【正文】 使氣流速度在近壁面處流速較低,而中間區(qū)域不受壁面粘性的影響流速較高,因此徑向溫度中心高,兩邊低,呈現(xiàn)拋物線型。同時隨著時間的推移,燃燒火焰面厚度逐漸擴寬,這主要是因為固體擁有比氣體大得多的熱容量,多孔介質(zhì)固體小球具有很強的蓄熱能力,因此化學(xué)反應(yīng)的部分熱量不斷的累積在多孔介質(zhì)中,導(dǎo)致高溫的區(qū)域擴大,但由于燃燒不斷向下游傳播,因此燃燒區(qū)最高溫度變化不明顯。 壓力分布特性 Pressure Pa t=100s t=250s t=400s t=550s 多孔介質(zhì)內(nèi)氣相壓力場分布流體流體在管內(nèi)流動由于克服摩擦力、粘性力以及克服湍流中質(zhì)點間相互碰撞并交換動量而引起了能量損失,這種能量損失表現(xiàn)為壓力損失,(即壓力降),在多孔介質(zhì)燃燒器中,壓力降不容忽視。Ergun[49]等人通過對堆積床的流動研究總結(jié)出壓力降是由氣體的粘性阻力損失引起,壓力的變化與粘性阻力損失的變化成正比。Felice[50]等人研究表明在堆積床內(nèi),容器直徑與小球直徑之比在15與40這兩個值時,燃燒器內(nèi)的壓力降變化不大。 , m/s,從t=100 s開始，時間間隔為150 s工況下的壓力變化圖,壓力單位為Pa。由圖中可以看出由于混合氣體在多孔介質(zhì)內(nèi)流動,其流道為微小孔隙,并且由于多孔介質(zhì)的比表面積非常大,因此壓力變化非常明顯,在軸向方向壓力降為1500 Pa左右,由于壁面對流動的影響較小,因此徑向方向壓力變化不大?；旌蠚怏w的流速越大,燃燒器內(nèi)的壓力變化越大,因此燃燒器內(nèi)壓力變化能夠直接體現(xiàn)流速的變化。 多孔介質(zhì)小球傳熱特性分析由于多孔介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜無序,要深入理解多孔介質(zhì)內(nèi)的預(yù)況燃燒是非常困難的。長期以來對過濾燃燒的研究,無論是理論分析還是數(shù)值模擬,都采用宏觀描述的簡化方法。在計算條件無法滿足真實流場模擬時,容積平均方法對認識宏觀火焰起到了積極的作用。但容積平均方法對多孔介質(zhì)采用了連續(xù)介質(zhì)的假設(shè),而缺少對多孔介質(zhì)固體的描述。而多孔介質(zhì)中固體的存在,對多孔介質(zhì)燃燒擴展可燃極限、提高燃燒穩(wěn)定性以及降低污染物排放都起到了至關(guān)重要的作用；因此,研究多孔介質(zhì)燃燒中固體的傳熱特性是非常有必要的。與傳統(tǒng)燃燒相比,多孔介質(zhì)燃燒的一個顯著優(yōu)點就是其多孔介質(zhì)固體具有良好的蓄熱性能,可以提高燃燒穩(wěn)定性與增加可燃極限,因此研究多孔介質(zhì)固相溫度變化具有重要的意義。本節(jié)為了分析多孔介質(zhì)小球傳熱及蓄熱特性,取單個小球從開始受熱到冷卻過程中,具有典型特點的瞬時溫度作為研宄對象,。 ,小球直徑為6 mm, m/s, mm/s。 t=100 s t=200 s t=300 s t=400 s t=500 s t=600 s t=700 s t=800 s 多孔介質(zhì)小球溫度分布,小球靠近軸線位置的溫度首先受熱(冷卻),小球內(nèi)部受熱面形狀與拋物面形狀具有相同的偏向性。高溫區(qū)域固體小球剛開始冷卻時刻為t=100s。可以看出燃燒剛開始時,由于擴散作用,氣體溫度快速上升,氣體在流動的過程中通過對流換熱將熱量傳遞給固體,固體小球開始蓄熱。熱量通過熱傳導(dǎo)在小球內(nèi)部向下游傳遞,使小球溫度逐漸升高。在此時刻后,一方面由于小球具有比氣體大得多的熱容量,另一方面固體導(dǎo)熱系數(shù)較大,使熱量不能很快的傳遞出去,因此小球的溫度降低非常緩慢。由t=600 s時刻到t=700 s時刻可以明顯的看出,氣體具有較大的溫度梯度,而固體小球由于熱量已累積到固體小球中,其冷卻過程比氣體有明顯的延遲,說明固體小球有非常好的蓄熱能力。熱量累積到小球中后,小球通過對流與輻射的方式與新鮮的預(yù)混氣體進行換熱從而達到對可燃氣體預(yù)熱的效果,同時也可以防止溫度過快降低導(dǎo)致的熄火現(xiàn)象,起到維持燃燒穩(wěn)定性的作用。 , m/s時,燃燒過后某一固體小球表面總體熱流密度,單位。,多孔介質(zhì)固體小球的總體熱流密度,由固體向氣體方向傳遞的熱流密度為正,由氣體向氣體方向傳遞的熱流密度為負。,在迎風面由于小球表面吸收反應(yīng)放出的熱量己經(jīng)達到較高的溫度,其外表面處小球通過對流及熱輻射將熱量傳遞給氣體,對將要燃燒的混合氣體進行預(yù)熱,熱流密度為正,最大值達到，在小球的內(nèi)表面通過導(dǎo)熱方式熱量繼續(xù)向小球內(nèi)部處傳播,熱流密度為負值。在背風面,即氣體區(qū)域發(fā)生燃燒處,反應(yīng)放出的熱量傳遞給固體,熱流密度為負。小球側(cè)面的熱流密度明顯小于迎風面的熱流密度,這是因為雖然側(cè)面的氣流速度大,但是此處的湍流較弱,因而對流換熱系數(shù)也相對較小,而且氣固溫差較小,因此此處的對流換熱和輻射換熱都比較弱。而在小球迎風面,由于小球流道的特殊結(jié)構(gòu),此處形成了強烈的湍流,對流換熱加強,氣固溫差大以因此產(chǎn)生更強烈的輻射熱流。 堆積小球表面總體熱流密度 Heat Flux 堆積小球表面輻射熱流密度 Heat Flux ,小球迎風面熱流密度為正,小球此處溫度較高,向臨近的低溫小球輻射熱量,最大熱流密度為。小球背風面熱流密度為負,此處溫度較低,小球吸收輻射熱量。、,將熱量傳遞給上游,而在溫度較低的背風面吸收下游小球傳遞的熱量,因此形成了熱量回流；而且通過比較可以看出小球的輻射熱流密度僅僅是對流熱流密度的1/3左右,因此在此工況下,多孔介質(zhì)燃燒器燃燒反應(yīng)上游處對流換熱起主要作用,此結(jié)論與文獻模擬的結(jié)果相一致。 組分分布、 , m/s工況下軸線方向的組分分布圖。由于由圖中可以看出化學(xué)反應(yīng)出現(xiàn)在一個很窄的區(qū)域內(nèi)。在反應(yīng)開始時,X= m處,甲烷開始消耗,隨著甲烷的消耗,CO的質(zhì)量分數(shù)快速增加，然后隨著燃燒距離的增加開始消耗,與剩余的反應(yīng)生成大量的。在X= m時,甲烷與CO的質(zhì)量分數(shù)均不在變化,達到穩(wěn)定值,甲烷被消耗完,CO的濃度也達 t=100s t=250s t=400s t=550s Temperature K 組分分布圖 t=100s t=250s t=400s t=550s Temperature K 組分分布圖 t=100s t=250s t=400s t=550s Temperature K 組分分布圖到了最小的質(zhì)量分數(shù)達到峰值,這時燃燒完成,溫度達到最大值?？梢钥闯鲈诖斯r下,的生成量非常小,，充分體現(xiàn)了多孔介質(zhì)內(nèi)燃燒降低污染物排放的特性。 本章小結(jié)本章主要對堆積小球多孔介質(zhì)內(nèi)預(yù)混燃燒特性進行了模擬研究,建立了多孔介質(zhì)燃燒器預(yù)混燃燒的二維物理模型和數(shù)學(xué)模型。采用以圓代表堆積小球的特殊處理方法,分別將固體相和氣體相體現(xiàn)在計算區(qū)域中,對多孔介質(zhì)內(nèi)火焰面、固體小球傳熱特性以及壓力分布和組分分布進行了研究。 , m/s的工況下進行,主要結(jié)論如下:1) 多孔介質(zhì)火焰面受壁面粘性的影響呈現(xiàn)拋物面型,最高溫度變化相對穩(wěn)定,維持在1600 K左右, mm/s,遠低于燃氣入口速度。燃燒區(qū)上游固體溫度高,氣體溫度低,燃燒區(qū)下游氣體溫度高,固體溫度低,結(jié)果與理論分析一致。2) 通過對單個小球的總體熱流密度、輻射熱流密度及溫度變化規(guī)律分析,發(fā)現(xiàn)固體溫度冷卻與氣體相比有明顯的滯后,其蓄積的熱量具有對未燃氣體進行預(yù)熱并能抑制燃燒尾氣溫度快速降低的作用。多孔介質(zhì)燃燒器燃燒后火焰背面處對流換熱起主要作用,固體小球的溫度分布與火焰面有相同的偏向,靠近中心軸線位置首先受到冷卻(加熱)。固體在靠近燃燒區(qū)上游一定距離時溫度達到最高,并且保持一段高溫時間,大約100s左右。3) 多孔介質(zhì)內(nèi)壓降受其特殊的流道影響,軸向變化很大,縱向壓力變化并不明顯。反應(yīng)在很小的區(qū)域進行,在此工況下CO的排放量非常小,，因此多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)預(yù)混合燃燒能夠有效降低有害尾氣的生成。6 結(jié)論 本文以CFD商業(yè)軟件FLUENT ,對預(yù)混燃氣在小球堆積型多孔介質(zhì)燃燒器的燃燒特性進行研究。通過建立預(yù)混合燃燒的二維物理及數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)值模擬方法討論了多孔介質(zhì)內(nèi)燃燒的火焰面特性,溫度分布特性,壓力分布特性,以及燃燒器內(nèi)單個小球的傳熱及蓄熱特性。本文主要研究內(nèi)容及獲得的相關(guān)結(jié)論如下：1） 與傳統(tǒng)的利用宏觀模型計算預(yù)混燃氣在多孔介質(zhì)內(nèi)燃燒相比,本文用到的直接模擬是涉及到多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu),考慮更加全面的方法。將本模型計算的數(shù)值結(jié)果與相關(guān)實驗進行比較,結(jié)果表明本模型能夠準確預(yù)測燃燒的最高溫度,火焰面寬度及溫度分布趨勢,本模型的有效性得以驗證。2） 對多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)火焰面分布及燃燒波傳播進行分析,結(jié)果表明燃燒波能夠在多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)穩(wěn)定傳播, mm/s量級,且火焰面隨著燃燒進行不斷變寬,并到最后達到穩(wěn)定,但燃燒區(qū)的最高溫度不隨時間變化而變化；氣固溫度場受壁面粘性影響,都呈現(xiàn)明顯的二維拋物線形狀,壁面溫度值比中心值低。3） 多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)的壓力分布受其微小孔隙流道的影響,軸向方向壓力損失較大,而徑向方向壓力變化不大。4） 多孔介質(zhì)固體的存在,是決定多孔介質(zhì)燃燒器不同于自由火焰燃燒的最主要因素,因此取單個小球?qū)ζ鋫鳠崽匦赃M行研究。得到的結(jié)論包括:固體小球溫度的冷卻與氣體相比有明顯的滯后,表明固體小球具有良好的蓄熱性能；小球內(nèi)部受熱與整個火焰面的拋物線型具有相同的偏向性,靠近軸線位置首先受熱(冷卻)；小球表面總體熱流密度及輻射熱流密度均是迎風面向外換熱,背流面吸熱,且火焰背面小球總體熱流密度遠遠大于輻射熱流密度,此處對流換熱起主要作用。5） 通過分析反應(yīng)過程中的組分分布，可得知預(yù)混合燃燒反應(yīng)在很小的區(qū)域進行,而反應(yīng)進程中CO的排放量非常小，因此小球堆積型多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)預(yù)混合燃燒能夠有效降低有害尾氣的生成。參考文獻[1] Luke C E. 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