氣體引射式無(wú)焰燃燒的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、引射式無(wú)焰燃燒是一種由燃燒器和燃燒室內(nèi)部結(jié)構(gòu)結(jié)合產(chǎn)生的非催化無(wú)焰燃燒方式，具有無(wú)焰燃燒高效低污染物排放的特點(diǎn)。本文以引射式無(wú)焰燃燒為研究對(duì)象，結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，研究其熱力學(xué)、流體力學(xué)和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的內(nèi)在規(guī)律，分析引射式無(wú)焰燃燒形成、穩(wěn)定的臨界條件和污染物排放的影響因素，為這種燃燒方式的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究建立理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考，從而為無(wú)焰燃燒技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供基礎(chǔ)。
　　 首先搭建了包含了甲烷、氫氣、氧氣及空氣

2、及壓縮空氣的反應(yīng)流體公用測(cè)試平臺(tái)，可以對(duì)氣態(tài)燃料和氧化劑的流量進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制和檢測(cè)，對(duì)CO、UHC、NOx等污染物排放進(jìn)行檢測(cè)。引射式無(wú)焰燃燒實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由實(shí)驗(yàn)供氣系統(tǒng)、燃燒器以及測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成。且自行設(shè)計(jì)的無(wú)焰燃燒實(shí)驗(yàn)爐和燃燒器可以通過(guò)燃料和氧氣輸送管同供氣系統(tǒng)連接。
　　 其次，建立了引射式無(wú)焰燃燒的熱力學(xué)分析模型。使用了CHEMKIN程序包的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，并采用基于顯焓分析的方法，對(duì)工作在無(wú)焰燃燒模式的臨界條件和甲烷/空氣引射式無(wú)

3、焰燃燒過(guò)程進(jìn)行了熱力學(xué)分析。計(jì)算了甲烷/空氣引射式無(wú)焰燃燒時(shí)的混合過(guò)程的焓值變化并探討了混合物溫度和再循環(huán)率對(duì)燃燒模式的影響。分析了燃燒和內(nèi)部換熱過(guò)程帶來(lái)的不同再循環(huán)率下的混合物溫度變化。評(píng)價(jià)了甲烷和空氣完全燃燒時(shí)在不同再循環(huán)率條件下工作在無(wú)焰燃燒模式的最大外部取熱。并計(jì)算了火用效率隨煙氣溫度和再循環(huán)率的變化曲線(xiàn)。
　　 再次，使用丙酮平面激光誘導(dǎo)熒光(PLIF，planar laser inducedfluorescence)

4、研究了用于預(yù)熱過(guò)程的低旋流部分預(yù)混燃燒器出口混合特征。對(duì)自由射流出口二維瞬時(shí)徑向和軸向密度場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，并分析了兩種驅(qū)動(dòng)壓力下燃燒器出口的丙酮PLIF圖像。結(jié)果表明，在弱驅(qū)動(dòng)壓力(0.2MPa)下，軸向射流擴(kuò)張角較小，徑向射流拓展到1/3半徑處；在強(qiáng)驅(qū)動(dòng)壓力(0.4MPa)下軸向射流擴(kuò)張角增大，下游區(qū)域的密度分布不均勻性減小，徑向射流可拓展到整個(gè)半徑處。實(shí)驗(yàn)觀(guān)察到的射流邊界的渦破碎結(jié)構(gòu)同其他研究結(jié)果接近。同時(shí)還搭建了尺度縮小的無(wú)焰燃燒預(yù)

5、熱燃燒器的供氣、標(biāo)定及測(cè)試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使用恒溫?zé)峋€(xiàn)風(fēng)速儀對(duì)燃燒器出口冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，研究了無(wú)焰氧化預(yù)熱燃燒器出口的流動(dòng)特性。結(jié)果表明，不同空燃比時(shí)燃燒器出口中心二維截面軸向速度呈馬鞍型分布，改變空氣流量時(shí)出口軸向速度梯度相近，且冷態(tài)時(shí)軸向射流速度邊界同熱態(tài)相似，為無(wú)焰氧化爐內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究提供了數(shù)據(jù)參考。
　　 而后，基于Fluent程序包對(duì)引射式無(wú)焰燃燒反應(yīng)器進(jìn)行了數(shù)值模擬。討論了不同湍流燃燒模型對(duì)無(wú)焰燃燒特性

6、的模擬。并分析了添加反應(yīng)器、射流工況、反應(yīng)器中的氧濃度分布等引射式無(wú)焰燃燒反應(yīng)器的熱態(tài)特性。并對(duì)不同模型的溫度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，探討了不同模型對(duì)軸向中心溫度計(jì)算結(jié)果的模擬。
　　 最后，分析了用于抑制熱力型NOx生成的含氫氣體燃料無(wú)焰燃燒的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。使用PSRN模型結(jié)合GRI對(duì)四種H2/CH4混合物及純氫的無(wú)焰燃燒進(jìn)行模擬。結(jié)果顯示NOx污染物低于30ppmv，而CO排放低于50ppmv，同四種燃料的“清潔無(wú)焰燃燒”