多孔介质预混燃烧气固温度分布特性试验研究

为研究多孔介质燃烧、传热和生成物特性，采用非接触式红外测温仪对多孔介质预混燃烧室中气、固两相温度分布进行了试验研究.结果表明预混气体在多孔介质中燃烧时，气相和固相的温度是不同的，存在－60～+100 K的温差.试验得到了不同当量比、热流密度和孔径下的燃烧室气、固温度分布.在火焰前缘，固体骨架的温度高于多孔介质内气体的温度，对气体有预热作用；在火焰后缘，气体温度高于固体骨架温度，对固体骨架有蓄热作用.当量比降低，气、固温差波动变小；当量比不变，热流密度增大，气、固温度差值在轴向长度方向变化小.     

多孔介质内预混合燃烧的二维数值模拟

为了研究预混气在多孔介质内过滤燃烧特性,根据多孔介质燃烧理论,建立了甲烷/空气预混气在堆积床内燃烧的二维双温模型。给出了当量比、入口速度和小球直径等参数对温度分布的影响,分析了燃烧器内氧化铝小球的蓄热特性。结果表明:火焰面的前缘呈抛物线形状,燃烧波波速在0.1 mm/s数量级;随着当量比增加,波速度减小,燃烧区域范围扩大;随着入口流速增大,燃烧最高温度升高,火焰面宽度变窄,燃烧波波速增大;随着氧化铝小球直径增大,火焰面厚度变窄,燃烧波速度增大;氧化铝小球在过滤燃烧中体现出良好的蓄热能力。     

低热值燃气往复多孔介质燃烧特性

为了研究低热值预混燃气（当量比<0.4）在往复式多孔介质燃烧器中的燃烧特性,建立两端布置蓄热段的往复多孔介质燃烧试验台,研究温度波动、轴向温度分布及燃烧极限的特性.结果表明,低热值预混燃气温度波动特性与火焰面位置有直接关系,两端布置蓄热段能够减小泡沫陶瓷多孔介质温度波动幅度.随着当量比的降低,轴向温度分布形状从“马鞍形”、“梯形”、“椭圆形”,变化到系统达到燃烧极限时形成的“三角形”分布.加入蓄热小球使高温段平均温度升高、排烟温度降低.燃烧极限与系统半周期、空截面流速及热负荷密切相关.系统能够达到的最低燃烧当量比为0.1.     

多孔介质表面火焰辐射特性试验研究

为了研究多孔介质表面火焰辐射特性,设计了锥形燃烧器,针对当量比、入口速度等变量对多孔介质燃烧器表面温度分布、辐射功率的影响进行分析。结果表明：当量比和入口速度对表面火焰形态、表面燃烧温度和辐射功率的影响很大;当入口速度一定时,增大当量比可以明显提高燃烧器的表面温度和辐射功率;当入口速度和当量比过小时,燃烧温度过低而导致熄火;若当量比增大到0.6之后,多孔介质燃烧器会达到稳定燃烧,且用时基本相同;入口速度越大,表面燃烧温度和辐射功率越高。     

超低热值多孔介质燃烧器积木型内芯结构的试验研究

基于一种具有热量回流的超低热值燃气多孔介质燃烧器,通过进行多孔介质块的积木式排列,构建了多种孔隙分布的多孔介质燃烧室结构.完成了在理论当量比和一定燃烧强度时,超低热值燃气在不同多孔介质积木型内芯结构中燃烧的温度变化和污染物排放测试.研究结果表明:与截面孔隙密度不变的多孔介质内芯相比,在孔隙密度沿流动方向逐渐降低的情况下,当外侧多孔介质孔隙密度比中心减小时,火焰温度和燃烧稳定性均降低,CO排放量增大;当外侧孔隙密度比中心增大时,火焰温度和稳定性升高,CO排放量减少.     

自由堆积多孔介质内超绝热燃烧的试验研究

为探索多孔介质内超绝热燃烧的特性,搭建了自由堆积多孔介质超绝热燃烧试验台架,测量了不同化学当量比（0.4～0.7）的甲烷/空气预混气体的超绝热燃烧特性.自由堆积多孔介质由直径为3和6 mm的Al2O3小球在陶瓷管（Φ38 mm×500 mm)中堆积而成,孔隙率为0.42.试验结果表明,在多孔介质中只有当燃烧波正向传播时才可能产生超绝热燃烧.在贫燃条件下超绝热燃烧的上限化学当量比为0.7,下限化学当量比为0.4;当化学当量比小于0.4或大于0.7时,在贫燃条件下的超绝热燃烧将不能实现.多孔介质中预混燃烧的火焰锋面速度约为7.82 μm/s,最大燃烧锋面温度超过绝热燃烧温度139 K.     

多孔介质微燃烧器预混燃烧的数值研究

开发了带有回热夹层的多孔介质微燃烧嚣,对其预混燃烧性能进行了数值模拟,研究了燃烧功率和过量空气系数对微燃烧器的出口尾气温度、燃烧效率、壁面温度和热损失率的影响.结果表明:在较宽的燃烧范围内,微燃烧器具有较高的燃烧效率和较低的热损失率,而且随着燃烧热功率和过量空气系数的增大,微燃烧器的外壁面温度和热损失率反而减小;多孔介质微燃烧器的最佳燃烧功率为200 w,最佳的过量空气系数范围为2.5相似文献   

甲烷/空气在多孔介质小球填充床表面扩散燃烧的实验研究

对受限空间内甲烷/空气在多孔介质表面扩散燃烧特性进行实验研究.结果表明,随着多孔介质小球填充高度的增加,燃烧火焰的颜色、火焰高度、火环、及声音发生显著的变化,得出了甲烷在多孔介质表面燃烧的一些特性.     

内嵌换热面双层多孔介质预混燃烧试验研究

为了研究具有内嵌换热面的泡沫型多孔介质中的气体燃烧、传热特性,将换热面内嵌布置于双层泡沫型多孔介质下游碳化硅泡沫陶瓷中,试验研究甲烷/空气预混气体在其中的温度分布、稳燃范围、燃烧产物排放特性,分析燃烧器热效率和换热面在多孔介质内的传热过程.结果表明,在泡沫型多孔介质燃烧系统中内嵌换热面后可以降低燃烧器温度水平,具有较宽的稳燃范围;相较于无换热面情况,内嵌换热面后,燃烧器出口NOx排放量下降,试验工况范围内低于35mg/m3;燃烧器热效率随入口气流速度下降并保持在60%~80%;换热管外壁与多孔介质气固两相的传热相较于传统的气流横向冲刷管束,平均传热系数增幅可达75%.     

渐变型多孔介质中预混燃烧试验研究

提出了渐变型多孔介质（GVPM）中燃烧的设想，使多孔介质中流动及传热特性与燃烧规律相匹配，实现高效燃烧和低污染物排放的结合。对天然气在渐变孔径的多孔介质中预混燃烧进行了试验，得出了燃烧室温度分布和污染物排放结果，并与两种单孔径的均匀型多孔介质（HPM）中燃烧结果进行了对比。试验结果表明，渐变孔径的多孔介质燃烧器可以使燃烧室温度分布更加均匀，燃烧更加稳定，对于当量比的变化有更大的调节范围，CO和NOx等污染物排放更低。渐变型多孔介质结合了不同孔径的均匀型多孔介质的流动及传热特性，对燃烧室上下游热量分布进行合理调配，使得最高燃烧温度有所降低；由于孔径的变化，使火焰的稳定性增强。     

基于FLUENT对惰性多孔介质中湍流预混燃烧的模拟

采用了多孔介质气固间局部热平衡假定,建立了二维的多孔介质中湍流燃烧模型.通过用户自定义函数在FLUENT6.1的多孔介质模型中引入湍流和辐射的作用,对多孔介质中甲烷-空气预混燃烧的特性进行了数值模拟.得到的多孔介质中的计算流场更加合理,流速均匀且消除了多孔区近壁面速度高而中心低的不合理速度场.计算结果显示多孔介质中温度分布均匀,壁面温度和中心温度相差很小,比FLUENT软件不考虑多孔介质辐射的结果更加合理.通过计算甲烷-空气的两步反应,得到了多孔介质中速度场、温度场和浓度场的分布理论预示结果,并与试验结果进行了比较,发现二者趋势一致.利用FLUENT软件求解多孔介质中燃烧问题是有效的,该二维惰性多孔介质燃烧模型是合理的.     

孔隙率对Al2O3高孔隙率多孔介质EHC的影响

新型多孔介质燃烧技术主要采用泡沫陶瓷 ( Ceramic Foams)、波纹状陶瓷 ( Fabric LamellaStructure)等高孔隙率多孔介质。基于气、固相局部热平衡假设的有效导热系数 EHC( EffectiveHeat Conductivity)描述了气流与固体骨架中导热、弥散和热辐射多种传热方式的综合效果 ,是一个重要的传热特性 ,对其研究非常不足。通过实验与数值模拟确定不同孔隙率 Al2 O3 陶瓷的 EHC:基于测定的温度分布 ,给定 EHC的初值 ,采用有限体积法进行流场数值模拟 ;比较测量与计算的温度均方根差 ,通过对 EHC搜索寻优 ,间接确定泡沫陶瓷的有效导热系数。结果表明 Al2 O3 陶瓷的EHC随温度增加而增加 ,对速度不敏感 ;孔隙率高的陶瓷其 EHC较大。给出试样 EHC与温度和空管速度的拟合式 ;将颗粒床 EHC的 Z&B模型外推到 Al2 O3 高孔隙率陶瓷 ,并给出 EHC预示结果     

多孔砖瞬态传热数值研究

利用自然对流和热传导的物理耦合模型,采用有限容积法及SIMPLE算法,研究了多孔砖在外界环境变化条件下的瞬态传热规律.通过计算得到多孔砖内外壁温的变化情况及延迟特性,分析了通过多孔砖的热流变化规律,与相同尺寸实心砖的传热过程比较发现:实心砖和多孔砖的内壁面温度的延迟相差不大,而多孔砖与实心砖平均热流相差很大,实心砖的平均热流约比多孔砖平均热流大63%,说明多孔砖节能效果显著.     

往复式多孔介质燃烧器温度分布的试验研究

研究了往复式多孔介质燃烧器在热态试验条件下的温度分布，分析了当量比、空截面流速、
切换半周期对多孔介质中温度分布的影响，以及切换半周期对燃烧器出口温度的影响。随着系统周期性地
运行，多孔介质中的温度呈动态周期性变化。在当量比为0.3～1.4时，随着当量比的增大，多孔介质中的
温度先上升后下降。在切换周期和当量比一定时，随着空截面流速的增大，多孔介质中的温度随之升高；
在当量比和燃气质量流量保持不变时，随着切换半周期的增大，多孔介质中的温度先升高后降低，最后基
本保持不变，而燃烧器出口温度随切换半周期的增大而升高。与单个多孔介质燃烧相比，往复式多孔介质
中的温度整体分布较均匀。     

多孔介质方腔自然对流的直接数值模拟

为了研究多孔介质方腔的自然对流传热,通过在方腔内布置固体颗粒的方式来模拟多孔介质结构,并采用虚拟区域方法求解多孔介质中的流场和温度场,分析了固体颗粒的数目、布置方式和形状对传热效率的影响.在高Rayleigh数下,多孔介质方腔自然对流的传热主要是通过壁面附近热对流产生的环流.通过直接数值模拟研究发现：当保持Rayleigh数和固体体积分数不变时,随着模拟多孔介质的颗粒数目的增加,壁面平均Nusselt数随之减小,即传热效率降低,进一步的流场分析表明规则排列时最外排颗粒到壁面距离对于传热效率有重要的影响;当固体颗粒数目和体积分数相同时,颗粒随机布置在高Rayleigh数时比颗粒规则布置有更高的传热效率,而颗粒形状对于传热效率的影响则不大.     

含内热源管内填充多孔介质的强迫对流传热解析解

基于非局部热平衡假设,研究了管内填充多孔介质的强迫对流传热问题.在附于多孔介质圆柱的外表面施加恒定热流,采用Darcy动量方程描述多孔介质内流体的流动.为考虑工程实际中可能的物理或化学发热源,将多孔介质液相和固相内热源引入传热模型中,获得了液相和固相温度分布的解析解,同时推导了表征传热性能的Nusselt数显式表达式.计算结果表明:计算解析解与文献[10]推导的解析解吻合良好,固相内热源强度愈高,液相和固相温差愈大,Nusselt数愈小,传热性能愈差.此外,还解释了管壁处液相和固相温度梯度出现分岔的原因.     

多孔介质反应器内传热特性模拟

根据多孔介质流动、传热理论,采用了多孔介质内流动、能量传递的相关数学模型,并采用P1近似法处理多孔介质的辐射吸收过程,最后运用CFD软件,计算得出了孔隙率、材料材质、流速等因素对多孔介质区温度场、对流换热系数、努赛尔数的影响.     

Study of the mechanisms of the flame propagation and stabilization in porous media

The CH4/air premixed gas combustion processes in porous media were numerically studied using the two-temperature reacting fluid model with dispersions and detailed chemical reaction mechanism GRI 3.0. The mechanisms of the propagation and stabilization of submerge flames and surface flames in porous media were illuminated distinctly by considering the magnitude of the terms in the two energy equations, analyzing the sensibility of flame propagation speed to flame location, heat exchange coefficient between gas and solid, thermal conductivity and radiative extinction coefficient of porous media. It was concluded that the propagation mechanism of a submerged flame is similar to that of a free flame with an additional preheat zone and that the surface-flame propagation mechanism in porous media is similar to that of a free flame with heat loss in reaction zone. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 50376060)