往复式热循环多孔介质燃烧系统特性研究与数值模拟

论文摘要

随着能源消费日益增长和环境意识的提高,如何实现气体燃料,特别是低热值稀薄气体燃料的高效清洁利用具有重要意义。本论文依托国家863计划（2006AA052223）与浙江省自然科学基金资助项目（Y506071）,围绕着低热值稀薄气体燃料高效清洁燃烧,依据多孔介质“超焓燃烧”基本原理,采用试验与数值模拟相结合的方法,针对浙江大学提出的新型往复式热循环（渐变）多孔介质燃烧系统开展研究。论文工作主要包括以下部分:1.研究往复式热循环（渐变）多孔介质燃烧系统的流动特性,主要包括压力波动和阻力损失特性。详细分析了各主要参数的影响,发现系统两侧压力,各段阻力损失呈周期性拟矩形波变化,具有明显的周期互换性;系统稳定运行存在最小换向稳定时间,随气体流量（空截面风速）增大变长,受多孔介质孔径影响较小。压力波动与阻力损失随二次风比增大而增大,二次风比不宜大于0.5;随空截面流速增加而增加,大体呈抛物线关系;渐变型组合结构有利于降低流动阻力损失和压力波动;得到燃烧器和蓄热器内阻力损失经验关联式系数。在此基础上,考察了高温空气模拟气流产生的可行性与产生量的影响因素,指出一次风量增加有利于高温空气模拟气流产生,二次风比大于等于1时,模拟气流产生可行,值越大,可行性越好;多孔介质孔径对高温空气模拟气流产生和产生量影响较小,渐变型结构组合有利于分流比增大。从分流比角度,高温空气模拟气流受一次风量影响较小,二次风比增大逐渐减小。2.研究往复式热循环（渐变）多孔介质燃烧系统的燃烧特性与动态特性。详细分析低热值稀薄气体燃烧时,换向半周期,当量比,二次风比工况参数对系统温度分布,污染物排放,及燃烧效率的影响。揭示了系统各点温度、污染物产生过程的周期性动态演变过程;指出系统温度关于中心位置对称分布,呈“M”型,距离火焰位置越近,温度波动幅值越大。指出半周期较小时,系统容易出现“双温度峰值”,随半周期增大,燃烧侧的燃烧温度峰值先增大后降低,最高温度出现在40s左右;随当量比增大,系统温度整体水平升高,燃烧火焰向上游传播;随二次风比增大,燃烧侧的燃烧温度峰值先增大后降低;燃烧火焰向上游传播,温度峰值位置向上游移动。CO浓度基本在100ppm以下,NO浓度小于20ppm,并从定性方面与Hoffmann和Fabinao等人的试验结果进行对比;系统燃烧效率非常高,基本保持在99%左右,验证系统高效清洁燃烧低热值稀薄气体燃料可行性。3.针对往复式热循环（渐变）多孔介质燃烧系统,建立了往复式热循环多孔介质燃烧系统的一维非稳态“双温度”模型。在分析点火位置对系统燃烧稳定演变过程,以及燃烧稳定时温度分布影响的基础上,并通过相应工况下的试验结果对数值模拟结果进行验证;通过研究往复式热循环多孔介质燃烧系统温度分布特性发现,各换向半周期,燃气热值（当量比）,二次风比,以及雷诺数对系统温度分布和燃烧火焰位置的影响规律与试验分析结果规律相吻合,给出系统理论贫燃极限φ=0.125,燃气热值为300KJ/Nm3;通过分析超焓燃烧特性发现,相对超焓量,随换向半周期增大先逐渐增加后逐渐下降,影响相对较小:随燃气热值增大逐渐迅速降低,呈现出双曲线变化关系,是主要影响因素;随二次风比增加,在α=0.2较高,随后逐渐降低,影响相对较小;燃烧效率与试验结果相吻合,验证了模型有效性和准确性,对系统的优化设计和性能提高具有重要的指导意义。4.研究空隙率分段分布,渐变分布,及空隙率渐变分布下半周期,无量纲热值,雷诺数等工况参数对传统往复多孔介质燃烧器温度分布与“超焓燃烧”特性的影响。在前面研究基础上,建立非稳态气固“双温度”模型,采用无量纲形式,首次分析了点火燃烧稳定演变过程,及周期间动态变化特性,并与热循环燃烧系统动态变化特性进行对照,揭示了周期性换向燃烧的动态演变过程。指出在燃烧区有热损失时,燃烧器内的温度分布随着各工况参数的变化基本上都是由倒“V型”向“M型”演变;无热量损失时,温度分布由倒“V型”向“梯形”演变,燃烧区域相应的逐渐拓宽;指出空隙率渐变分布时,贫燃极限可拓宽到当量比为0.125（H0=0.8）,无热量损失时为0.02（H0=0.12）:分析了各工况参数对往复多孔介质燃烧器的相对超焓量,燃烧效率,及燃烧火焰位置等“超焓燃烧”特性的影响,指出“超焓燃烧”受燃气热值（当量比）影响最大,随热值增大（当量比）逐渐降低,存在两个燃烧火焰区,燃烧效率非常高,保持在99%左右。论文研究工作表明,利用新型往复式热循环（渐变）多孔介质燃烧系统实现低热值稀薄气体燃料高效清洁利用完全可行;在现有试验条件下可实现φ=0.2预混燃气的稳定燃烧,对应燃气热值为620KJ/Nm3,数值模拟确定理论贫燃极限φ=0.125,燃气热值为300KJ/Nm3;燃烧器内采用空隙率分段分布、渐变分布时的燃烧特性优于均匀分布,贫燃极限进一步拓宽。研究结果对进一步研究往复式流动下多孔介质燃烧技术提供重要理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 第1章 绪论
• 1.1 背景
• 1.1.1 能源现状与环境危机
• 1.1.2 气体燃料开发应用
• 1.1.3 低热值稀薄气体燃料
• 1.2 多孔介质燃烧技术
• 1.2.1 多孔介质燃烧机理
• 1.2.2 多孔介质材料特性及应用
• 1.2.3 多孔介质燃烧特点
• 1.3 往复式多孔介质燃烧技术
• 1.3.1 往复式多孔介质燃烧提出与原理
• 1.3.2 往复式多孔介质燃烧特点
• 1.3.3 往复式多孔介质燃烧研究进展
• 1.4 高温空气燃烧技术
• 1.4.1 HTAC系统类型与机理
• 1.4.2 HTAC的主要特点
• 1.4.3 HTAC技术研究进展
• 1.5 研究课题的提出
• 1.6 本文主要研究内容与研究方法
• 1.7 本章小结
• 第2章 往复式热循环多孔介质流动与燃烧系统
• 2.1 系统功能
• 2.2 系统工作原理
• 2.3 系统装置组成
• 2.3.1 燃气供给系统
• 2.3.2 燃烧蓄热系统
• 2.3.3 周期换向控制系统
• 2.3.4 数据采集系统
• 2.4 试验准备
• 2.4.1 换向控制系统检查
• 2.4.2 系统气密性检查
• 2.4.3 数据采集系统检查
• 2.5 主要试验步骤
• 2.6 试验方法
• 2.6.1 冷态试验方法
• 2.6.2 热态试验方法
• 2.6.3 高温空气模拟气流试验方法
• 2.7 本章小结
• 第3章 往复式热循环多孔介质燃烧系统流动特性研究
• 3.1 系统压力动态特性
• 3.2 系统压力波动特性分析
• 3.2.1 换向半周期的影响
• 3.2.2 二次风比的影响
• 3.2.3 空截面流速的影响
• 3.2.4 结构参数组合的影响
• 3.3 系统阻力特性研究
• 3.3.1 阻力损失动态分布
• 3.3.2 换向半周期的影响
• 3.3.3 二次风比的影响
• 3.3.4 空截面流速的影响
• 3.3.5 结构参数组合影响
• 3.3.6 阻力损失的数学描述
• 3.4 高温空气模拟气流研究
• 3.4.1 分流器出口阀打开波动特性
• 3.4.2 高温空气产生可行性分析
• 3.4.3 高温空气产生量分析
• 3.4.4 高温空气模拟气流关联式
• 3.5 本章小结
• 第4章 往复式热循环多孔介质燃烧系统燃烧特性研究
• 4.1 系统动态变化特性
• 4.1.1 各点温度动态特性
• 4.1.2 系统稳定性运行的判断
• 4.1.3 周期内温度分布动态变化
• 4.1.4 污染物排放动态变化
• 4.2 系统温度分布特性
• 4.2.1 火焰位置对温度分布的影响
• 4.2.2 换向半周期的影响
• 4.2.3 当量比的影响
• 4.2.4 二次风比的影响
• 4.3 系统污染物排放特性
• 4.3.1 换向半周期的影响
• 4.3.2 二次风比的影响
• 4.3.3 当量比的影响
• 4.4 系统燃烧效率
• 4.4.1 换向半周期的影响
• 4.4.2 当量比的影响
• 4.4.3 二次风比的影响
• 4.5 系统稳定燃烧极限探讨
• 4.5.1 换向半周期的影响
• 4.5.2 二次风比的影响
• 4.5.3 当量比的影响
• 4.5.4 稀薄燃气稳定燃烧极限转换
• 4.6 本章小结
• 第5章 往复式热循环多孔介质燃烧数学模型及方法
• 5.1 物理模型的建立
• 5.2 数学模型的建立
• 5.2.1 模型方程基本假设
• 5.2.2 模型方程建立
• 5.2.3 化学反应源项处理
• 5.2.4 辐射源项的处理
• 5.2.5 点火模型的建立
• 5.3 初始条件和边界条件
• 5.3.1 初始条件
• 5.3.2 边界条件
• 5.4 模型方程及条件规范化
• 5.4.1 模型方程的规范化
• 5.4.2 初始条件规范化
• 5.4.3 边界条件的规范化
• 5.5 模型方程求解与算法设计
• 5.5.1 模型方程的求解方法
• 5.5.2 模型算法设计
• 5.5.3 计算参数的设置
• 5.6 本章小结
• 第6章 往复式热循环多孔介质燃烧系统数值模拟
• 6.1 点火位置对燃烧特性影响
• 6.1.1 点火器布置方式
• 6.1.2 点火稳定演变过程分析
• 6.1.3 点火位置对燃烧演变过程的影响
• 6.1.4 点火位置对燃烧特性的影响
• 6.2 数值模拟结果验证
• 6.3 温度分布特性研究
• 6.3.1 周期内温度动态分布
• 6.3.2 气固两相温度分布
• 6.3.3 换向半周期的影响
• 6.3.4 燃气热值的影响
• 6.3.5 二次风比的影响
• 6.3.6 雷诺数的影响
• 6.4 超焓燃烧特性研究
• 6.4.1 换向半周期的影响
• 6.4.2 燃气热值的影响
• 6.4.3 二次风比的影响
• 6.4.4 雷诺数的影响
• 6.5 本章小结
• 第7章 传统往复式多孔介质燃烧数值模拟
• 7.1 燃烧器物理模型
• 7.2 燃烧器数学模型
• 7.2.1 模型方程的建立
• 7.2.2 初始条件和边界条件
• 7.2.3 点火模型与求解
• 7.3 点火燃烧模拟
• 7.3.1 点火模拟
• 7.3.2 点火燃烧稳定性模拟
• 7.4 动态特性分析
• 7.4.1 温度动态特性分析
• 7.4.2 周期内反应速率动态变化
• 7.4.3 周期内生成物动态特性
• 7.5 温度分布特性研究
• 7.5.1 气固两相温度分布
• 7.5.2 结构参数分布影响
• 7.5.3 工况参数影响
• 7.6 “超焓”燃烧特性研究
• 7.6.1 换向半周期影响
• 7.6.2 无量纲热值影响
• 7.6.3 雷诺数影响
• 7.6.4 空隙率ε1的影响
• 7.6.5 孔径大小的影响
• 7.7 本章小结
• 第8章 全文总结及工作展望
• 8.1 主要结论
• 8.2 本文主要创新之处
• 8.3 未来工作展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 攻读学位期间参加的科研项目
• 致谢