多孔介质燃烧-换热器的二维数值研究

通过二维数值模型研究了多孔介质燃烧-换热器。在宽广的工况范围内,研究多孔介质燃烧-换热器内的温度、速度分布和压力损失,研究主要工作参数过量空气系数和功率对换热管总的热效率的影响。结果表明,过量空气系数和功率对总的热效率有显著的影响,随二者的增大,总的热效率降低。实验验证了数值计算结果的有效性。

扩散过滤燃烧火焰特性

扩散过滤燃烧是新的燃烧技术,具有扩散燃烧和预混过滤燃烧的某些特性。通过二维双温模型,使用单步总包反应,数值研究氮气稀释的甲烷和氧气同轴同平板扩散过滤燃烧特性。模型中考虑热弥散和组分弥散效应。研究小球直径、气体混合物速度和甲烷质量分数对火焰高度和火焰形态的影响。结果表明,与预混过滤燃烧不同,气体和固体高温区存在于燃烧器的不同位置;而在高温区域之外,气体和多孔介质固体的温差很小。当填充床小球直径从6.66mm减小到2.02mm,火焰高度从0.048m增大到0.12m。增大混合物速度,甲烷的质量分数导致火焰变宽,火焰高度增大。数值模型的有效性得到了实验验证。

往复流多孔介质燃烧器的二维数值模拟与结构改进

对往复式惰性多孔介质燃烧器进行了二维数值模拟,模型的有效性通过实验数据进行验证.在燃烧器中分别填充4孔/cm泡沫陶瓷或小球,研究其内部的燃烧温度和压力损失.结果表明,由相同材料制成但结构不同的多孔介质对燃烧器内的高温区域和压力损失有显著的影响.孔隙率较大的泡沫陶瓷适合于布置在燃烧区,而孔隙率较小的小球适合于布置在热交换区域.改进燃烧器结构,即在燃烧器的中间布置泡沫陶瓷,而在两端布置小球.对于当量比为0.1的甲烷与空气混合气,得到了更为宽广的高温区域和适度的压力降.

预混气体在多孔介质中燃烧火焰面倾斜的演变

为研究多孔介质中火焰面倾斜演变及出现倾斜演变的原因,建立了二维碳化硅堆积小球的多孔介质燃烧器双温模型,对预混气体在燃烧器内的流动、传热和燃烧进行模拟.分析火焰面倾斜演变,并从温度场、气体流速场、压力场三个方面对火焰面出现倾斜演变现象进行分析.结果表明:给定初始倾斜角的火焰面会持续发展,出现更严重的倾斜现象;温度场、气体流速场、动压场通过影响燃烧化学反应速度、气体流动方向、壁面散热等间接影响火焰面的倾斜演变,导致火焰面倾斜的持续发展.

往复流多孔介质燃烧换热器热量提取的数值研究

通过一维双温模型,研究多孔介质中的燃烧特性和换热器的热量提取。预测的气体和固体温度曲线基本上为M型分布。数值结果表明,在往复流多孔介质燃烧器系统中,甲烷的贫可燃极限可以扩展到当量比0.15。当换热器的长度从6mm增大到14mm时,热效率由0.39增加到0.61。随着换热器长度和当量比的增大,热量提取效率增大。

考虑弥散效应的多孔介质中超绝热燃烧的数值模拟

研究多孔介质内往复流动下的超绝热燃烧。一维模型包括气体输运、多孔介质固体的辐射、导热和气固两相间的对流换热。通过数值计算研究超绝热燃烧的形成、以及弥散效应、当量比和多孔介质材料本身对超绝热燃烧特性的影响。计算结果的有效性通过实验进行了验证并取得了相同的趋势。结果表明,组分弥散效应对气体温度分布和反应热影响很小;同一工况下,不考虑气体混合物的热弥散效应,会导致过高的气体温度计算值。同时,计算结果表明小孔径的多孔介质更有利于贫可燃极限的扩展,对30 ppi的多孔介质燃烧器,得到了当量比为0．092的可燃极限。

稀混合气低速过滤燃烧的数值模拟与理论分析

应用一维数值模拟方法,研究了多孔介质引起的热回流效应、多孔介质的导热系数、系统的热损失、混合气当量比对燃烧波波速和反应区最高温度的影响.分别将燃烧区简化为无限薄和极其狭窄的区域,从理论上得到了低速过滤燃烧波波速和反应区的最高温度两个关系式,构成了两者的封闭解.利用数值模拟和理论分析求得的燃烧波波速和反应区的最高燃烧温度,取得了与实验结果相同的趋势.

多孔介质内往复流动超绝热燃烧的简化解

通过与稳态的逆流燃烧器类比,得到了一个简化的理论解,并与实验结果进行了对比。该解适用于绝热的惰性多孔介质内往复流动下的超绝热燃烧。简化的理论解包括两个常微分方程,方程中包含所有的控制参数,因此有助于深入理解这些控制参数对燃烧器的影响。与数值模拟的结果相比,多孔介质固体的温度曲线可以用简化解的分段线性函数很好的估算,利用简化的理论解求得的燃烧器内温度的最大值与实验值取得了相同的趋势,但是通常比实验值大,二者的误差大约是20%。

往复式惰性多孔介质燃烧器的可燃极限及最大半周期

借助于先前推导的简化理论解,利用分段线性函数,构建了燃烧器内温度分布曲线、可燃极限和最大半周期。该解适用于绝热条件下往复式惰性多孔介质燃烧器。结果表明,当流速小于0.12m.s-1时,理论解预测的可燃极限与实验取得了相同的趋势,增大流速可以获得较小的可燃极限。而流速大于0.17m.s-1时,增大流速对扩展可燃极限的影响很小。同时,小孔径的多孔介质更有利于扩展可燃极限。预测的最大半周期与流速的乘积与固体和气体热容的比值呈线性关系;燃烧器的长度对最大半周期有显著的影响。增大燃烧器的长度将导致较大的最大半周期。预测的可燃极限和推导出的最大半周期为燃烧器的设计和进一步改善提供了指导。

燃煤锅炉气体再燃混合特性的三维数值模拟

研究全尺寸锅炉内气体再燃的混合特性。通过三维模型,考察煤粉切圆燃烧锅炉内的混合特性。结果表明,再燃燃料的喷入速度,喷口的宽高比对再燃燃料的混合过程有显著的影响,而再燃区的高度对混合过程的影响很小。计算表明,当再燃燃料喷入量保持不变时,采用较大的再燃燃料射入速度、等边的喷口和较大的再燃烧区高度有利于再燃气与烟气的混合。

基于过剩焓函数多孔介质中超绝热燃烧的分析

分析了稀预混气体多孔介质中超绝热燃烧反应区的能量集中现象。通过一维双温模型理论上推导出量纲1过剩焓函数。分析表明,超绝热燃烧温度是修正的Lewis数、固体和气体热导率的比值、填充床孔隙率以及量纲1燃烧波波速的综合函数。通过对量纲1焓方程4个源项的分析表明,修正的Lewis数主导源项的大小并决定焓值的分布。

单液滴撞击薄液膜产生二次雾化过程的数值模拟

应用数值模拟方法研究单液滴撞击薄液膜的动力学行为.在二维轴对称坐标系内,采用VOF方法与网格局部瞬时加密技术相结合,跟踪液滴和液膜与空气间的气液两相界面.结果表明,液滴撞击薄液膜的演化行为主要受液滴初始动能、表面张力以及液体黏性的影响.初始动能越大,则形成的空间液膜最大高度越大,达到稳定状态越晚,飞溅开始时刻越早,飞溅生成的二次液滴数量也越多;在扩展后期及回缩阶段,空间液膜的形成主要受液体黏度影响,增加液体黏度会阻碍空间液膜飞溅;表面张力增大,形成的空间液膜高度减小、厚度增加,同时阻碍二次液滴的生成.

不同亚网格尺度应力模型在燃油喷雾大涡模拟中的应用

亚网格尺度应力模型是影响大涡模拟结果的一个关键因素.在K-方程亚网格湍动能模型的基础上,对其它比较常用的3种代数模型(Smagoringsky模型、动态Smagoringsky模型和WALE模型)在燃油喷雾中的适用性作了探讨.在定容弹中采用3个不同的燃油喷雾试验作为数值模拟的验证对象,分析了喷雾的演变过程.并将其应用于柴油发动机喷雾冷态研究中.结果可知,3个代数亚网格模型在蒸发和非蒸发过程中喷雾的演变过程基本与试验相符,液相贯穿距也与试验接近.K-方程模型较为准确,WALE模型在几种算例中也得到了较好的结果,Smagorinsky模型得到的液相贯穿距要稍长于其它几种模型.

高压燃油喷雾雾化与蒸发过程的大涡模拟

应用高压喷射技术可以有效地改善燃油雾化的质量。通过大涡模拟方法,对3种喷射压力下定容弹内燃油的高压喷射、雾化和蒸发进行了数值研究,并与相关试验进行了对比;分析了喷射压力对液相贯穿度、油滴平均直径、气相速度场和湍能分布、燃油蒸发率等参数的影响。计算结果表明:采用大涡模拟方法可以捕捉到喷雾场中湍流涡团的随机性的三维复杂结构,提高喷射压力,显著增加喷雾贯穿度,减小液滴的平均索特直径。压力的提高也增大了气相湍动能,促进燃油的蒸发。

泡沫铝发泡过程三维数值模拟

应用计算流体力学方法模拟分析搅拌轴斜置情况下泡沫铝吹气发泡过程.在双流体模型基础上引入多重参考系法描述搅拌三维气液两相流场,考查了桨叶转速、气体流率及初始泡径对流场特性和气泡分布的影响.结果表明气体在叶片区有聚集,并且吸力面高于压力面,液面附近气泡在一定范围内分布较均匀.含气率随叶片转速和气体流率增大而增大,随气泡直径减小而增大.

甲烷在多孔介质中过滤燃烧制氢的数值模拟

对燃料极富条件下(φ>2.0)甲烷在多孔介质中的部分氧化重整制取氢气的工艺过程进行了数值模拟。建立了一维定常双温度模型,采用详细化学反应机理GRI1.2,着重研究燃烧区峰值温度、主要化学组分的分布规律和氢气的转化效率。讨论了混合气体流速、当量比等参数对甲烷转化特性的影响。数值模拟结果与文献[4]的实验结果基本吻合。

回热式多孔介质发动机的多维数值模拟

回热式发动机利用多孔介质回热器在气缸中的往复运动,实现气固之间的热交换,促进均匀混合气的形成,从而实现均质和稳定的燃烧.本文利用改进的KIVA-3V程序对Ferrenberg所提出的回热式发动机模型进行了二维数值模拟.发动机以甲烷为燃料,采用了详细的反应机理。通过数值计算讨论了两个主要的工况参数,孔隙率和燃料喷射量对发动机燃烧温度的影响。计算模拟表明,多孔介质的孔隙率越大,甲烷的喷射量越多,气缸内的高温区域也最大.

亚网格湍动能及湍流弥散效应对燃油喷雾特性的影响

采用大涡模拟方法和不同的雾化模型对定容弹中燃油喷射和雾化过程进行数值分析.着重探讨亚网格尺度湍动能,特别是燃油喷雾所诱导的亚网格湍能源项对液滴运动和喷雾特性的影响,并进一步探讨了亚网格气相湍动能对液滴弥散速度乃至喷雾场的影响.通过对不同的工况条件的模拟计算对喷雾的影响因素进行了讨论并与相关的实验进行了比较.计算结果表明,KH-RT破碎模型要优于MTAB模型,湍流弥散效应和亚网格湍动能喷雾源项对燃油喷雾有着重要的影响,其作用均是减少喷雾贯穿距,使模拟结果更接近于实验.其中,湍流弥散效应的影响更为显著.

燃烧模型对多孔介质内预混燃烧的影响

采用二维非稳态数学模型研究燃烧模型多孔介质内预混燃烧影响.燃烧模型分别为单步和多步化学反应动力机理（17种组分,58个反应）,CH4/空气当量比的范围为0.55～1.0.对比分析两种燃烧模型下燃烧器中心处的温度、组分浓度分布曲线.结果表明,多步燃烧模型对燃烧器内温度、组分浓度分布有更准确的预测,并与文献结果比较,证实了二维非稳态数学模型的正确性.此外,将二维的温度场进行比较,结果表明单步化学机理的反应区域小,温度梯度大,而多步化学反应由于各反应步骤存在时间尺度的差异,反应区域大,温度梯度相对较小,与实际燃烧情况能很好的吻合.

低氧气氛下煤粉氧化特性实验研究

利用热分析方法,在低氧气氛下进行了高挥发分煤粉的慢速氧化特性实验.借助动力学理论,计算出低温阶段的动力学三因子,结果表明,霍林河褐煤的活化能和指前因子随着反应过程的深入而增加,3种烟煤的活化能和指前因子随着反应过程的深入而减小.实验结果表明,小粒径、低升温速率和高氧气体积分数下煤粉易发生氧化自燃.与φ(O2)=14%相比较,φ(O2)=16%的条件下氧化特性温度的降低值均不超过9℃,如果制粉系统中氧气的体积分数低于16%,可以达到高挥发分煤粉的防爆效果.