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环状多孔介质燃烧特征的理论研究

作　者: 许珊珊
导　师: 徐江荣；陈江星
学　校: 杭州电子科技大学
专　业: 应用数学
关键词: 燃烧模型数值模拟多孔介质燃烧预混燃烧
分类号: TK16
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 71次
引　用: 1次
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内容摘要

与传统燃烧相比,多孔介质燃烧技术作为一种高效节能的燃烧技术,具有高燃烧效率、可燃极限拓宽、可调节功率范围大、污染物排放低,污染物排放少的特点。本文在工业炉应用及多孔介质燃烧技术的理论和实验研究的基础上,针对实际应用中遇到的不利于生产的一些问题,提出一种新型的环状多孔介质燃烧器。为了了解气体在环形多孔介质燃烧器内的燃烧特性,对甲烷/空气的预混合气体在环状多孔介质燃烧器内的燃烧的温度场和流场进行数值模拟。本文首先对多孔介质燃烧技术及其应用做简单介绍,特别介绍有关多孔介质燃烧技术的理论和数值模拟方面的研究,从而为本文的数值模拟工作打下基础。本文对多孔介质燃烧的数学模型的进行推导,先引入一般的层流燃烧基本方程,再利用RVE(representative elementary volume)的概念和体积平均法,得到宏观意义上的多孔介质的连续方程、动量方程及能量方程。值得注意的是,由混合气体和多孔介质是否满足局部热平衡条件,得到了单温度和双温度两个不同的能量方程。在理论模型基础上,利用二维的单温度模型,针对不同的工况下甲烷/空气的预混合气体在环形多孔介质燃烧器中燃烧进行稳态和非稳态的数值模拟,主要考察当量比、流体初速度、燃烧室内外壁面的热损失对燃烧特性的影响。结果表明,当量比是影响燃烧室内温度场的主要因素;流体初速度对低当量比工况下的燃烧影响较为重要,对高当量比影响不大;壁面热损失会影响到燃烧室内到达稳定状态时的温度分布,相比较而言,对低当量比的工况影响较大。最后选取其中一种工况,建立相应的三维单温度模型,对其进行数值模拟,并将模拟结果与二维模拟结果作对比,二者基本吻合。从整体的数值模拟结果可以看出,环状多孔介质燃烧器内温度分布较均匀,克服了由于环形不对称的结构产生的局部高温、热斑点等不利于生产的现象,同时也表现出了不同于直管或矩形状多孔介质燃烧器的特性,因此本文对于环状多孔介质燃烧特性的模拟结果对研发新型的多孔介质燃烧器提供重要的理论依据,同时对实际的生产有重要指导意义。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
主要符号表  8-11
第1章绪论  11-19
  1.1 研究背景及意义  11-12
  1.2 多孔介质燃烧理论与数值模拟  12-17
  1.3 本文的主要研究内容  17-19
第2章多孔介质燃烧的数学模型  19-28
  2.1 层流燃烧的基本方程  19-20
  2.2 能量方程的多种形式  20-22
  2.3 多孔介质燃烧的数学模型  22-28
    2.3.1 动量方程多孔介质修正  24-25
    2.3.2 多孔介质能量方程  25-26
    2.3.3 多孔介质燃烧三维直角系中的形式  26-28
第3章多孔介质燃烧模型的应用  28-36
  3.1 多孔介质集热层在温室采暖系统中的流动传热  28-30
  3.2 直管状多孔介质预混合燃烧系统  30-32
  3.3 圆筒状多孔介质燃烧数学模型  32-36
第4章二维环状多孔介质燃烧器的数值模拟  36-62
  4.1 数学模型  36-41
    4.1.1 控制方程  36-39
    4.1.2 计算条件  39-41
  4.2 高当量比绝热工况下燃烧器内温度场及流场的非稳态变化  41-47
    4.2.1 燃烧室内温度场的非稳态变化  41-46
    4.2.2 燃烧室内速度流场的非稳态变化  46-47
    4.2.3 组分的质量分数分布  47
  4.3 高当量比非绝热工况下燃烧室内温度场及流场的非稳态变化  47-49
    4.3.1 燃烧室内温度场的非稳态变化  47-48
    4.3.2 燃烧室内速度流场的非稳态变化  48-49
  4.4 中当量比非绝热工况下燃烧室内温度场及流场的非稳态变化  49-56
    4.4.1 燃烧器内温度场的非稳态变化  49-54
    4.4.2 燃烧室内速度流场的非稳态变化  54-55
    4.4.3 组分的质量分数分布  55-56
  4.5 燃烧器内温度场的分析  56-59
    4.5.1 当量比对温度分布的影响  56-57
    4.5.2 进口初速度对温度分布的影响  57-58
    4.5.3 壁面热损失对温度分布的影响  58-59
  4.6 反应速率分布  59-61
  4.7 本章小结  61-62
第5章三维环状多孔介质燃烧器的数值模拟  62-71
  5.1 数学模型  62-63
    5.1.1 计算条件  62-63
  5.2 高当量比绝热条件下燃烧室内温度场及流场的非稳态变化  63-66
    5.2.1 燃烧室内温度场的非稳态变化  63-65
    5.2.2 燃烧室内速度流场的非稳态变化  65-66
  5.3 三维模型与二维模型的燃烧室内温度场及流场对比  66-71
    5.3.1 三维模型与二维模型的温度场对比  66-69
    5.3.2 三维模型与二维模型的速度场对比  69-71
第6章总结与展望  71-73
致谢  73-74
参考文献  74-78
附录  78-79
详细摘要  79-82
  参考文献  82

环状多孔介质燃烧特征的理论研究

内容摘要

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