泡沫陶瓷材料及其微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對多孔介質(zhì)燃燒特性的影響

談晚平，陳元元，張敬奎，李本文

(1.武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081；2. 青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島，266033)

泡沫陶瓷材料及其微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對多孔介質(zhì)燃燒特性的影響

談晚平1，陳元元1，張敬奎2，李本文1

(1.武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081；2. 青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島，266033)

基于Kelvin模型，建立了泡沫陶瓷多孔介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)(孔筋長度、孔筋半徑、微立方體節(jié)點(diǎn)邊長)與其孔隙率、導(dǎo)熱系數(shù)等宏觀特性參數(shù)的關(guān)系式；利用FLUENT軟件，就材質(zhì)種類及其微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對雙層多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)甲烷/空氣預(yù)混燃燒性能的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，在入口速度為60 cm/s、當(dāng)量比為0.6的條件下，燃燒區(qū)材質(zhì)為SiC時，氣、固相溫度最高，穩(wěn)定操作范圍以SiC、ZrO2、Al2O3的順序依次降低；無量綱參數(shù)d(微立方體節(jié)點(diǎn)邊長與孔筋長度之比)的增加會降低氣、固相溫度且會改變火焰面駐定的位置，而e(孔筋半徑與孔筋長度之比)的改變對氣、固相溫度分布影響不大。因此，在實(shí)際燃燒器多孔材料選型中，應(yīng)優(yōu)先考慮微觀結(jié)構(gòu)中微立方體節(jié)點(diǎn)邊長和孔筋長度的合理選擇。

多孔介質(zhì)；泡沫陶瓷；微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)；燃燒特性；導(dǎo)熱系數(shù)；數(shù)值模擬

多孔介質(zhì)預(yù)混燃燒是一種新型潔凈的燃燒技術(shù)，具有燃燒效率高、污染物排放低和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，其中固體基質(zhì)的材料類型、孔隙率、當(dāng)量孔徑及導(dǎo)熱系數(shù)等宏觀特性參數(shù)均會對多孔介質(zhì)燃燒器的燃燒性能產(chǎn)生重要影響。為此，國內(nèi)外研究者就介質(zhì)材質(zhì)對雙層多孔介質(zhì)燃燒器中溫度分布、污染物排放及穩(wěn)定燃燒范圍等方面的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬分析。多孔介質(zhì)已選擇的材料有Al2O3[3]、PSZ[4-6]，Gao等[7]則選擇在上游布置直徑為3 mm的Al2O3小球，重點(diǎn)研究了下游材質(zhì)包括Al2O3、ZrO2、SiC泡沫陶瓷材料和FeCrAl金屬材料對燃燒器中污染物排放特性及壓降的影響。

另一方面，材料的物性參數(shù)與其微觀結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，為準(zhǔn)確地預(yù)測材料特性對多孔介質(zhì)內(nèi)燃燒過程的影響，有必要建立起多孔介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與其宏觀特性參數(shù)的正確關(guān)聯(lián)。基于此，本文選取模板法生產(chǎn)的泡沫陶瓷材料包括Al2O3、ZrO2和SiC，作為所采用的雙層多孔介質(zhì)燃燒器的上下游材料，基于Kelvin模型[8]，采用多孔介質(zhì)孔隙率和有效導(dǎo)熱系數(shù)與微立方體節(jié)點(diǎn)邊長、孔筋長度和孔筋半徑的關(guān)系式，并利用FLUENT軟件，建立了雙層多孔介質(zhì)燃燒器的二維瞬態(tài)模型，對甲烷/空氣預(yù)混燃燒進(jìn)行了數(shù)值模擬，考察了材質(zhì)及其微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對預(yù)混氣體在雙層多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)燃燒特性的影響，以期為燃燒器中多孔介質(zhì)的選材及優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 數(shù)學(xué)物理模型

1.1 物理模型及假設(shè)

圖1所示為雙層多孔介質(zhì)燃燒器的物理模型。由圖1可見，該燃燒器為總長60.5 mm、直徑70 mm的圓柱體，其中上游小孔區(qū)長度為35 mm，下游大孔區(qū)長度為25.5 mm。

圖1 雙層多孔介質(zhì)燃燒器模型示意圖

數(shù)值模擬采用二維軸對稱模型，采用的假設(shè)與文獻(xiàn)[9-11]相同，即：①計算區(qū)域內(nèi)，氣體流動、火焰結(jié)構(gòu)及熱傳遞為二維，圓柱界面周向各個物理量梯度均為零，且假定燃燒為層流反應(yīng)；②燃燒室壁面為無滑移絕熱壁面，且內(nèi)壁面為輻射灰體；③預(yù)混氣體和煙氣均為不可壓縮理想氣體，忽略氣體輻射；④多孔介質(zhì)視為體積平均介質(zhì)，均勻分散在氣體中，各向同性。

1.2 控制方程及邊界條件

(1)

式中：ε為多孔介質(zhì)孔隙率；ρg為混合氣體的平均密度；u為氣相速度矢量。

動量守恒方程：

(2)

式中：p為壓力;τ為黏性應(yīng)力張量；Si為多孔介質(zhì)阻力項[12]。

組分守恒方程：

(3)

其次，健身休閑產(chǎn)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的前提是壯大供給主體。健身休閑產(chǎn)品的供給應(yīng)根據(jù)市場需求的變化而變化，作為兩大主要供給主體，相關(guān)企業(yè)和政府的作用至關(guān)重要，還有一些體育社會組織也不可忽視。健身休閑產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展應(yīng)以“企業(yè)為主導(dǎo)，政府支持，全社會參與”為供給主體格局。廣西健身休閑產(chǎn)業(yè)處在發(fā)展初期，政府應(yīng)加大對供給企業(yè)的資金、政策扶持力度，在審批、稅收、土地、監(jiān)管政策上給與支持和優(yōu)惠，培育出一批實(shí)力雄厚、經(jīng)營狀況良好、敢于創(chuàng)新的休閑健身企業(yè)。同時鼓勵社會組織承辦或舉辦一些具有影響力的健身休閑活動或賽事，營造良好的全民健身氛圍。

氣相能量方程：

(4)

固相能量方程：

(5)

理想氣體狀態(tài)方程：

(6)

1.3 多孔介質(zhì)的特性參數(shù)

基于Kelvin模型，模板法生產(chǎn)的泡沫陶瓷材料的單胞結(jié)構(gòu)可簡化為由6個四邊形和8個六邊形組成的十四面體，如圖2所示。

圖2 泡沫陶瓷材料單胞結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)文獻(xiàn)[15]可知，泡沫材料的孔隙率和導(dǎo)熱系數(shù)與兩個微觀結(jié)構(gòu)無量綱參數(shù)d和e緊密相關(guān)，其中d為微立方體節(jié)點(diǎn)邊長與孔筋長度的比值，e為孔筋半徑與孔筋長度的比值。多孔介質(zhì)孔隙率和導(dǎo)熱系數(shù)分別由式(7)和式(8)計算得到：

(7)

(8)

1.4 數(shù)值計算方法

本研究采用FLUENT軟件對控制方程進(jìn)行離散求解，通過加載自定義函數(shù)(UDF)增加了氣、固相方程、多孔介質(zhì)物性參數(shù)以及邊界條件的修正；動量方程的求解使用壓力-速度耦合的SIMPLE算法，為保證收斂，采用了亞松弛迭代；初始網(wǎng)格在多孔介質(zhì)交界面附近和壁面處均進(jìn)行了加密，化學(xué)反應(yīng)則選擇一步總包反應(yīng)機(jī)理。

2 結(jié)果與分析

2.1 有效性驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值解法的有效性，將本文中雙層多孔介質(zhì)燃燒器的材料參數(shù)與文獻(xiàn)[4]保持一致，具體數(shù)值見表1。入口速度為60 cm/s、當(dāng)量比為0.65時，氣、固相溫度分布曲線如圖3所示，作為比較，在圖中同時給出文獻(xiàn)[4]與文獻(xiàn)[6]的模擬結(jié)果。從圖3可以看出，本文氣體溫度的計算結(jié)果偏高而固體溫度偏低，但整體趨勢吻合較好。出現(xiàn)偏差可能與所選擇甲烷燃燒的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理有關(guān)。文獻(xiàn)[4]選擇的是GRI1.2反應(yīng)機(jī)理，文獻(xiàn)[6]選擇的是GRI2.11反應(yīng)機(jī)理，而本文選擇的是一步總包反應(yīng)機(jī)理，即有明顯的超絕熱火焰溫度存在，這與趙平輝等[16]給出的結(jié)果一致。由此可見，本文計算結(jié)果合理，模型有效性得到驗(yàn)證。

表1 多孔介質(zhì)的物性參數(shù)

圖3 氣、固相溫度分布曲線比較

2.2 材質(zhì)對氣、固相溫度分布的影響

圖4為入口速度為60 cm/s、當(dāng)量比為0.60時3種材質(zhì)燃燒器的氣、固相溫度分布，所用材料的物性參數(shù)如表2所示。由圖4可見，燃燒區(qū)材質(zhì)為SiC時，氣體和固體溫度最高，且高出其他兩種材料50 K左右；三種材料的火焰面以SiC、ZrO2、Al2O3的順序依次向下游移動。結(jié)合表2可知，這可能是由于SiC具有最高的導(dǎo)熱系數(shù)，而導(dǎo)熱系數(shù)的增加會增強(qiáng)反應(yīng)區(qū)大孔介質(zhì)向小孔介質(zhì)的傳熱，進(jìn)而增進(jìn)了對預(yù)混氣體的預(yù)熱效果，使得反應(yīng)區(qū)的氣、固相溫度均有所升高；而火焰面穩(wěn)定位置不同仍是由三種材料的導(dǎo)熱系數(shù)不同所致。另一方面，文獻(xiàn)[4-5]指出，隨著下游介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的增加，維持穩(wěn)定燃燒的最大入口速度極限會增加。

圖4 材質(zhì)對氣、固相溫度分布的影響

表2 3種材料的物性參數(shù)

圖5為三種材料在當(dāng)量比為0.6時的穩(wěn)定操作范圍，即火焰穩(wěn)定在多孔介質(zhì)交界面處的最大入口速度極限與最小入口速度極限之差。由圖5可以看出，穩(wěn)定操作范圍以SiC、ZrO2、Al2O3的順序依次降低，且最小入口速度極限保持不變，這表明最小入口速度極限主要由上游介質(zhì)決定，而最大入口速度極限則由下游介質(zhì)決定。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣、固相溫度分布的影響

將下游多孔介質(zhì)材質(zhì)選擇為SiC，考察了下游區(qū)域微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣、固相溫度分布的影響，基于Kelvin模型，設(shè)計了5組算例，各算例的參數(shù)如表3所示。

圖5 三種材料的穩(wěn)定操作范圍

圖6為入口速度為60 cm/s、當(dāng)量比為0.60時，無量綱參數(shù)d對氣、固相溫度分布的影響。由圖6可以看出，算例3和算例4的火焰面均位于多孔介質(zhì)交界面處，且前者的氣體和固體溫度更高。一般情況下，預(yù)混氣體在多孔介質(zhì)中的燃燒傳熱過程是導(dǎo)熱、對流和輻射三種傳熱方式的強(qiáng)烈耦合，本文對固體輻射項采取了Rosseland假設(shè)，所得多孔介質(zhì)的有效導(dǎo)熱系數(shù)見圖7。由于算例3具有最大的有效導(dǎo)熱系數(shù)，使得其傳熱增強(qiáng)，氣體和固體的溫度均相對較高。

表3 算例的參數(shù)

圖6 d對氣、固相溫度分布的影響

圖7 SiC陶瓷材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)

對比算例4和算例5可知，其氣體最高溫度大致相同，而后者固體溫度低了200 K左右，且算例5的火焰面位于距離交界面8 mm的下游區(qū)域。這可能是因?yàn)閮山M算例中，多孔介質(zhì)有效導(dǎo)熱系數(shù)差別不大，預(yù)混氣體得到了相同程度的預(yù)熱，因此氣體最高溫度基本一致，但由于后者孔隙率較低，預(yù)混氣體在多孔介質(zhì)中的速度增加，使得火焰面往下游移動，由于其火焰面后方的氣、固相溫度相對偏低，因此導(dǎo)致了較低的固體溫度。算例5的氣、固相溫度分布曲線梯度更大則是由于其對流傳熱的增強(qiáng)，即隨著孔隙率的降低，氣體流動速度增加，且當(dāng)量孔徑增大，因此氣、固相間的對流換熱系數(shù)也隨之增加。

圖8為入口速度為60 cm/s、當(dāng)量比為0.60時，無量綱參數(shù)e對氣、固相溫度分布的影響。由圖8可見，隨著e的增加，氣體和固體的溫度均有所升高，但變化不大。原因可能是多孔介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)和輻射衰減系數(shù)均隨著e的增大而減小，輻射增強(qiáng)且導(dǎo)熱減弱，但有效導(dǎo)熱系數(shù)略有升高，因此氣體和固體溫度升高不明顯。

(a)氣相

(b)固相

3 結(jié)論

(1)相比于Al2O3和ZrO2，燃燒區(qū)材質(zhì)為SiC時，氣體和固體溫度最高，高出其他兩種材料50 K左右；當(dāng)量比為0.60時，三種材料的穩(wěn)定燃燒范圍以SiC、ZrO2、Al2O3的順序依次降低。

(2)微觀結(jié)構(gòu)無量綱參數(shù)d的增加會降低多孔介質(zhì)內(nèi)的氣、固相溫度，且會改變火焰面駐定的位置，而e的改變對氣、固相溫度分布影響不大。因此，在實(shí)際的材料選型中需優(yōu)先考慮微立方體節(jié)點(diǎn)邊長和孔筋長度。

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[責(zé)任編輯 董 貞]

Effect of ceramic foam material and its microstructure parameters on combustion characteristics of porous media

TanWanping1,ChenYuanyuan1,ZhangJingkui2,LiBenwen1

(1.Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China；2. School of Environment and Municipal Engineering, Qingdao University of Technology, Qingdao 266033, China)

Based on the Kelvin model, the mathematical relation between microstructure parameters of ceramic foam (including strut length, strut radius and cubic node length) and its macroscopic characteristics, i.e. thermal conductivity and porosity, has been established. The effects of the ceramic type and its microstructure parameters on the methane/air premixed combustion behaviors in a two-layer porous burner were studied numerically by software FLUENT. The results indicate that when the gas flow rate is 60 cm/s and the stoichiometric ratio of methane/air mixture is 0.6, SiC foam burner exhibits the highest gas and solid phase temperatures, and the stable operating range decreases in the sequence of SiC, ZrO2and Al2O3. Besides, the increase of microstructure dimensionless parameterd(the ratio of cubic node length to strut length) will result in the reduction of gas and solid temperatures and also the change of flame anchoring location, whereas the variation ofe(the ratio of strut radius to strut length) has slight effect on the temperature distributions of gas and solid phases. Hence, the microstructure parameters, i.e. cubic length and struct length, should be considered in priority for the actual selection of porous burner material.

porous media; ceramic foam; microstructure parameter; combustion characteristic; thermal conductivity; numerical simulation

2016-09-23

國家自然科學(xué)基金資助項目(11402180).

談晚平(1991-)，女，武漢科技大學(xué)碩士生.E-mail: tanwpwust@163.com

李本文(1965-)，男，武漢科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.E-mail: heatli@dlut.edu.cn

10.3969/j.issn.1674-3644.2017.01.007

TF051

A

1674-3644(2017)01-0032-06