【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,多孔介質固體小球具有很強的蓄熱能力,因此化學反應的部分熱量不斷的累積在多孔介質中,導致高溫的區(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 多孔介質內氣相壓力場分布流體流體在管內流動由于克服摩擦力、粘性力以及克服湍流中質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,容器直徑與小球直徑之比在15與40這兩個值時,燃燒器內的壓力降變化不大。 , 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內流動,其流道為微小孔隙,并且由于多孔介質的比表面積非常大,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。混合氣體的流速越大,燃燒器內的壓力變化越大,因此燃燒器內壓力變化能夠直接體現(xiàn)流速的變化。 多孔介質小球傳熱特性分析由于多孔介質內部結構的復雜無序,要深入理解多孔介質內的預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采用了連續(xù)介質的假設,而缺少對多孔介質固體的描述。而多孔介質中固體的存在,對多孔介質燃燒擴展可燃極限、提高燃燒穩(wěn)定性以及降低污染物排放都起到了至關重要的作用；因此,研究多孔介質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,多孔介質燃燒的一個顯著優(yōu)點就是其多孔介質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,因此研究多孔介質固相溫度變化具有重要的意義。本節(jié)為了分析多孔介質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?？梢钥闯鋈紵齽傞_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。熱量通過熱傳導在小球內部向下游傳遞,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混氣體進行換熱從而達到對可燃氣體預熱的效果,同時也可以防止溫度過快降低導致的熄火現(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放出的熱量己經達到較高的溫度,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熱,熱流密度為正,最大值達到，在小球的內表面通過導熱方式熱量繼續(xù)向小球內部處傳播,熱流密度為負值。在背風面,即氣體區(qū)域發(fā)生燃燒處,反應放出的熱量傳遞給固體,熱流密度為負。小球側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構,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,多孔介質燃燒器燃燒反應上游處對流換熱起主要作用,此結論與文獻模擬的結果相一致。 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反應出現(xiàn)在一個很窄的區(qū)域內。在反應開始時,X= m處,甲烷開始消耗,隨著甲烷的消耗,CO的質量分數(shù)快速增加，然后隨著燃燒距離的增加開始消耗,與剩余的反應生成大量的。在X= m時,甲烷與CO的質量分數(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)了多孔介質內燃燒降低污染物排放的特性。 本章小結本章主要對堆積小球多孔介質內預混燃燒特性進行了模擬研究,建立了多孔介質燃燒器預混燃燒的二維物理模型和數(shù)學模型。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,對多孔介質內火焰面、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,主要結論如下:1) 多孔介質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熱并能抑制燃燒尾氣溫度快速降低的作用。多孔介質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) 多孔介質內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,，因此多孔介質燃燒器內預混合燃燒能夠有效降低有害尾氣的生成。6 結論 本文以CFD商業(yè)軟件FLUENT ,對預混燃氣在小球堆積型多孔介質燃燒器的燃燒特性進行研究。通過建立預混合燃燒的二維物理及數(shù)學模型，利用數(shù)值模擬方法討論了多孔介質內燃燒的火焰面特性,溫度分布特性,壓力分布特性,以及燃燒器內單個小球的傳熱及蓄熱特性。本文主要研究內容及獲得的相關結論如下：1） 與傳統(tǒng)的利用宏觀模型計算預混燃氣在多孔介質內燃燒相比,本文用到的直接模擬是涉及到多孔介質結構,考慮更加全面的方法。將本模型計算的數(shù)值結果與相關實驗進行比較,結果表明本模型能夠準確預測燃燒的最高溫度,火焰面寬度及溫度分布趨勢,本模型的有效性得以驗證。2） 對多孔介質燃燒器內火焰面分布及燃燒波傳播進行分析,結果表明燃燒波能夠在多孔介質燃燒器內穩(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） 多孔介質燃燒器內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） 多孔介質固體的存在,是決定多孔介質燃燒器不同于自由火焰燃燒的最主要因素,因此取單個小球對其傳熱特性進行研究。得到的結論包括: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） 通過分析反應過程中的組分分布，可得知預混合燃燒反應在很小的區(qū)域進行,而反應進程中CO的排放量非常小，因此小球堆積型多孔介質燃燒器內預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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