧化物的生成更为有效。(3)氢气与甲烷混合燃烧的燃烧温度低,掺混比越大,温度降低的幅度就越大;氢气的加入使得温度上升迅速,氢气含量越多,温度上升就越快,说明了氢气的助燃作用;氢气掺入甲烷燃烧,着火温度降低,掺混比越大,着火温度越低。2.建立了甲烷燃烧体系的双旋流燃烧模型,计算结果表明:(1)燃烧室的底部两侧死角区有两个基本对称的小旋涡,燃烧室中部有两个较强的旋涡,旋涡中间为中心回流区;热态流场回流区的长度要比冷态略短,而热态的回流负速度比冷态的大。(2)温度场整体基本为轴对称分布,燃烧器出口附近温度梯度最大;CO_2主要分布在燃烧室出口附近;H_2O主要分布在燃烧室壁面区域。3.在上述研究的基础上,本文提出了燃烧过程数值模拟的反应器网络模型,用以解决微量有害气体的预测问题。具体方法是:依据速度场、温度场和浓度场特性,将燃烧空间划分为典型的理想反应器;综合考虑分区的个数和形状,以停留时间作为主要判别参数,确定反应器类型;将理想反应器连接为反应器网络,反应器网络的计算即获得微量有害气体的数值。反应器网络模拟计算表明,燃烧室出口的一氧化碳、一氧化氮和二氧化氮排放量依次降低,氮氧化物的生成量随负荷降低而增大。


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