燃气脉动燃烧过程NOx生成规律的研究

论文摘要

气体脉动燃烧技术是近年来出现的一种新型燃烧技术,具有燃烧强度大、热效率高、生成污染物低等优点,然而脉动燃烧是一复杂的化工流体力学过程,理论量化困难,国内尚未推广至工程应用领域。论文针对脉动燃烧周期特性结合波动理论对燃烧脉动过程进行了研究,分析得出了驱动脉动燃烧过程的时间条件和空间条件;在瑞利准则基础上,设计了一套Helmholtz型脉动燃烧装置并进行了试验研究,试验表明:脉动燃烧过程的实现除了需要满足一定的时间条件和空间条件外,还需要达到相应的燃烧强度。对脉动燃烧污染产物的测量结果表明:在燃料系数接近1.0的条件下,不同尾管长度的非预混脉动燃烧的NOx生成量在30-60ppm之间,远低于常规燃烧条件下的NOx生成量;在燃料系数处于0.681.0时,脉动燃烧过程的NOx生成量随燃烧系数的增大而增大,并且在燃料系数较小的情况下,NOx的生成量受脉动频率变化的影响较小;当燃料系数接近于1.0时,脉动频率对NOx的生成量具有较大的影响作用。基于燃烧室内压力波动与上游供气压力之间的差值来实现燃烧器的燃气的供应或切断原理,利用数值模拟方法对脉动燃烧过程进行了模拟分析,研究了脉动燃烧特性对NOx生成规律的影响,结果表明:脉动燃烧生成NOx的过程同燃烧脉动一样,呈现周期性的生成规律;脉动燃烧过程中NOx的生成同稳态燃烧一样极强地依赖燃烧时的温度,但在脉动工作状态下,燃烧产生强烈脉动,使得高温持续时间较短,并且气体涡团在进入燃烧室内瞬间参与完成反应,减少了反应持续时间,使得整个过程没有达到NOx生成时所需要的活化能,因此降低了NOx的生成,从理论上解释了脉动燃烧技术的低NOx成因。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 脉动燃烧技术
• 1.2.1 机理与特点
• 1.2.2 脉动燃烧分类
• 1.3 研究及应用现状
• 1.3.1 工程应用
• 1.3.2 理论研究
• 1.3.3 研究意义
• 1.4 研究目的、内容
• 第二章 Helmholtz脉动燃烧过程NOx生成机理
• 2.1 引言
• 2.2 Helmholtz脉动燃烧原理
• 2.2.1 工作过程
• 2.2.2 脉动燃烧波动理论
• 2.2.3 瑞利准则
• 2.3 脉动燃烧NOx生成机理
• 2.3.1 主要机理类型
• 2.3.2 气体燃料燃烧时NOx的生成
• 2.4 本章小结
• 第三章 脉动燃烧NOx生成规律研究
• 3.1 脉动燃烧装置
• 3.1.1 试验系统设计
• 3.1.2 脉动燃烧器进气阀选取
• 3.2 测试技术及试验方法
• 3.2.1 试验测试技术
• 3.2.2 试验方法
• 3.3 试验结果与分析
• 3.3.1 脉动燃烧试验现象
• 3.3.2 试验结果分析
• 3.3.3 试验结果讨论
• 3.4 本章小结
• 第四章 脉动燃烧数值模型
• 4.1 燃烧过程数值模型
• 4.1.1 控制方程
• 4.1.2 控制方程过滤操作
• 4.1.3 亚网格尺度方程封闭求解
• 4.2 燃烧反应过程数值求解
• 4.2.1 燃烧反应速率求解
• 4.2.2 NOx生成模型
• 4.3 小结
• 第五章 脉动燃烧数值求解
• 5.1 有限体积法
• 5.2 网格划分
• 5.3 边界条件
• 5.3.1 壁面处和轴对称边界条件
• 5.3.2 出入流边界条件
• 5.4 程序运行
• 第六章 数值计算结果与分析
• 6.1 引言
• 6.2 燃烧特性研究与验证
• 6.3 脉动燃烧NOx生成规律研究
• 6.3.1 脉动燃烧NOx的周期性生成规律
• 6.3.2 脉动燃烧NOx生成影响因素
• 6.4 本章小结
• 结论
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 附录
• 附录1 实验测量数据
• 附录2 入流边界程序编译结果
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢