惰性多孔介质内的液雾燃烧

论文摘要

针对日益突出的能源和环境问题,为发展清洁低能耗的燃烧技术,本文用数值模拟的方法研究了燃料液雾在惰性多孔介质内的流动燃烧过程,分析其燃烧特性。在多孔介质内组织燃烧可以提高燃烧系统的效率,同时降低污染。多孔介质燃烧器有其独有的特点:结构紧凑,超绝热火焰温度,拓宽的贫燃极限,低污染,燃烧过程更易控制等。对文献资料中出现的有关多孔介质的几何结构和其中发生的输运过程的研究成果做了系统整理,以便对多孔介质的性质有个准确把握,为建立准确的数学模型奠定基础。介绍了孔隙率、比面、弯曲率、相关函数、孔径分布、逾渗概率等几何结构特征参数和毛细管模型、隙缝模型、颗粒模型、孔隙网络模型、逾渗模型等几何结构模型;介绍了比流量、渗透率、流体动力弥散等流体力学输运性质,界面张力、湿润性、毛细压力等界面属性和传热传质输运特性。阐明了模拟多相多尺度问题的连续介质方法的基本思想和表征体元、孔隙率等基本概念,介绍了连续介质方法中的唯象方法和上升尺度方法。详细介绍了经典混合物理论和经典不可逆热力学。对唯象方法中的不溶混混合物理论,上升尺度方法中的平均理论作了简要介绍。应用上升尺度方法中的杂化混合物理论和经典不可逆热力学原理,推导得出了存在化学反应多相混合物体系的较为严格的杂化混合物理论模型。宏观守恒方程是将微观守恒方程在表征体元上体积平均得到,将微观热力学第二定律的熵不等式和微观Gibbs方程等状态函数之间的热力学关系也在表征体元上体积平均,得到宏观熵不等式和宏观热力学关系。用Lagrange乘子将宏观熵不等式、守恒方程、热力学关系组合成增广熵不等式,选取Lagrange乘子削去增广熵不等式中的物质导数项,确认出熵流部分和熵产部分。依据经典不可逆热力学的一般原则,将热力学流表示成热力学力的函数式,即找出本构关系,完成方程组的封闭。数值工作首先从较为简单的零维模拟开始,采用详细化学反应机理,应用零维情形的杂化混合物理论模型,模拟了微小空腔内气体的予页混燃烧,通过有无填充多孔介质的对比,分析了多孔介质在微小尺度燃烧领域的应用前景。研究了填充多孔介质对微小型化学推进器性能的影响。微小尺度下系统内部很容易达到热平衡,体现不出多孔介质的回热作用;但多孔介质的大热容量却能保证系统具有良好的热稳定性。通过用详细化学反应机理研究定容条件下正庚烷液雾在多孔介质中的瞬态着火过程,模拟了液体燃料在内燃机中的点火过程。多孔介质内燃机的点火延迟期会比传统柴油机显著缩短,而且受工况影响很小,有利于内燃机的点火控制。将杂化混合物理论模型具体应用于正庚烷液雾在惰性多孔介质中的流动、蒸发、燃烧过程。作一维假定,考虑了液雾与气体之间的对流换热过程、液雾与多孔介质固体骨架之间的碰撞接触传热过程、多孔介质对液雾的辐射加热过程。采用了自适应网格的Eluer-Lagrange数值解法,辐射传递方程采用离散坐标法求解。对程序代码进行了较系统地检验。考察了迭代过程中残差的下降程度,确定了迭代收敛判据。通过在经由系统加密的网格上进行计算,分析了单调收敛、收敛阶数、网格无关性等离散误差特征,应用Richardson外插对离散误差作了定性地估计。计算结果验证了超绝热火焰温度现象;辐射加热、与固体壁面的碰撞传热会显著影响到较大液滴的蒸发过程,使其比经典的直径平方律更快;ZrO2多孔介质中的辐射场基本是各向同性的;多孔介质中的辐射传热对液雾的燃烧过程有重要影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 能源与环境:可持续发展两大主题
• 1.1.2 提高能源利用效率、降低污染:多孔介质与回热技术
• 1.1.3 多孔介质中液体燃料的燃烧
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 惰性多孔介质内的燃烧
• 1.2.2 两相流中液滴、液雾的蒸发与燃烧
• 1.2.3 液滴、液雾与固体壁面相互作用
• 1.2.4 多孔介质内的辐射传热
• 1.3 本课题采用的研究方法
• 1.4 本文规划
• 第二章 多孔介质的几何结构和其中发生的输运过程
• 2.1 多孔介质定义与分类
• 2.2 多孔介质几何结构描述
• 2.2.1 多孔介质几何结构特征参数
• 2.2.2 多孔介质几何结构模型
• 2.3 多孔介质内输运过程及其特性参数
• 2.3.1 平均流速与比流量
• 2.3.2 渗透率
• 2.3.3 弥散
• 2.3.4 饱和度
• 2.3.5 界面张力和湿润性
• 2.3.6 毛细压力
• 2.3.7 多孔介质中的传热传质
• 2.4 用于燃烧器的多孔介质
• 第三章 多孔介质内流动的连续介质方法
• 3.1 尺度概念
• 3.2 多孔介质的连续介质方法概述
• 3.2.1 密度与流体微元（质点）
• 3.2.2 孔隙率与表征体元
• 3.2.3 多孔介质连续介质方法的适用性和局限性
• 3.3 经典混合物理论
• 3.3.1 运动学关系
• 3.3.2 单组分守恒方程
• 3.3.3 混合物守恒方程
• 3.3.4 模型的封闭:理性热力学方法
• 3.3.5 模型的封闭:经典不可逆热力学方法
• 3.4 不溶混混合物理论
• 3.4.1 体积分数概念
• 3.4.2 运动学关系和守恒方程
• 3.4.3 模型的封闭问题
• 3.5 上升尺度方法
• 3.5.1 平均方法
• 3.5.2 杂化混合物理论
• 第四章 多孔介质内液雾燃烧模型的推导——体积平均杂化混合物理论
• 4.1 TCAT简介
• 4.2 混合物数学描述
• 4.3 平均的理论方法
• 4.3.1 表征体元
• 4.3.2 平均算子、平均量、脉动
• 4.3.3 平均原则
• 4.3.4 平均定理
• 4.3.5 平均定理的证明
• 4.4 守恒方程
• 4.4.1 微观守恒方程
• 4.4.2 平均的守恒方程
• 4.5 熵不等式
• 4.6 热力学关系
• 4.6.1 微观Gibbs方程
• 4.6.2 体积平均的Gibbs方程
• 4.6.3 其它热力学关系的平均
• 4.6.4 固相热力学关系
• 4.7 增广熵不等式
• 4.8 热力学流、热力学力及其耦合关系
• 4.9 模型的具体化与简化
• 4.9.1 问题的数学描述与定义
• 4.9.2 模型假定
• 4.9.3 宏观守恒方程
• 4.9.4 辐射
• 4.9.5 本构方程
• 4.10 本章小结
• 第五章 惰性多孔介质内燃烧的零维模拟
• 5.1 微小空腔内气体预混燃烧
• 5.1.1 数值实现与参数设置
• 5.1.2 计算结果分析
• 5.2 微小型化学推进器的性能分析
• 5.2.1 化学推进器工作循环的零维计算模型
• 5.2.2 数值实现与参数设置
• 5.2.3 计算结果分析
• 5.3 正庚烷液雾在PIM内的定容点火分析
• 5.3.1 问题的背景
• 5.3.2 数学模型
• 5.3.3 求解方法与参数设置
• 5.3.4 结果分析
• 5.3.5 结论
• 5.4 本章小结
• 第六章 惰性多孔介质内液雾燃烧的一维模拟
• 6.1 物理模型描述
• 6.2 守恒方程
• 6.3 本构方程
• 6.3.1 气相热流通量与质量扩散通量
• 6.3.2 化学反应速率
• 6.3.3 气体内能和比焓
• 6.3.4 相间质量交换:蒸发模型
• 6.3.5 气固间能量交换
• 6.3.6 气液间能量交换
• 6.3.7 固液间能量交换
• 6.4 辐射模型
• 6.5 模型方程小结
• 6.6 物性参数
• 6.6.1 气体
• 6.6.2 正庚烷（NC7H16）物性
• 6.6.3 多孔介质物性
• 6.7 数值方法
• 6.7.1 Euler模型方程的有限差分离散
• 6.7.2 Lagrange方法求解液雾方程
• 6.7.3 离散坐标法求解辐射传递方程
• 6.7.4 边界条件
• 6.7.5 算法
• 6.7.6 误差分析
• 6.8 代码检验与模型验证
• 6.8.1 自适应网格算法的检验
• 6.8.2 迭代误差分析
• 6.8.3 离散误差分析
• 6.8.4 子模型验证
• 6.9 算例及结果分析
• 6.9.1 模型变量的解
• 6.9.2 能量平衡
• 6.10 本章小结
• 第七章 结论和展望
• 7.1 本文总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果