【文章內(nèi)容簡介】 維體積平均模型方程組:連續(xù)方程 ()動量方程 ()組分守恒方程 （）氣相能量方程 （）固相能量方程 （）其中，為氣固交界面上的面積平均努塞爾數(shù)。體積平均模型需要孔隙尺度遠(yuǎn)小于系統(tǒng)唯象的特征尺度,而孔內(nèi)參數(shù)的變化也要遠(yuǎn)低于同名參數(shù)在燃燒場中的特征變化,因此,從模型推導(dǎo)的角度來講,體積平均模型并不適用于描述有效孔徑和孔隙率很大的多孔介質(zhì)內(nèi)燃燒。 化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)燃料在多孔介質(zhì)內(nèi)燃燒,勢必會發(fā)生化學(xué)反應(yīng),因此有必要對化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)進(jìn)行研究?；瘜W(xué)反應(yīng)動力學(xué)主要是對化學(xué)反應(yīng)速率和反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行研究,化學(xué)反應(yīng)的一般表達(dá)式形式如下： （）其中：N——參加反應(yīng)組分的數(shù)目； ——反應(yīng)r中反應(yīng)物i的化學(xué)計量數(shù)； ——反應(yīng)r中生成物i的化學(xué)計量數(shù)。反應(yīng)中物質(zhì)i產(chǎn)生/分解摩爾速度為： （）其中:——反應(yīng)r中每種反應(yīng)物或生成物j的摩爾濃度； ——反應(yīng)r中每種反應(yīng)物或生成物j的正向反應(yīng)速率指數(shù)； ——反應(yīng)r中每種反應(yīng)物或生成物j的逆向反應(yīng)速率指數(shù)。式中，表示第三體對反應(yīng)速率的凈影響，給出公式為 （）其中為第r個反應(yīng)中第j種物質(zhì)的第三體影響，本文所用到的甲烷兩步簡化機(jī)理不涉及到第三體反應(yīng)。反應(yīng)的前向速率常數(shù)由Arrhenius公式確定： （）為逆向反應(yīng)常數(shù)，當(dāng)反應(yīng)可逆時，可根據(jù)下式計算： （）為平衡常數(shù)，其計算式為 （）式中表示表中大氣壓。指數(shù)函數(shù)中的項表示吉布斯自由能的變化，各部分的計算方法為： （） ()本文模擬甲烷/空氣在多孔介質(zhì)中的預(yù)混合燃燒，采用兩步簡化化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。 （） 輻射模型輻射是物體通過電磁波傳遞能量的現(xiàn)象,由于熱的原因而發(fā)出輻射能即為熱輻射,物體不斷地向空間發(fā)出熱輻射,同時不斷吸收其他物體發(fā)出的熱輻射,輻射傳熱其實就是物體相互輻射和吸收綜合結(jié)果。對于多孔介質(zhì)而言由于多孔介質(zhì)固相具有很高的比表面積,對氣體輻射換熱影響強(qiáng)烈,因此輻射換熱在研究多孔介質(zhì)燃燒時不容忽略。多孔介質(zhì)繁雜的孔隙結(jié)構(gòu)增加了建立多孔介質(zhì)內(nèi)部輻射模型的難度,為了簡化模型,在多孔介質(zhì)預(yù)混燃燒研究早期通常將其不做考慮。但隨著多孔介質(zhì)輻射特性研究的深入,其在傳熱過程中的重要作用引起了廣大研究學(xué)者的重視,輻射換熱被逐漸引入到多孔介質(zhì)預(yù)混燃燒模型中。目前常用計算輻射模型主要有五種:離散傳播輻射(DTRM)模型、P1輻射模型、Rosseland輻射模型、表面輻射(S2S)模型和離散坐標(biāo)輻射(DO)模型。這五種輻射模型各有優(yōu)缺點(diǎn),可根據(jù)不同的工況選擇不同的輻射模型。其中DTRM輻射模型假設(shè)所有表面都是漫射表面,即所有入射的輻射射線沒有固定的反射角,而是均勻地反射到各個方向,可以適用于任何光學(xué)厚度,其局限在于在計算中沒有考慮輻射效應(yīng)。P1模型的輻射換熱方程是一個相對較小的擴(kuò)散方程,在光學(xué)厚度很大的計算問題中,計算效果都比較好,但在計算輻射射流時容易出現(xiàn)偏高的現(xiàn)象。Rosseland模型不計算額外的輸運(yùn)方程,僅能用于光學(xué)厚度大于3的問題。表面輻射(S2S)模型只是用于計算沒有參與性介質(zhì)的封閉空間內(nèi)的輻射換熱。DO模型是從有限個立體角發(fā)出的傳播方程出發(fā)進(jìn)行求解,每個立體角對應(yīng)著坐標(biāo)系下的固定的方向角,該模型把方程轉(zhuǎn)化為空間坐標(biāo)系下的輻射強(qiáng)度輸運(yùn)方程,DO模型計算范圍涵蓋了從表面輻射、半透明介質(zhì)輻射到燃燒問題參與性介質(zhì)輻射在內(nèi)的各種輻射問題。雖然DO輻射模型與其他模型相比雖然計算量很大,但計算結(jié)果精確,更適合多孔介質(zhì)內(nèi)輻射傳熱計算,本文采用DO輻射模型進(jìn)行求解,下面就D輻射模型加以詳細(xì)介紹,首先引入輻射學(xué)中的幾個概念:（1) 普朗克定律：普朗克定律定義了光譜輻射力隨波長的變化,公式描述為: （）(2) 斯戎藩波爾茲曼定律單位時間內(nèi)單位表面積向其上的半球空間內(nèi)所有方向輻射出去的全部波長范圍內(nèi)的能量稱為輻射力(）。斯戎藩波爾茲曼定律規(guī)定了黑體的輻射力與熱力學(xué)溫度的關(guān)系: （）（3） 立體角 立體角及定向輻射強(qiáng)度的定義與平面幾何中用平面角表示某一方向的空間大小類似,用立體角表示三維空間某一方向所占大小,定義為 微元立體角 （）,微元面積可以用韓度微元角和經(jīng)度微元角表示,即 （）得出空間角即立體角為: （）(4)定向輻射強(qiáng)度設(shè)面積為辦的黑體微元面積向圍繞空間緯度角方向的微元立體角內(nèi)輻射出去的能量為,由實驗知: ()得到定向輻射強(qiáng)度： () 輻射傳熱過程圖。在任意空間內(nèi),某介質(zhì)在位置、沿的輻射方程為: ()其中為位置向量； 為方向向量； 為散射方向；s為沿程長度；DO輻射模型把沿方向傳播的輻射方程視為一個場方程。則上式方程化為 () 得： ()結(jié)合斯戎藩波爾茲曼方程得到光譜輻射強(qiáng)度的傳播方程為: ()假定散射系數(shù)、散射相位函數(shù)以及折射系數(shù)為與波長無關(guān)。將方程()在所有波長范圍內(nèi)對波長進(jìn)行枳分,得到關(guān)于的輸運(yùn)方程。DO輻射模型將方程()轉(zhuǎn)化為輻射強(qiáng)度的輸運(yùn)方程,有多少個立體角方向就求解多少方程。方程的求解使用有限容積法的守恒差分格式,與流體流動方程的求解方法相同。DO輻射模型把整個輻射光譜分成N個波帶,且這些波帶不一定是連續(xù)的或是等間距的。輻射熱量包含在每個波帶AA內(nèi),在每個波帶內(nèi)認(rèn)為是輻射黑體,其單位立體角的黑體輻射力為: ()指在折射率為n的介質(zhì)中，在溫度T，0~波長范圍內(nèi)的黑體的輻射力，為波帶的邊界。在方向，位置處的總輻射強(qiáng)度為： (） 湍流模型湍流流動是工程技術(shù)領(lǐng)域與自然界中常見的流動現(xiàn)象,流體作湍流流動時的對流換熱也是工程傳熱過程中最常見的一種熱交換方式。對于多孔介質(zhì)內(nèi)的湍流流動,Dybbs及Edwards[43]等人通過對大量實驗研究結(jié)果的分析,提出了以基于孔徑的雷諾數(shù)為依據(jù)判斷湍流流動狀態(tài)的方法,。顯而易見在毫米級別的孔徑中,當(dāng)流體以小于1m/s的速度流動時,必然出現(xiàn)湍流流動。趙平輝[44]等人對多孔介質(zhì)內(nèi)燃燒的層流與湍流模型進(jìn)行了對比研究。結(jié)果表明:在對于流速較大的情況,湍流模型對多燃燒器中溫度分布,CO分布及NO的排放量都比層流模型預(yù)測結(jié)果好。因此湍流在孔介質(zhì)內(nèi)燃燒的傳熱傳質(zhì)過程中起 湍流判據(jù)到重要作用,在研究多孔介質(zhì)燃燒時,有必要考慮湍流效應(yīng)。用于模擬湍流流動的數(shù)值模擬方法可以分為兩大類:直接數(shù)值模擬(DNS)方法和非直接數(shù)值模擬方法。直接模擬需要分辨所有空間尺度上渦的結(jié)構(gòu)及其在所有時間尺度上的變化。因此對時間步長及網(wǎng)格數(shù)量的要求非常茍刻,限于目前現(xiàn)有的計算條件,工程上只應(yīng)用于某些低雷諾數(shù)情況下。非直接數(shù)值模擬常用的方法有兩種,大渦模擬方法(LES)和雷諾平均方法(RNAS)。其中,大渦模擬可以應(yīng)用于某些需要知道湍流動態(tài)特性的工程問題中,而雷諾平均方法通過對NS方程組時間平均,將脈動量在時均方程中體現(xiàn)出來,是工程中最常用的方法。本文使用基于雷諾平均方法的標(biāo)準(zhǔn)Ae雙方程瑞流模型對多孔介質(zhì)內(nèi)的湍流的流動進(jìn)行求解。一般認(rèn)為,非穩(wěn)態(tài)的質(zhì)量連續(xù)方程和NavierStokes方程適用于任何復(fù)雜情況下湍流的瞬時運(yùn)動。在笛卡爾坐標(biāo)系中,考慮不可壓流動瑞流瞬時控制方程為: （） （） （） （）其中u,v,w分別為速度矢量在x,y,z方向上的分量，v為運(yùn)動粘度。雷諾平均方法中,對任一變量的時間平均值定義為: （）對任意瞬時物理量可以進(jìn)行時均值及脈動值的分解: （）用此方法對質(zhì)量連續(xù)方程和NS方程(動量方程)進(jìn)行時間平均,可得雷諾平均NS方程,即: （） = （） （）其中定義為雷諾盈利或湍流應(yīng)力，為Kronecker函數(shù)，i=j時，=1，時，=0。標(biāo)準(zhǔn)方程是在工程中應(yīng)用最廣泛的雙方程模型。這里為單位質(zhì)量流體湍流脈動動能,其方程的形式為: （）為耗散率，即小尺度渦的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能速率,其方程的最終形式為: （）其中為分子擴(kuò)散造成的動力粘性,為湍流粘性系數(shù)， 令，有K方程： （）方程： （）: 模型中的系數(shù) 本章小結(jié)本章對多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)宏觀數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了說明,并對多孔介質(zhì)直接模擬方法的數(shù)學(xué)模型,輻射換熱模型及湍流流動模型等進(jìn)行了詳細(xì)的介紹,這些模型及其涉及的方程,是下文進(jìn)行多孔介質(zhì)內(nèi)預(yù)混合燃燒數(shù)值模擬計算的基礎(chǔ)。3 實驗裝置設(shè)計和實驗步驟為了深入理解多孔介質(zhì)預(yù)混燃燒的機(jī)理和多孔介質(zhì)小球傳熱特性等，在自行設(shè)計組裝的實驗臺上，對小球堆積型多孔介質(zhì)預(yù)混燃燒進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。本章介紹了實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、實驗測量裝置和實驗方法；研究甲烷／空氣稀薄混合氣在多孔介質(zhì)燃燒器中的燃燒特性以及傳播特性等。整個實驗裝置如圖3．1所示，為單向流動多孔介質(zhì)燃燒器的簡化版，包括供氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和燃燒器。供氣系統(tǒng)包括燃料供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)和混合室。空氣首先由壓縮機(jī)增壓后進(jìn)入到穩(wěn)壓罐，然后進(jìn)入空氣凈化器，在凈化器中除去空氣中的油和水分后，通過控制閥流入到空氣流量計。燃?xì)夤┙o系統(tǒng)類似于空氣供給系統(tǒng)，通過流量計后與空氣在預(yù)混室內(nèi)混合均勻后進(jìn)入燃燒器內(nèi)。 實驗裝置示意圖 燃燒系統(tǒng) 燃燒系統(tǒng)安裝在用方鋼支起的鋼板平臺上。支放實驗件的鋼板支架用螺栓固定在鋼板支架上。燃燒系統(tǒng)由進(jìn)氣混合室、控制流向的管路和閥門、換熱器和燃燒器組成。空氣和燃?xì)獾幕旌蠚怏w在進(jìn)入燃燒室之前，先進(jìn)入混合室中，混合室中裝有固體顆粒以增強(qiáng)對氣流的擾動，使得空氣和燃?xì)獬浞只旌暇鶆?。換熱器用來保證入口氣體的冷卻，同時起到防止回火的作用。另外，在混合室裝有緊急泄壓閥門，防止系統(tǒng)壓力過高或回火爆炸。燃燒器是內(nèi)徑為61mm，外徑為66mm的透明電熔石英玻璃管。在石英玻璃管外壁，包裹了80mm厚的耐高溫纖維保溫氈，以減少通過壁面的熱損失。燃燒器豎直布置，在燃燒器內(nèi)共填充了300mm長的氧化鋁小球，其中直徑為6mm的耐高溫氧化鋁小球280mm長小球都為重力作用下的自然堆積。為防止回火，燃燒器最下方布置了40ppi的氧化鋁泡沫陶瓷(長度20mm)。 所示，換熱器結(jié)構(gòu)分為水程結(jié)構(gòu)和氣體流程結(jié)構(gòu)。換熱器的水程分為上室、下室和銅列管。散熱銅片緊密地固定在銅列管上，用以增強(qiáng)換熟效果。換熱器外殼是由152mm的無縫鋼管，在軸向末端裝有法蘭盤，與燃燒器的另一端的法蘭盤配對連接。換熱器的上下室鋼板外壁間散熱薄片和換熟器外殼構(gòu)成了氣體流程結(jié)構(gòu)。預(yù)混氣體由管路進(jìn)入到換熱器中，與換熱器水程內(nèi)循環(huán)冷卻水換熱，預(yù)混合氣體被冷卻到室溫，這樣可以保證氣體進(jìn)口溫度接近室溫的邊界條件。循環(huán)冷卻水流過換熱器水程，進(jìn)入到循環(huán)冷卻系統(tǒng)。 換熱器 循環(huán)水冷卻系統(tǒng) 所示。蓄水水箱容積為50升，水泵功率為120W。水泵固定在水箱上，水泵吸入口布置在水箱底層，回水排到水箱上層。另外，在水箱底部設(shè)有排污閥，用以定期排出水箱內(nèi)的沉積物。 循環(huán)水冷卻系統(tǒng) 供氣系統(tǒng)供氣系統(tǒng)包括燃料供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)和混合室?？諝馐紫扔蓧嚎s機(jī)增壓后進(jìn)入到穩(wěn)壓罐，然后進(jìn)入到空氣凈化器中，在凈化器內(nèi)除去空氣中的油和水分后，通過控制閥流入到空氣流量計。燃?xì)夤┙o系統(tǒng)類似于空氣供給系統(tǒng)，通過流量計后與空氣在預(yù)混室內(nèi)混合均勻后進(jìn)入燃燒器內(nèi)。燃?xì)馐羌淄椋諝獾木鶆蚧旌衔铩? 流量測量系統(tǒng)燃?xì)夂涂諝饩捎貌ＡмD(zhuǎn)子流量計測量。燃?xì)饬髁坑嬓吞枮長ZJ4型，～ ，測量精度2．5?？諝饬髁坑嬓吞枮長ZJ15，測量范圍O～5 ，測量精度1．5。為了校正燃?xì)夂涂諝鉁y