預(yù)混氣體在不同多孔介質(zhì)材料下燃燒的數(shù)值模擬

摘 要：為研究預(yù)混氣體在不同多孔介質(zhì)材料下的燃燒特性，采有計(jì)算流體力學(xué)的方法，對(duì)甲烷/空氣的預(yù)混氣體，在物性參數(shù)不同的固體小球堆積床內(nèi)氣體燃燒進(jìn)行模擬研究。給出當(dāng)量比和入口速度等參數(shù)對(duì)燃燒特性的影響。結(jié)果表明，堆積小球的多孔介質(zhì)中火焰面?zhèn)鞑ニ俣葦?shù)量級(jí)在10-4m/s。在不同的物性參數(shù)下，依舊存在，移動(dòng)速度與當(dāng)量比成反比，與進(jìn)氣口速度成正比。不同物性參數(shù)下，火焰面移動(dòng)速度差別明顯。

關(guān)鍵詞：多孔介質(zhì)；過(guò)濾燃燒；火焰特性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.22.003

0 引言

過(guò)濾燃燒是自然界以及工程中廣泛存在的一種燃燒現(xiàn)象，因其具有燃燒效率高，污染物排放低等一系列的優(yōu)點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1]。

最近幾年，北方霧霾現(xiàn)象愈發(fā)的嚴(yán)重，已經(jīng)嚴(yán)重影響人們的正常生產(chǎn)生活。迫切要求加大氣體燃料的應(yīng)用推廣。而國(guó)內(nèi)外學(xué)者專(zhuān)家對(duì)其中的過(guò)濾燃燒的研究涉及到預(yù)混燃燒能量的累積效應(yīng)，火焰穩(wěn)定性理論、火焰瞬時(shí)特性等多個(gè)方面[2]。國(guó)內(nèi)一般只是將多孔介質(zhì)為一種連續(xù)介質(zhì)，只對(duì)熱物性參數(shù)和流動(dòng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，無(wú)法反應(yīng)多孔介質(zhì)的形狀特性，不考慮固相介質(zhì)參數(shù)的變化。

本文建立二維堆積小球多孔介質(zhì)氣固兩相模型。對(duì)相同尺寸下的填充床尺寸、小球直徑，以及相同的小球分布，選用氧化鋁（Al2O3）、碳化硅（SiC）、氧化鋯（ZrO2）三種材料的物性參數(shù)，對(duì)甲烷/空氣預(yù)混氣體在三種物性參數(shù)下燃燒進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過(guò)與實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了模型的有效性。

1 多孔介質(zhì)燃燒模型

為方便研究氣、固相各自溫度場(chǎng)的分布規(guī)律，及多孔介質(zhì)形狀對(duì)燃燒傳播速度的影響，本文直接建立多孔介質(zhì)固體區(qū)模型。燃燒器直徑為90mm，長(zhǎng)度選為440mm。小球填充床的孔隙率為0.41。選取燃燒器的二維平面，對(duì)其進(jìn)行截面切割。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

預(yù)混氣體在多孔介質(zhì)堆積床內(nèi)燃燒的過(guò)程，溫度特性是極其重要的參數(shù)。Zhdanok[3] 等實(shí)驗(yàn)研究，當(dāng)采用當(dāng)量比0.27、進(jìn)口氣體速度為0.43時(shí)，得到甲烷/空氣在5.6mm的氧化鋁堆積床內(nèi)火焰面移動(dòng)速度為0.2mm/s. 為驗(yàn)證模型的合理性，取入口速度0.43，當(dāng)量比為0.25得到甲烷空氣在6mm的氧化鋁堆積床內(nèi)火焰面?zhèn)鞑ニ俣葹?.1986mm/s?；鹧婷鎸挾饶苓_(dá)到50mm左右，這與Zhdanok[3] 等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象較為相符。在整個(gè)燃燒過(guò)程中，火焰面區(qū)域的最高溫度沒(méi)有幅度較大的變化出現(xiàn)，高溫區(qū)呈現(xiàn)向下游移動(dòng)的趨勢(shì)，這與文獻(xiàn)[4]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合。在初期火焰面寬度比較窄，火焰面上游比較平滑，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，該平面逐漸彎曲，呈現(xiàn)出二維拋物面形狀。這主要是在忽略邊壁熱損失的條件下，邊壁粘性阻力的存在是該處氣流速度較低，相應(yīng)的中間位置氣流速度較高，燃料供應(yīng)量多的化學(xué)反應(yīng)快，區(qū)域溫升快。

選取其中氧化鋁小球堆積床模型模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[3]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果做比較。比較結(jié)果如圖1所示，當(dāng)當(dāng)量比和入口速度取值相近時(shí)，模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果能夠很好的吻合。模擬結(jié)果能夠基本準(zhǔn)確得預(yù)測(cè)預(yù)混氣體在氧化鋁堆積床內(nèi)燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣戎?，以及速度變化趨?shì)。本次建立模型能有效的反映出小球堆積床內(nèi)火焰面移動(dòng)速度特性。

圖2所示，是在不同物性參數(shù)材料下，不同的入口速度和當(dāng)量比下火焰?zhèn)鞑ニ俣葓D像。即便是在不同的材料下，火焰面速度隨著當(dāng)量比的增加，又降低的趨勢(shì)，這主要是因?yàn)?，?dāng)量比的增大，相當(dāng)于混合氣體中燃料量的增大，使得在多孔介質(zhì)材料內(nèi)，燃燒的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的更加充分，過(guò)濾燃燒更加穩(wěn)定，在一定程度上，減緩了火焰面的傳播速度。

三種物性參數(shù)下的多孔介質(zhì)材料，火焰面在氧化鋯材料下傳播速度是對(duì)快的，在碳化硅材料下傳播速度是最慢的，這兩者之間的差值最大能達(dá)到0.1754mm/s，而氧化鋁材料下速度介于兩者之間。這主要是由于氧化鋯材料導(dǎo)熱系數(shù)與氣體導(dǎo)熱系數(shù)之間差值在三者之間是最小，火焰面?zhèn)鞑プ枇ψ钚　?/p>

3 結(jié)論

論文利用FLUNENT軟件，對(duì)長(zhǎng)為440mm，直徑為90mm不同物性參數(shù)的堆積床，進(jìn)行甲烷/空氣的預(yù)混合燃燒數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論：

（1）火焰在堆積床內(nèi)燃燒具有明顯的過(guò)濾燃燒特性，火焰燃燒波波面呈現(xiàn)明顯的二維拋物線(xiàn)形狀?；鹧?zhèn)鞑ニ俣鹊臄?shù)量級(jí)維持在10-4m/s；

（2）火焰的傳播特性受到多孔介質(zhì)物性參數(shù)的影響較大，在氧化鋁材料下火焰?zhèn)鞑プ罘€(wěn)定，導(dǎo)熱系數(shù)小氧化鋯材料下火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁?，輻射率大的碳化硅材料下火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中最高溫度變化幅度最大；

（3）在不同的物性參數(shù)下，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c入口速度呈正比，與當(dāng)量比呈反比。

參考文獻(xiàn)：

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[2]MUJEFBU M A， ABDULLAH M Z， ABUBAKAD A A， et al. Combustion in porous media and its applications-a comprehensive survey[J].Journal of Environmental Management，2009，90（3）：2287-2312.

[3]Zhdanok S A，Kennedy L A，Koester G，Superadiabatic combustion of methane air mixtures under filtration in a packed bed [J].Combustion and Flame，1995，100（1/2）：221-231.

[4]史俊瑞，謝茂昭，劉吉堂等.稀預(yù)混氣體低速過(guò)濾燃燒的實(shí)驗(yàn)研究[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，34（02）：69-72.