往復(fù)式熱循環(huán)多孔介質(zhì)燃燒系統(tǒng)特性研究與數(shù)值模擬.pdf

1、隨著能源消費日益增長和環(huán)境意識的提高，如何實現(xiàn)氣體燃料，特別是低熱值稀薄氣體燃料的高效清潔利用具有重要意義。本論文依托國家863計劃(2006AA05Z223)與浙江省自然科學(xué)基金資助項目(Y506071)，圍繞著低熱值稀薄氣體燃料高效清潔燃燒，依據(jù)多孔介質(zhì)“超焓燃燒”基本原理，采用試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，針對浙江大學(xué)提出的新型往復(fù)式熱循環(huán)(漸變)多孔介質(zhì)燃燒系統(tǒng)開展研究。論文工作主要包括以下部分： 1.研究往復(fù)式熱循環(huán)(漸

2、變)多孔介質(zhì)燃燒系統(tǒng)的流動特性，主要包括壓力波動和阻力損失特性。詳細分析了各主要參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)兩側(cè)壓力，各段阻力損失呈周期性擬矩形波變化，具有明顯的周期互換性；系統(tǒng)穩(wěn)定運行存在最小換向穩(wěn)定時間，隨氣體流量(空截面風(fēng)速)增大變長，受多孔介質(zhì)孔徑影響較小。壓力波動與阻力損失隨二次風(fēng)比增大而增大，二次風(fēng)比不宜大于0.5；隨空截面流速增加而增加，大體呈拋物線關(guān)系；漸變型組合結(jié)構(gòu)有利于降低流動阻力損失和壓力波動；得到燃燒器和蓄熱器內(nèi)阻力損失

3、經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，考察了高溫空氣模擬氣流產(chǎn)生的可行性與產(chǎn)生量的影響因素，指出一次風(fēng)量增加有利于高溫空氣模擬氣流產(chǎn)生，二次風(fēng)比大于等于1時，模擬氣流產(chǎn)生可行，值越大，可行性越好；多孔介質(zhì)孔徑對高溫空氣模擬氣流產(chǎn)生和產(chǎn)生量影響較小，漸變型結(jié)構(gòu)組合有利于分流比增大。從分流比角度，高溫空氣模擬氣流受一次風(fēng)量影響較小，二次風(fēng)比增大逐漸減小。 2.研究往復(fù)式熱循環(huán)(漸變)多孔介質(zhì)燃燒系統(tǒng)的燃燒特性與動態(tài)特性。詳細分析低熱值稀薄氣體

4、燃燒時，換向半周期，當量比，二次風(fēng)比工況參數(shù)對系統(tǒng)溫度分布，污染物排放，及燃燒效率的影響。揭示了系統(tǒng)各點溫度、污染物產(chǎn)生過程的周期性動態(tài)演變過程；指出系統(tǒng)溫度關(guān)于中心位置對稱分布，呈“M”型，距離火焰位置越近，溫度波動幅值越大。指出半周期較小時，系統(tǒng)容易出現(xiàn)“雙溫度峰值”，隨半周期增大，燃燒側(cè)的燃燒溫度峰值先增大后降低，最高溫度出現(xiàn)在40s左右；隨當量比增大，系統(tǒng)溫度整體水平升高，燃燒火焰向上游傳播；隨二次風(fēng)比增大，燃燒側(cè)的燃燒溫度峰值

5、先增大后降低；燃燒火焰向上游傳播，溫度峰值位置向上游移動。CO濃度基本在100ppm以下，NO濃度小于20ppm，并從定性方面與Hoffmann和Fabinao等人的試驗結(jié)果進行對比；系統(tǒng)燃燒效率非常高，基本保持在99％左右，驗證系統(tǒng)高效清潔燃燒低熱值稀薄氣體燃料可行性。 3.針對往復(fù)式熱循環(huán)(漸變)多孔介質(zhì)燃燒系統(tǒng)，建立了往復(fù)式熱循環(huán)多孔介質(zhì)燃燒系統(tǒng)的一維非穩(wěn)態(tài)“雙溫度”模型。在分析點火位置對系統(tǒng)燃燒穩(wěn)定演變過程，以及燃燒穩(wěn)定

6、時溫度分布影響的基礎(chǔ)上，并通過相應(yīng)工況下的試驗結(jié)果對數(shù)值模擬結(jié)果進行驗證；通過研究往復(fù)式熱循環(huán)多孔介質(zhì)燃燒系統(tǒng)溫度分布特性發(fā)現(xiàn)，各換向半周期，燃氣熱值(當量比)，二次風(fēng)比，以及雷諾數(shù)對系統(tǒng)溫度分布和燃燒火焰位置的影響規(guī)律與試驗分析結(jié)果規(guī)律相吻合，給出系統(tǒng)理論貧燃極限φ=0.125，燃氣熱值為300KJ/Nm3；通過分析超焓燃燒特性發(fā)現(xiàn)，相對超焓量，隨換向半周期增大先逐漸增加后逐漸下降，影響相對較?。浑S燃氣熱值增大逐漸迅速降低，呈現(xiàn)出雙曲

7、線變化關(guān)系，是主要影響因素；隨二次風(fēng)比增加，在α=0.2較高，隨后逐漸降低，影響相對較小；燃燒效率與試驗結(jié)果相吻合，驗證了模型有效性和準確性，對系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和性能提高具有重要的指導(dǎo)意義。 4.研究空隙率分段分布，漸變分布，及空隙率漸變分布下半周期，無量綱熱值，雷諾數(shù)等工況參數(shù)對傳統(tǒng)往復(fù)多孔介質(zhì)燃燒器溫度分布與“超焓燃燒”特性的影響。在前面研究基礎(chǔ)上，建立非穩(wěn)態(tài)氣固“雙溫度”模型，采用無量綱形式，首次分析了點火燃燒穩(wěn)定演變過程，

8、及周期間動態(tài)變化特性，并與熱循環(huán)燃燒系統(tǒng)動態(tài)變化特性進行對照，揭示了周期性換向燃燒的動態(tài)演變過程。指出在燃燒區(qū)有熱損失時，燃燒器內(nèi)的溫度分布隨著各工況參數(shù)的變化基本上都是由倒“V型”向“M型”演變；無熱量損失時，溫度分布由倒“V型”向“梯形”演變，燃燒區(qū)域相應(yīng)的逐漸拓寬；指出空隙率漸變分布時，貧燃極限可拓寬到當量比為0.125(H0=0.8)，無熱量損失時為0.02(H0=0.12)；分析了各工況參數(shù)對往復(fù)多孔介質(zhì)燃燒器的相對超焓量，燃

9、燒效率，及燃燒火焰位置等“超焓燃燒”特性的影響，指出“超焓燃燒”受燃氣熱值(當量比)影響最大，隨熱值增大(當量比)逐漸降低，存在兩個燃燒火焰區(qū)，燃燒效率非常高，保持在99％左右。 論文研究工作表明，利用新型往復(fù)式熱循環(huán)(漸變)多孔介質(zhì)燃燒系統(tǒng)實現(xiàn)低熱值稀薄氣體燃料高效清潔利用完全可行；在現(xiàn)有試驗條件下可實現(xiàn)φ=0.2預(yù)混燃氣的穩(wěn)定燃燒，對應(yīng)燃氣熱值為620KJ/Nm3，數(shù)值模擬確定理論貧燃極限φ=0.125，燃氣熱值為300KJ