第３６卷第２期Ｖｊｌ３６Ｎｏ２
河北工业大学学报
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＨＥＢＥＩＵＮⅣＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
２００７年４月
Ａｐｒｉｌ２００７
文章编号：１００７—２３７３（２００７）０２—００９４—０６
基于ＦＬＵＥＮＴ对惰性多孔介质中湍流预混燃烧的模拟
王思宇１，吴晋湘１，刘联胜１，刘连军２
（１河北工业大学能源与环境工程学院，天津３００１３２；２天津市红桥区房产供热公司，天津３００１３０）
摘要采用了多孔介质气固间局部热平衡假定，建立了二维的多孔介质中湍流燃烧模型．通过用户自定义函数在
ＦＬＵＥＮＴ６１的多孔介质模型中引入湍流和辐射的作用，对多孔介质中甲烷．空气预混燃烧的特性进行了数值模
拟．得到的多孔介质中的计算流场更加合理，流速均匀且消除了多孔区近壁面速度高而中心低的不合理速度场
计算结果显示多孔介质中温度分布均匀，壁面温度和中心温度相差很小，比ＦＬＵＥＮＴ软件不考虑多孔介质辐射
的结果更加合理．通过计算甲烷一空气的两步反应，得到了多孔介质中速度场、温度场和浓度场的分布理论预示
结果，并与试验结果进行了比较，发现二者趋势一致．利用ＦＬＵＥＮＴ软件求解多孔介质中燃烧问题是有效的，该
二维惰性多孔介质燃烧模型是合理的
关键词惰性多孔介质；预混燃烧；ＦＬＵＥＮＴ软件；数值模拟；湍流
中图分类号０６４３２１文献标识码Ａ
—ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＰｒｅｍｉｘｅｄＴｕｒｂｕｌｅｎｔＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎｉｎＰｏｒｏｕｓ
ＩｎｅｒｔＭｅｄｉａＢａｓｅｄｏｎＦＬＵＥＮＴ
ＷＡＮＧＥｎ—ｙｕｌ，ＷＵＪｉｎ．ｘｉａｎ９１，ＬＩＵＬｉａｎ—ｓｈｅｎ９１，ＬＩＵＬｉａｎ－ｊｕｎ２（１ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａ圳ｉｎ３００１３２，Ｃｈｉｎａ；２ＨｏｎｇｑｉａｏＤｉｓｔｒｉｃｔ
ＲｅａｌＥｓｍｔｅＨｅａｔｉｎｇＣｏｍｐａｎｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００１３２，Ｃｈｉｎａ）
ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｌｏｃａｌｈｅａｔｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｂｅｔｗｅｅｎｇａｓａｎｄｓｏｌｉｄｗａｓａｓｓｕｍｅｄ，ａｎｄａｔｗｏ?ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｔｕｒｂｕｌｅｎｔｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ
ｍｏｄｅｌｉｎｐｏｒｏｕｓｉｎｅｒｔｍｅｄｉａ（ＰＩＭ）ｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅｐｒｅｍｉｘｅｄｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｅｓｏｆｍｅｔｈａｎｅ／ａｉｒｉｎＰＩＭｗｅｒｅ
ｓｉｍｕｌａｔｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓ（ＣＦＤ）ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｓｏｆｔｗａｒｅＦＬＵＥＮＴ．Ｔｈｅｔｕｒｂｕｌｅｎｔｅｆｆｅｃｔａｎｄ
ｔｈｅｒａｄｉａｔｉｏｎｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｄｕｅｔｏｔｈｅｐｏｒｏｕｓｍｅｄｉａｓｏｌｉｄｍａｔｒｉｘｗｅｒｅｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ．ＴｈｅｐｏｒｏｕｓｍｅｄｉａｍｏｄｅｌｉｎＦＬＵＥＮＴ
６１ｗａｓｍｏｄｉｆｉｅｄｂｙｕｓｅｒ－ｄｅｆｉｎｅｄｆｉｍｃｔｉｏｎｓ（ＵＤＦｓ）Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｆｉｅｌｄｂｅｃａｍｅｍｏｒｅｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓａｎｄ
ｌｏｇｉｃａｌＯｔｈｅｒｗｉｓｅ，ｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｆｉｅｌｄｗｏｕｌｄｂｅｏｂｖｉｏｕｓｌｙｉｌｌｏｇｉｃａｌ：ｈｉｇｈｖｅｌｏｃｉｔｙｎｅａｒｔｈｅｗａｌｌａｎｄｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｙｉｎｔｈｅ
ｃｅｎｔｅｒｏｆｔｈｅｐｏｒｏｕｓｚｏｎｅＴｈｅｓｉｍｕｌａｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｓｕｎｉｆｏｒｍａｎｄｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｏｆｗａｌｌａｎｄｃｅｎｔｅｒａｒｅｖｅｒｙｆｅｗＴｈｅｒｅｓｕｌｔｉｓｍｏｒｅｌｏｇｉｃａｌｔｈａｎｔｈａｔｏｆｎｏｓｏｌｉｄｒａｄｉａｎｔｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｔｗｏ－ｓｔｅｐ?
ｒｅａｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｗａｓｕｓｅｄａｎｄｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｆｉｅｌｄｓ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｓａｎｄｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｆｉｅｌｄｓｏｆｔｈｅｐｒｅｍｉｘｅｄｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ
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ｍｏｄｅｌｉｎＰＩＭｉｓｒｅａｓｏｎａｂｌｅ，ａｎｄｕｓｉｎｇｔｈｅＣＦＤｃｏｄｅＦＬＵＥＮＴｔｏｓｏｌｖｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｉｎＰＩＭｉｓｆｅａｓｉｂｌｅ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓｐｏｒｏｕｓｉｎｅｒｔｍｅｄｉａ：ｐｒｅｍｉｘｅｄ
ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ：ＦＬＵＥＮＴｓｏｆｔｗａｒｅ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｔｕｒｂｕｌｅｎｔｆｌｏｗ相对于自由火焰为特征的预混燃烧方式来说，惰性多孔介质中的预混燃烧方式是一种完全不同的、新颖独特的燃烧方式．多孔介质燃烧具有诸多优点：污染物排放低、燃烧器体积小、结构紧凑、负荷调节范围广、燃烧器热效率高、燃烧稳定性好等“１２１．因此近年来受到了燃烧学者的青睐，尤其是对其模型的研究，学者们进行了各种简化，建立了各种维数的数学模型，并得到了一定的结果１３－５］．但是，惰性多孔介质中的燃烧过程涉及到许多的物理化学过程，包括：多组分气体在复杂通道中的流动，气体与固体骨架间的对流和辐射换热、固体骨架间导热和辐射换热，气体在多孔介质孔隙中的空间气相反应，甚至涉及固体微孔的表面吸附过程等．而且，多孔介质结构的弥散性，增加了这些过程的复杂程度，以上过程相互作用、相互耦合，使得对多孔介质中的燃烧过程精确求解非常困难．所以，到收稿日期：２００６—１０－１０
作者简介：王恩宇（１９７０一），男（汉族），副教授
第２期王恩字，等：基于ＦＬＵＥＮＴ对惰性多孔介质中湍流预混燃烧的模拟９５
目前为止还没有一个公认合理的多孔介质预混燃烧模型．而且，考虑了多孔介质中紊流传输特性的模型几乎没有见到．
一般用于多孔介质燃烧器的泡沫陶瓷平均孔径为０．５—２．４ｍｍ．多孔介质中的平均流速范围为０．２５～２．０ｍ／ｓ时，孔隙雷诺数为７～２６０，管流雷诺数为５６０—４５００，这属于过渡流和完全发展湍流的范围旧．Ａｎｔｏｈｅ等ｎ’也指出：Ｌｉｍ和Ｍａｔｈｅｗｓ曾经利用简化的标准ｋ－Ｅ模型来模拟湍流，其数值预示结果对比表明，考虑湍流对燃烧的影响，数值结果与试验结果能符合的很好，但是他们的湍流模型没有考虑多孔介质固体对流体施加的粘性和形状效应．
由此可见，湍流对于多孔介质中的燃烧模拟的影响是比较大的，对多孔介质中的湍流燃烧特性应给以关注．本文基于ＦＬＵＥＮＴ６．１在多孔介质中考虑湍流的影响，引入甲烷．空气的两步反应机理，通过必要的改进，计算了多孔介质中预混燃烧的速度场、浓度场和温度场．
１多孔介质中预混燃烧模型
１．１模型假定
本文所作的假设如下：
１）圆柱形燃烧室内，气体流动、火焰结构及热传递为二维的，在圆柱横截面周向各个参数相等；
２）燃烧室壁面绝热，无外界热损失，内壁面为辐射灰体；
３）潜在的高温固体催化作用忽略不计；
４）忽略Ｓｏｒｅｔ效应（温度梯度引起的质量扩散）和Ｄｕｆｏｕｒ效应（浓度梯度引起的热传递）；
５）重力的影响忽略不计，忽略压力功和动能；
６）预混气体和烟气都视为不可压缩理想气体：
７）多孔介质视为体积平均介质，均匀分散在气体中，多孔介质视为一种均匀弥散结构，各向同性，每个单元都是均一的；
８）泡沫陶瓷区域气体与固体问的对流换热系数足够大，气体和固体温度相等．、
对于前七条假定都比较认同，最后一条假定，实际上认为气体和固体之间处于局部热乎衡状态，该假定只能在一定条件下适用．Ｖｅｒｅｉｎ幛１认为对于泡沫陶瓷而言，换热率为１５０ｋＷ／ｍ３?Ｋ数量级时，固体骨架和流体可作为均一介质对待．而一般的，泡沫陶瓷的体积换热系数都很高，比如Ｆｕ【９１对１０ＰＰＩ和２０ＰＰＩ的ＹＺＡ泡沫陶瓷的体积换热系数测量结果表明，气流速度为Ｏ．０８～５．５６ｍ／ｓ时测得的体积换热系数为１００～１８００ｋＷ／ｍ３?Ｋ．所以，这里采用局部热平衡假定是合理的．
１．２基本方程
考虑到应用了局部热平衡假设，多子Ｌ介质中的燃烧问题与一般的燃烧过程具有相同的连续性方程、组分守恒方程和能量方程．所不同的只有动量方程，其形式为
Ｖ．（ｐ帚帚）＝一Ｖｐ＋Ｖ．奇～警帚一譬｛Ｐ…哥（１）
１印Ｖ』、Ｐｏ
式中，最后两项代表了流体流经多孔介质时，固体骨架对流体的粘性效应和形状效应产生的粘性阻力和惯性阻力．墨为渗透率，１／ｇ，即定义为多孔介质中流动的粘性阻力系数，ｃ一√局为惯性阻力系数，即为试验系数，与流动雷诺数和多孔介质形状有关．＂Ｃｉｊ为粘性应力，瓦尸掣睽＋弓等）．妒为孔隙率，在没有多孔介质存在的区域妒＝１．例为速度ｖ的模，可以表示为酬＝（＂助“２＝Ｋ．
正如前文所述，本模型考虑了多孔介质中的湍流，采用ｋ～￡模型进行求解．但是，ＦＬＵＥＮＴ软件包对多孔介质的湍流处理上相当于不存在多孔介质的管流一样对待，并不考虑多孔介质对湍流的贡献．所以需要在原有的模型基础上做出改进．具体的方程形式为：
ｋ方程：
河北工业大学学报第３６卷
丧（ｐ训＝一去［（∥＋等）甏］＋Ｇｋ—Ｐｓ
一（警＋弓皆ｍ虢篙以器＋舞）（２）
ｓｋ
￡方程：
丧（ｐ巧￡）２去［（∥＋等）轰］＋（Ｃ１。Ｇｋ—Ｃ２。Ｐｓ）｝
一ｃ警＋吐萨ｍ絮浮击ｃ器，篙㈤
ｓｃ
其中：／ｘ，为湍流粘性系数，假定为肛＝ｐＣ～ｓ－一；玩嘲表示时均速度的模，即｜＿ＩＶｍａｇ＝（可劫”；Ｇｋ为湍流动能产生项；Ｇ、Ｃ…Ｃ２。、Ｃ。、巴分别为近似处理的模型修正系数；Ｏ－Ｋ、仉分别为ｋ方程和￡方程的湍流普朗特数，各模型系数值为Ｇ＝０．０９，Ｃ。。＝１．４４，Ｇ。＝１．９２，巩＝１．０，仉＝１．３；Ｃ。＝１．８，Ｃ：＝１０．与ＦＬＵＥＮＴ提供的ｋ一￡方程相比，式（２）和（３）中的＆和＆即为在原有的ｋ一￡方程中添加的源项．在实际的求解过程发现，采用如上的源项的方法最终在多孔介质中会使湍流强度接近于零．需要在ｋ－ｅ方程中添加新的项来扩展低雷诺数模型口１．
根据量纲分析，并认为湍流源项与流体动能成正比．所添加的正源项分别为：ｓ：：￡镑羚，巧和ｓ：＝鱼篇新，与式（２）和（３）中的＆和＆一起作为新的源项进行求解．其中，Ｄ为管径，４为
多孑Ｌ介质平均孔径，Ｒｅ。＝也避砬．根据Ｈａｌｌ等吲所做的实验结果：平均孔径为２ｍｉｉｌ的泡沫陶瓷中孔隙雷诺数为１２０时产生湍流度大约０．６，本模型取值ｃｔ＝６０，Ｃ～２．
１．３几何模型及网格划分
对多孔介质燃烧器中预混燃烧的模拟，根据试验条件，取泡沫陶瓷层厚度为１００ｍｍ，泡沫陶瓷层上游为１０ｍｍ厚度的直孑Ｌ板，把计算域从多孔介质入口和出口各扩展１０ｍｍ，这样，计算域总长度为１３０ｒａｉｎ．根据模型假定，该问题的几何模型为二维轴对称结构，如图１所示．直孔板和泡沫陶瓷都作为多孔介质处理，只是孔隙率和固体物性参数不同而已．
图１儿伺模型不意图
Ｆｉｇ．１Ｇｅｏｍｅｔｒｙｍｏｄｅｌｓｋｅｔｃｈｍａｐ
因为在处理多孔介质时等同于特殊的流体区域，所以在网格划分方面并没有特别的要求．径向布置网格时，近壁面网格密度大，中心轴线网格密度小；轴向布置时，在直孔板和泡沫陶瓷前两段密度较大，其余部分较小．全部为四边形网格，最小面积约为１０‘７ｍ２，最大１０。５ｍ２，计算域网格总数为１６０００个．１．４多孔介质区域特性参数设置
１。４．１阻力系数
对于多孔介质中的稳态燃烧问题，在动量方程中需要设定二个阻力系数：粘性阻力系数ｌ／Ｋ，和惯性阻力系数ｃ．但是对于所用的泡沫陶瓷材料，粘性阻力系数和惯性阻力系数与泡沫陶瓷的孔隙率、孔径等结构参数以及孔隙雷诺数有关．本文采用吕兆华ｎ踟提出的立方框架结构近似计算模型得到各阻力
第２期王恩宇，等：基于ＦＬＵＥＮＴ对惰性多孔介质中湍流预混燃烧的模拟９７
系数：粘性阻力系数１／Ｋ，＝３２／（粥）（妒为孑Ｌ隙率，４为孔隙平均直径，ｍ），惯性阻力系数ｃ＝２Ｆ／拙（Ｆ为泡沫陶瓷结构相关的系数“州）．
１．４．２辐射特性参数
根据ＦＬＵＥＮＴ软件包提供的辐射模型适用范围，本文采用ＤＯ辐射模型求解．需要给定多孔介质的吸收系数和散射系数．根据测算，发现ＦＬＵＥＮＴ程序中，并不直接计算给定的固体的辐射，而多孔介质固体的辐射贡献是不可忽略的．所以本文把固体的辐射特性和气体的辐射特性之和作为混合气的辐射特性来给定．实际上在多孔介质区域中固体的吸收系数和散射系数远远高于气体的吸收和散射系数，气体的辐射特性可以忽略不计，而在无多孔介质的区域可以把气体的辐射考虑进来．根据有关文献ＩｌｔＡ２ｌ的理论和实验结果，对于本文孔径为０．５ｌｌ＇Ｌｒｎ的泡沫陶瓷，辐射特性参数取为：散射系数１０９８，吸收系数３０１．根据试算结果，取反应后的气体吸收系数为０．９，而预混气体的吸收系数为Ｏ．５，所有气体散射系数取为０．整个计算域的辐射吸收系数和散射系数通过用户自定义函数以分段函数形式在材料特性中给定．
１．４．３化学反应动力学参数
考虑多孑Ｌ介质中的燃烧过程属于小尺度弱湍流，本文虽然对多孔介质中的流动过程作了湍流处理，但在计算燃烧过程时，仍由Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ公式计算甲烷一空气两步反应化学的反应速率，详细的化学反应动力学参数按照ＦＬＵＥＮＴ程序库提供的数据给定．
１．５边界条件
对边界条件的设定包括入口速度边界、压力出口边界和壁面边界．近壁区模拟采用壁面函数法．在八１３边界，设定为速度入１：３，温度为常数，Ｚ。＝３００Ｋ，本文以当量比妒＝ｏ．７５，燃烧强度ＦＲ＝１３７８ｋｗ／ｍ２为例，入口平均速度为Ｏ．５２Ｉｍ／ｓ，管流雷诺数约为ｌ３５０，属于层流范围．采用湍流强度和水力直径的方法定义湍流强弱，入口湍流强度定为０．１‰水力直径定义为等于燃烧管直径ｏ．０４ｍ．入口辐射设定为３００Ｋ下的黑体辐射．
出口边界条件，设定为压力出口类型，模型出１：３距离实际燃烧器出口较近，压力降很小，所以把出口相对压力设定为零，ｐｏ。＝０．选择了湍流模型以后，需要对出Ｅ１回流湍流进行设定。，不过本文实际过程基本不涉及回流，所以出口湍流的设定值并不重要．出口辐射温度指定如下：首先把辐射温度指定为出口烟气温度，计算得到出口平均温度；然后把外界温度和出口烟气温度的平均值作为出口辐射温度来模拟计算．
模拟绝热燃烧过程，壁面设为绝热壁面，没有热通量和质量通量通过；壁面无滑移条件假定，壁面上速度为零．
２计算结果及分析
本模型中考虑了湍流的影响，对多孔介质中的湍流模型通过ＵＤＦ进行了修正，使得多子Ｌ介质中的流场更加合理．因为，如果把多孔介质区域作为普通的管流区域计算湍流，会使得壁面的速度比中心高，明显是不合理的＋采用层流模型和湍流模型计算结果比较如图２．从图中可以看到，采用层流模型计算的火焰面偏向上游。而且是弯曲的．而湍流模型计算结果使得火焰面更接近于平面，火焰区径向的温度分布和速度分布更加均匀．
图３为４＝Ｏ．５／Ｔ／Ｉｌｌ的均匀多孔介质中各种成分的质量分数和第一个反应的Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ速率月。在轴线上的分布．从图中可以看出，各种成分的浓度变化主要在反应区，火焰厚度大约为２１＂１１１１１，比自由火焰的厚度（ｏ．１一ｌｍｍ）略厚．这是因为多孔介质固体材料的导热系数远高于气体的导热系数，使得综合导热系数大大提高，加快了火焰面的热量散失所致．
图４给出了均匀多孔介质中计算预示和试验测量的壁面温度分布的对比．图中ＦＲ为燃烧强度，西
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为当量比．从图中可以看出，壁面温度分布的理论预示结果和试验结果在趋势上是一致的，但二者依然存在较大的差异，计算值明显高于试验值，而且在多孑Ｌ介质区域沿着轴线方向变化很小．
ａ）速度分布
ｂ）温度分布图２湍流模型和层流模型速度和温度分布比较
Ｆｉｇ．２Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｏｕｒｓｂｅｔｗｅｅｎｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｍｏｄｅｌａｎｄｌａｍｉｎａｒｍｏｄｅｌ
图３ＨＰＭ中各物质成分和化学反应速率在轴线的分布，
以＝０．５ｍｍ
Ｆｉｇ。３Ｓｐｅｃｉｅｓｍａｓｓｆａｃｔｉｏｎａｎｄｒｅａｃｔｉｏｎｒａｔｅｏｎｃｅｎｔｅｒｌｉｎｅ
ｉｎｔｈｅＨＰＭｂｕｒｎｅｒ，玩＝０．５ｍｍ
图４ＨＰＭ中壁面温度的计算预示和试验结果对比Ｆｉｇ．４ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｗａｌｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｉｎｔｈｅＨＰＭｂｅｔｗｅｅｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ产生以上差异的原因可以归于以下几个方面：首先，试验用燃料为天然气，而计算模拟的燃料气为
甲烷，甲烷热值比天然气稍高些，温度曲线也应该稍高些，但相差不大．其次，在计算中采用了绝热壁面的假定，实际试验结果表明燃烧室壁面的热量损失是不可忽略的，所以计算温度比试验测定温度会偏高．第三，没有考虑湍流对燃烧速率的影响，或许也是造成误差的原因之一．此外，在实际的试验中，多孔介质孔径的分布并不是完全均匀，火焰在多孔介质中的分布也不是简单的平面形状，而且还有可能出现分层、分块，使火焰分散．理论模型反映的是一个理想的情况，无法真实反映在实际中出现的火焰偏移现象，也是模拟计算和实际试验测量结果会有较大差异的原因．
３结论
本文对ＦＬＵＥＮＴ软件提供的湍流和辐射模型作了必要的修改，运用到多孔介质中的燃烧问题求解．
数值模拟得到了甲烷一空气在均匀多孔介质中预混燃烧的速度场、温度场和浓度场．结果表明本文采用
的修正的湍流模型比层流及ＦＬＵＥＮＴ提供的标准ｋ吨湍流模型结果更加合理，理论计算结果和试验结果
第２期王恩宇，等：基于ＦＬＵＥＮＴ对惰性多孔介质中湍流预混燃烧的模拟９９
也表现出了较好的一致性．
总的来说，本文建立的二维多孔介质燃烧模型对宏观研究多孔介质特性参数对其中燃烧特性的影响规律是合理的，利用ＦＬＵＥＮＴ软件求解多孔介质中燃烧问题是有效的．但为了追求更为详细和精确的结果，下一步应该考虑湍流对燃烧的影响是否可以忽略的问题，并引入详细化学反应机理，以获得中间燃烧产物的浓度分布结果．
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基于FLUENT对惰性多孔介质中湍流预混燃烧的模拟
作者：王恩宇， 吴晋湘， 刘联胜， 刘连军， WANG En-yu， WU Jin-xiang， LIU Lian-sheng ， LIU Lian-jun
作者单位：王恩宇,吴晋湘,刘联胜,WANG En-yu,WU Jin-xiang,LIU Lian-sheng(河北工业大学,能源与环境工程学院,天津,300132)， 刘连军,LIU Lian-jun(天津市红桥区房产供热公司,天津
,300130)
刊名：
河北工业大学学报
英文刊名：JOURNAL OF HEBEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
年，卷(期)：2007，36(2)
被引用次数：2次
参考文献(12条)
1.Mathis W M.Ellzey J L Flame stabilization,operating range,and emissions for a methane/air porous burner 2003(05)
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3.Amanda J B.Guillaume D.Janet L E Numerical study of the effects of material properties on flame stabilization in a porous burner 2003(04)
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相似文献(10条)
1.期刊论文郑中青.李艳红.胡国新.ZHENG Zhong-qing.LI Yan-hong.HU Guo-xin惰性多孔介质内天然气预混燃烧
的数学模拟评述-能源技术2007,28(4)
天然气在惰性多孔介质内的预混燃烧是一个包含燃烧、辐射、对流及导热的复杂过程,从数学模拟的角度,比较了几种不同的甲烷-空气化学反应模型,研究了多孔介质内辐射传递方程的不同求解方法,并且分析了多孔介质的导热系数、对流换热系数等对燃烧器性能的影响.
2.学位论文郑中青天然气在惰性多孔介质内预混燃烧的数值模拟研究2007
为缓解能源结构不合理造成的环境污染问题，我国加快了天然气的使用力度，发展高效、低污染排放的天然气燃烧技术具有非常重要的现实意义。天然气在惰性多孔介质内的预混燃烧技术在很多方面体现出了其优越性，成为近年来燃烧领域的研究重点之一。
本文对天然气在惰性多孔介质内的预混燃烧过程进行了数值模拟研究。在数值模拟过程中，为了保证结果的准确性，本文用分子动力学理论详细计算各组分的热物性参数和传输参数，包括比热容、粘性系数、扩散系数以及导热系数等。
YIX方法是求解辐射传递方程的一种新方法，在求解非均匀介质中的辐射传递方程方面具有处理方便、准确性高等优点。本文用YIX方法对惰性多孔
由于火焰附近的温度梯度很大，本文采用非均匀网格，用有限差分法对控制方程组进行了离散，在此基础上用Fortran语言编写了计算程序。在计算过程中，用牛顿法求解非线性方程组。由于火焰传播问题是特征值问题，本文采用固定燃烧器内某一点温度的方法求解。
对数值模拟结果的分析表明，多孔介质的辐射以及气体和固体间的对流传热是影响惰性多孔介质燃烧器性能的主要因素。对流传热系数的增加会增加气体和多孔介质固体之间的热量交换，从而减小两者之间的温度差。多孔介质衰减系数的提高意味着辐射传热能力的下降，导致反应区向火焰上游和下游传递的热量减少，从而提高了反应区的温度。
3.会议论文王素娟.孙锐多孔介质中甲烷-空气预混燃烧的数值模拟2006
本文考虑向燃烧室中插入高孔隙率的多孔介质,根据气固两相局部非热平衡假设,建立了混合气体在惰性多孔介质中预混燃烧的一维数学模型,模拟出了不同情况下甲烷和空气的预混合气在多孔介质中燃烧时的温度分布及气体流速、当量比和吸收系数对燃烧室气体温度峰值的影响.结果表明,多孔介质的存在明显改善了燃烧室的换热性能,强化了对新鲜混和气的预热,降低了热量损失.数值模拟的结果与理论分析是一致的。
4.会议论文王恩宇.程乐鸣.骆仲泱.岑可法基于FLUENT软件的惰性多孔介质中预混燃烧模拟2006
惰性多孔介质中的燃烧过程涉及到许多的物理化学过程,各个过程又相互作用、相互耦合,使得对多孔介质中的燃烧过程精确求解非常困难.本文通过对多孔介质中燃烧过程进行必要简化,采用了多孔介质气固间局部热平衡假定,建立了二维的湍流燃烧模型.利用计算流体力学商业软件FLUENT进行了数值模拟,得到了多孔介质中甲烷-空气预混燃烧的特性.本文针对FLUENT6.1的多孔介质模型通过用户自定义程序作了两点修正.首先,对FLUENT软件的多孔介质中湍流处理进行了改进,考虑了多孔介质对湍流的影响作用,多孔介质中的计算流场更加合理,流速均匀且消除了近壁面出现高速区而中心低速的不合理速度场.其次,对FLUENT中多孔介质的辐射进行了改进处理,考虑了多孔介质固体骨架的辐射换热,把多孔介质固体的辐射特性加入到混合气体中综合考虑.计算结果显示多孔介质中温度分布均匀,壁面温度和中心温度相差很小,比FLUENT软件不考虑多孔介质的辐射结果更加合理.通过计算甲烷-空气的两步反应,得到了多孔介质中速度场、温度场和浓度场的分布理论预示结果,并与试验结果进行了比较,发现二者趋势一致.本文结果表明,利用FLUENT软件求解多孔介质中燃烧问题是有效的。
5.期刊论文王素娟.孙锐.WANG Su-juan.SUN Rui多孔介质中预混式燃烧的数值研究-节能技术2007,25(4)
本文考虑向燃烧室中插入高孔隙率的多孔介质的燃烧过程,根据气固两相局部非热平衡假设,建立了混合气体在惰性多孔介质中预混燃烧的一维数学模型,模拟了不同条件下甲烷-空气的预混合气在多孔介质中燃烧时的温度分布及气体流速、当量比和吸收系数对燃烧室气体温度峰值的影响.结果表明,多孔介质的存在明显改善了燃烧室的换热性能,强化了对新鲜混合气的预热,加速了燃烧反应的进行,燃烧室利用率提高.
6.学位论文赵平辉惰性多孔介质内预混燃烧的研究2007
多孔介质内燃烧技术具有燃烧效率高、污染物排放低的优点，已经成为国内外研究的一个热点。本文采用数值模拟和实验的方法，对多孔介质内预混燃烧过程的机理进行了分析研究。数值模拟是本文的重点，主要包括三部分内容：一维多孔介质内预混燃烧的模拟、考虑湍流的多孔介质内预混燃烧的模拟和二维多孔介质内预混燃烧的模拟。
采用一维稳态层流反应流模型对多孔介质内的预混燃烧进行数值模拟是本文最主要的内容。模型考虑气固之间的对流换热和气相的弥散效应，采用详细的化学反应机理和双通量辐射传递方程。由于一维稳态层流火焰面的求解是一个特征值问题，文中还对该问题的数值求解方法进行了研究，通过对初值、迭代方法和网格等的优化，数值计算的稳定性和收敛性大大增强。
本文首先分析不同化学反应机理和弥散效应模型对计算结果的影响。研究表明，在当量比较小时，一步反应机理与详细机理的计算结果基本一致
；在当量比较大时，使用一步反应机理会产生较大的误差，需要使用详细的反应机理，其中GRI 3.0精度最高，GRI 2.11和GRI 1.2次之，Peters最差
；在当量比较大时，弥散效应对多孔介质内燃烧影响很大，考虑弥散效应可以大大改善计算的结果。
本文还对单层和双层多孔介质燃烧器内的火焰结构、火焰传播及驻定机理、污染物排放、辐射输出效率等问题进行研究。结果表明，相比于自由流中的预混燃烧，多孔介质内燃烧可以实现超绝热火焰温度、拓宽贫燃极限、提高层流火焰传播速度、减少污染物的排放；单层多孔介质燃烧器不利于火焰驻定在多孔介质内，双层多孔介质燃烧器易于把火焰驻定在交界面附近，可以防止回火和吹脱。
当气流速度较大时，层流模型的计算值与实验值有较大的差距，需要考虑湍流的影响。本文推导了多孔介质内燃烧的一维湍流模型，并进行了数值计算。结果表明，用湍流模型计算的火焰传播速度、NO和CO的排放量比层流模型更接近实验值，说明考虑湍流效应可以改善数值计算的结果。但是NO的计算值与实验值仍有较大差别，需要考虑更精确的模型。
为了考虑由壁面粘性和散热引起的火焰面结构的多维效应，并对前面模拟中的一维假设进行检验，使用二维层流反应流模型对多孔介质内的预混燃烧进行模拟。结果表明，多孔介质内的边界层很薄，且厚度一定，流动和燃烧可以近似为一维情形，多孔介质内主流区的火焰结构与使用一维模型的计算结果相似。
通过实验对多孔介质内的预混燃烧火焰进行观察和测量。实验使用丙烷/空气预混气，多孔介质材料选为氧化铝泡沫陶瓷。实验得到的结论验证了前面的计算结果。
7.期刊论文杜礼明.解茂昭.DU Li-ming.XIE Mao-zhao多孔介质预混燃烧中辐射属性影响的敏感性分析-工程热
物理学报2005,26(z1)
建立了惰性多孔介质中预混合燃烧的数学模型,采用辐射传递的有限体积法求解固相能量方程中的辐射源项,研究多孔介质热辐射在燃烧系统中的作用,考察辐射属性(吸收系数和散射反照率)对轴向温度场和辐射热流量影响的敏感性.研究表明,辐射属性参数波动对预测结果影响明显,固体热辐射在多孔介质预混燃烧中的影响不可忽略.
8.会议论文杜礼明.解茂昭多孔介质预混燃烧中辐射属性影响的敏感性分析2004
建立了惰性多孔介质中预混合燃烧系统的数学模型,对气相和固相采用独立的能量方程,以考虑两相间的局部非热平衡,两个能量方程之间通过对流换热系数耦合起来.应用有限容积法求解辐射换热方程,研究了辐射属性(吸收系数和散射反照率)对轴向温度场和辐射热流量影响的敏感性.研究表明,辐射属性参数波动对预测结果影响明显,固体热辐射在多孔介质预混燃烧中的影响不可忽略.
9.学位论文林博颖惰性多孔介质内的液雾燃烧2008
针对日益突出的能源和环境问题，为发展清洁低能耗的燃烧技术，本文用数值模拟的方法研究了燃料液雾在惰性多孔介质内的流动燃烧过程，分析其燃烧特性。在多孔介质内组织燃烧可以提高燃烧系统的效率，同时降低污染。多孔介质燃烧器有其独有的特点：结构紧凑，超绝热火焰温度，拓宽的贫燃极限，低污染，燃烧过程更易控制等。
对文献资料中出现的有关多孔介质的几何结构和其中发生的输运过程的研究成果做了系统整理，以便对多孔介质的性质有个准确把握，为建立准确的数学模型奠定基础。介绍了孔隙率、比面、弯曲率、相关函数、孔径分布、逾渗概率等几何结构特征参数和毛细管模型、隙缝模型、颗粒模型、孔隙网络模型、逾渗模型等几何结构模型；介绍了比流量、渗透率、流体动力弥散等流体力学输运性质，界面张力、湿润性、毛细压力等界面属性和传热传质输运特性。
阐明了模拟多相多尺度问题的连续介质方法的基本思想和表征体元、孔隙率等基本概念，介绍了连续介质方法中的唯象方法和上升尺度方法。详细介绍了经典混合物理论和经典不可逆热力学。对唯象方法中的不溶混混合物理论，上升尺度方法中的平均理论作了简要介绍。
应用上升尺度方法中的杂化混合物理论和经典不可逆热力学原理，推导得出了存在化学反应多相混合物体系的较为严格的杂化混合物理论模型。宏观守恒方程是将微观守恒方程在表征体元上体积平均得到，将微观热力学第二定律的熵不等式和微观Gibbs方程等状态函数之间的热力学关系也在表征体元上体积平均，得到宏观熵不等式和宏观热力学关系。用Lagrange乘子将宏观熵不等式、守恒方程、热力学关系组合成增广熵不等式，选取Lagrange乘子削去增广熵不等式中的物质导数项，确认出熵流部分和熵产部分。依据经典不可逆热力学的一般原则，将热力学流表示成热力学力的函数式，即找出本构关系，完成方程组的封闭。
数值工作首先从较为简单的零维模拟开始，采用详细化学反应机理，应用零维情形的杂化混合物理论模型，模拟了微小空腔内气体的预混燃烧，通过有无填充多孔介质的对比，分析了多孔介质在微小尺度燃烧领域的应用前景。研究了填充多孔介质对微小型化学推进器性能的影响。微小尺度下系统内部很容易达到热平衡，体现不出多孔介质的回热作用；但多孔介质的大热容量却能保证系统具有良好的热稳定性。通过用详细化学反应机理研究定容
条件下正庚烷液雾在多孔介质中的瞬态着火过程，模拟了液体燃料在内燃机中的点火过程。多孔介质内燃机的点火延迟期会比传统柴油机显著缩短，而且受工况影响很小，有利于内燃机的点火控制。将杂化混合物理论模型具体应用于正庚烷液雾在惰性多孔介质中的流动、蒸发、燃烧过程。作一维假定，考虑了液雾与气体之间的对流换热过程、液雾与多孔介质固体骨架之间的碰撞接触传热过程、多孔介质对液雾的辐射加热过程。采用了自适应网格的Eluer-Lagrange数值解法，辐射传递方程采用离散坐标法求解。对程序代码进行了较系统地检验。考察了迭代过程中残差的下降程度，确定了迭代收敛判据。通过在经由系统加密的网格上进行计算，分析了单调收敛、收敛阶数、网格无关性等离散误差特征，应用Richardson外插对离散误差作了定性地估计。计算结果验证了超绝热火焰温度现象；辐射加热、与固体壁面的碰撞传热会显著影响到较大液滴的蒸发过程，使其比经典的直径平方律更快
；ZrO2多孔介质中的辐射场基本是各向同性的；多孔介质中的辐射传热对液雾的燃烧过程有重要影响。
10.会议论文赵平辉.陈义良.刘明侯.张根烜.丁敏.姜海多孔介质内预混燃烧的数值研究
本文使用数值模拟方法研究了甲烷/空气预混气在惰性多孔介质内的一维层流预混火焰的燃烧过程,使用详细的化学反应机理GRI3.0，详细考察了多孔介质构架中辐射换热、气固之间对流换热的影响。
引证文献(1条)
1.张起祥.李朝阳.张晓英.卢培民基于FLUENT的燃煤器燃烧模拟及结构改进[期刊论文]-铸造设备与工艺 2009(3)
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