H 2 /CH 4 射流MILD燃烧的数值模拟研究
发布时间：2021-11-24 00:02
为了探索高温伴流射流（Jet-in-Hot-Coflow,JHC）无焰燃烧（Moderate or Intense Low-oxygen Dilution,MILD）建立的条件,本文研究了稳态RANS（Reynolds Averaged Navier-Stokes）模型和LES（Large Eddy Simulation）方法建立MILD燃烧数值模型的方式,并探究了MILD燃烧火焰在不同伴流温度与伴流氧气质量分数下的火焰特性。使用商业CFD（Computational Fluid Dynamics）软件ANSYS FLUENT 15.0,开展稳态RANS模拟,湍流模型采用标准κ-ε双方程模型,化学反应采用DRM22详细反应机理,湍流与化学反应的相互作用采用涡耗散概念（Eddy Dissipation Concept,EDC）模型。网格无关性检验与数值模型有效性验证表明:稳态RANS模型能够准确预测MILD燃烧的主要参数与火焰结构。在稳态模拟的基础上,改变伴流的温度和氧气浓度,探究两者在建立MILD燃烧的过程中起到的作用。模拟结果表明:提高伴流温度加强了火焰内部的传热过程;降低氧气浓度减...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
多种燃料传统燃烧与MILD燃烧照片[3]：（a）天然气的传统火焰；（b）天然气的MILD燃烧；（c）锯木粉的传统燃烧；（d）锯木粉的MILD燃烧
浙江大学硕士学位论文1绪论3烧，首先需要考量烟气在燃烧器内这一流动过程。Wünning父子定义烟气内部循环率KV用于表示燃料、氧化剂和烟气在燃烧器内的混合程度，计算方法如式1-1。=1-1其中MF表示进入炉膛的燃料质量，MA表示进入炉膛的氧化剂质量，ME表示炉膛内循环的烟气质量。随后Wünning父子[14]借助实验室规模的燃烧器得到了CH4扩散火焰的Kv与温度的关系，如图1.2。由图可知，烟气内部循环率KV大于2.5且温度高于1100K可实现MILD燃烧。沿着Wünning等人的研究思路，更多的研究者开始考察Kv对燃烧的影响。图1.2甲烷扩散燃烧方式下Kv与温度的关系[14]然而前人关于准确全面定义MILD燃烧的尝试仍然具有一定的局限性。首先不同的研究者设计的燃烧器结构不同,其中的射流火焰发展过程无法用统一标准衡量，同时KV的定义决定了使用不同的空间截面得到的结果也有所差异，如果利用该参数研究MILD燃烧机理，首先要统一实验平台的设计与实验参数的测量标准，这在实际研究中难以实现。高温烟气的内部循环仅表述了MILD燃烧所需的部分条件，不能准确描述MILD燃烧的全部建立条件。基于上述考虑，Cavaliere尝试对MILD燃烧进行了新的描述[2]。在充分搅拌
浙江大学硕士学位论文1绪论4反应器（Well-Stirred-Reactor，WSR）中，甲烷、氧气、氮气的混合物按当量比进料，保持停留时间为1秒，在绝热温度下计算得出不同的氧气摩尔分数和不同的入口温度对应的WSR的工作温度如图1.3。根据经典反应器理论，WSR的自燃温度（TSI）是在当进口温度提高时，系统的工作温度曲线可以达到更高的点且化学反应能够自发维持的情况下的进口温度。最大温差是反应器中的最高温度与进口温度的差，提高反应器内的稀释水平可以降低最大温差。现在定义MILD燃烧为：混合物的进口温度高于它的自燃温度且反应器的最高温升小于混合物的自燃温度的燃烧过程。图1.3WSR工作温度与甲烷、氧气和混合物入口温度的关系[2]之所以选择MILD的名字有两个原因，第一是该燃烧过程与所有其他燃烧过程的特征形成对比。后者在非常宽的温度范围内演化，在这个过程中，动力学参数可从低到中温或高温区域变化，物理参数，如扩散、表面张力等也可从一个范围突然变化到另一个范围。与此相对，MILD燃烧模式的特点是“温和”的变化，并确保在过程中更渐进的演变。第二个原因是，MILD是“中度或强烈低氧稀释”(Moderate&IntenseLowOxygenDilution)的首字母缩写，这正是获得该工况的最典型条件之一。1.2国内外研究现状在MILD燃烧的研究领域，有两个较为经典的MILD燃烧试验平台：由澳大
【参考文献】：
期刊论文
[1]MILD燃烧的最新进展和发展趋势[J]. 李鹏飞,米建春,DALLY B B,王飞飞,王林,柳朝晖,陈胜,郑楚光. 中国科学:技术科学. 2011(02)
[2]环形喷嘴预混无焰燃烧的数值模拟(英文)[J]. 米建春,李鹏飞,郑楚光. Chinese Journal of Chemical Engineering. 2010(01)
博士论文
[1]煤粉热解、燃烧及碱金属释放与反应特性的大涡模拟[D]. 万凯迪.浙江大学 2016
[2]结合扩展小火焰模型的甲烷及合成气射流火焰的大涡模拟与化学反应机理简化[D]. 许岩韦.浙江大学 2015
[3]气相/煤粉气固两相圆射流燃烧的直接数值模拟[D]. 易富兴.浙江大学 2012
本文编号：3514884
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
多种燃料传统燃烧与MILD燃烧照片[3]：（a）天然气的传统火焰；（b）天然气的MILD燃烧；（c）锯木粉的传统燃烧；（d）锯木粉的MILD燃烧
浙江大学硕士学位论文1绪论3烧，首先需要考量烟气在燃烧器内这一流动过程。Wünning父子定义烟气内部循环率KV用于表示燃料、氧化剂和烟气在燃烧器内的混合程度，计算方法如式1-1。=1-1其中MF表示进入炉膛的燃料质量，MA表示进入炉膛的氧化剂质量，ME表示炉膛内循环的烟气质量。随后Wünning父子[14]借助实验室规模的燃烧器得到了CH4扩散火焰的Kv与温度的关系，如图1.2。由图可知，烟气内部循环率KV大于2.5且温度高于1100K可实现MILD燃烧。沿着Wünning等人的研究思路，更多的研究者开始考察Kv对燃烧的影响。图1.2甲烷扩散燃烧方式下Kv与温度的关系[14]然而前人关于准确全面定义MILD燃烧的尝试仍然具有一定的局限性。首先不同的研究者设计的燃烧器结构不同,其中的射流火焰发展过程无法用统一标准衡量，同时KV的定义决定了使用不同的空间截面得到的结果也有所差异，如果利用该参数研究MILD燃烧机理，首先要统一实验平台的设计与实验参数的测量标准，这在实际研究中难以实现。高温烟气的内部循环仅表述了MILD燃烧所需的部分条件，不能准确描述MILD燃烧的全部建立条件。基于上述考虑，Cavaliere尝试对MILD燃烧进行了新的描述[2]。在充分搅拌
浙江大学硕士学位论文1绪论4反应器（Well-Stirred-Reactor，WSR）中，甲烷、氧气、氮气的混合物按当量比进料，保持停留时间为1秒，在绝热温度下计算得出不同的氧气摩尔分数和不同的入口温度对应的WSR的工作温度如图1.3。根据经典反应器理论，WSR的自燃温度（TSI）是在当进口温度提高时，系统的工作温度曲线可以达到更高的点且化学反应能够自发维持的情况下的进口温度。最大温差是反应器中的最高温度与进口温度的差，提高反应器内的稀释水平可以降低最大温差。现在定义MILD燃烧为：混合物的进口温度高于它的自燃温度且反应器的最高温升小于混合物的自燃温度的燃烧过程。图1.3WSR工作温度与甲烷、氧气和混合物入口温度的关系[2]之所以选择MILD的名字有两个原因，第一是该燃烧过程与所有其他燃烧过程的特征形成对比。后者在非常宽的温度范围内演化，在这个过程中，动力学参数可从低到中温或高温区域变化，物理参数，如扩散、表面张力等也可从一个范围突然变化到另一个范围。与此相对，MILD燃烧模式的特点是“温和”的变化，并确保在过程中更渐进的演变。第二个原因是，MILD是“中度或强烈低氧稀释”(Moderate&IntenseLowOxygenDilution)的首字母缩写，这正是获得该工况的最典型条件之一。1.2国内外研究现状在MILD燃烧的研究领域，有两个较为经典的MILD燃烧试验平台：由澳大
【参考文献】：
期刊论文
[1]MILD燃烧的最新进展和发展趋势[J]. 李鹏飞,米建春,DALLY B B,王飞飞,王林,柳朝晖,陈胜,郑楚光. 中国科学:技术科学. 2011(02)
[2]环形喷嘴预混无焰燃烧的数值模拟(英文)[J]. 米建春,李鹏飞,郑楚光. Chinese Journal of Chemical Engineering. 2010(01)
博士论文
[1]煤粉热解、燃烧及碱金属释放与反应特性的大涡模拟[D]. 万凯迪.浙江大学 2016
[2]结合扩展小火焰模型的甲烷及合成气射流火焰的大涡模拟与化学反应机理简化[D]. 许岩韦.浙江大学 2015
[3]气相/煤粉气固两相圆射流燃烧的直接数值模拟[D]. 易富兴.浙江大学 2012
本文编号：3514884
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