自由堆积多孔介质内超绝热燃烧的试验研究

稀薄预混气体在多孔介质中超绝热燃烧的研究多孔介质具有很大的比表面积、良好的蓄热和换热性能，可以在燃烧技术中发挥重要作用。

与自由空间中的传统预混合燃烧相比，多孔介质中的预混合燃烧在降低污染性尾气排放、扩展可燃极限、提高热效率、辐射热输出和节约能量等方面具有显著优越性。

预混合气体在多孔介质中往复式流动下的超绝热燃烧(以后简称为RSCP)是一种全新的多孔介质预混合燃烧技术，由于嵌入了往复流动换向装置，RSCP燃烧器不仅具有混合气单向流动多孔介质燃烧器的优点和特点，还有一些更有吸引力的燃烧特性。

本文通过理论分析、数值计算和实验观测，对RSCP技术进行了较为全面的研究，主要完成了如下几个方面的工作： 1．从“容积平均”假设出发，在前人的理论基础上，借助流体力学的基本原理，通过严密的数学分析，推导出一套气体反应流在各向同性多孔介质中的体积平均输运方程。

该方程组简洁直观，通用性强，可直接应用于模拟不同条件下的混合气在惰性多孔介质中的流动和反应过程，由于模型中考虑了气、固两相局部非热平衡，因此尤其适用于模拟预混合气在多孔介质中的流动和燃烧反应。

2．分析了RSCP燃烧器的工作原理，详述了多孔介质和换向装置在其中的作用，从理论上对超绝热火焰产生的依据以及如何实现超绝热度的最大化作了深入分析，研究了强化预热对可燃极限的影响，对RSCP系统的热力学效率进行了探讨，将前人的研究加以系统化，总结出了若干重要结论。

3．在本项研究的具体条件下，应用多孔介质中气体反应流的通用输运模型，建立了RSCP系统的二维数学模型，运用辐射换热的有限容积法这一新方法求解辐射换热方程，较深入研究了多孔介质燃烧器中的固体辐射换热，成功地实现了光学厚介质的非表面辐射计算与流场及燃烧计算的耦合。

4．通过数值方法研究了冷、热态环境下多孔介质对气体反应流的压力损失影响，结果发现，热态环境下多孔介质对气流的阻力损失影响比冷态环境下大得多，但孔隙率大的多孔介质对气体反应的阻力损失并不大。

多孔介质内H2S超绝热燃烧制氢的数值模拟李国能;周昊;钱欣平;凌忠钱;岑可法【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2006(57)9【摘要】为探索H2S在多孔介质内超绝热燃烧裂解制硫制氢的机理,采用计算流体力学(CFD)与CHEMKIN相结合的方法,使用标准k-ε湍流模型和一个17组分、57步复杂化学反应机理,模拟了H2S在直径为3 mm的Al2O3圆球堆积成的多孔介质内的燃烧,模拟结果与实验数据基本吻合.模拟结果显示:多孔介质内H2S的燃烧温度超过了绝热燃烧温度,为H2S的裂解制硫制氢提供高温环境,富燃条件下H2S 部分地裂解生成单质硫和氢气.另外,对采用的复杂化学反应机理是否适用于多孔介质内H2S燃烧时各向异性火焰的模拟作了有意义的探索.【总页数】5页(P2175-2179)【作者】李国能;周昊;钱欣平;凌忠钱;岑可法【作者单位】浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,浙江,杭州,310027;浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,浙江,杭州,310027;浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,浙江,杭州,310027;浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,浙江,杭州,310027;浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,浙江,杭州,310027【正文语种】中文【中图分类】TK124【相关文献】1.自由堆积多孔介质内超绝热燃烧的试验研究 [J], 凌忠钱;周昊;李国能;岑可法2.多孔介质内甲烷超绝热燃烧制氢联合概率密度模拟 [J], 李国能;周昊;钱欣平;陈静;岑可法3.多孔介质内H_2S贫氧燃烧制氢数值模拟 [J], 凌忠钱;周昊;钱欣平;李国能;王子兴;岑可法4.考虑弥散效应的多孔介质中超绝热燃烧的数值模拟 [J], 史俊瑞;解茂昭5.甲烷在多孔介质中过滤燃烧制氢的数值模拟 [J], 解茂昭;马坤;芦宁;史俊瑞因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

《采空区遗煤的多孔介质特征及自燃模型研究》篇一一、引言煤炭采空区内的遗煤管理，在保障煤矿安全高效开采过程中占据重要地位。

尤其遗煤作为采空区内易积聚煤炭资源的一种状态，其物理特性和化学反应特性的研究对矿井的稳定运营及矿井内环境污染与火势控制的难度起着关键性影响。

本文主要围绕采空区遗煤的多孔介质特征以及自燃模型进行详细探讨。

二、采空区遗煤的多孔介质特征多孔介质指包含众多相互连通或封闭的孔隙的固体材料。

采空区遗煤作为一种多孔介质，其特征主要表现在以下几个方面：1. 孔隙结构：遗煤的孔隙结构复杂，包括大孔、中孔和小孔等，这些孔隙为空气、水分和煤的氧化反应提供了空间和条件。

2. 渗透性：遗煤具有较低的渗透性，这一特性使采空区内积聚的瓦斯、水等不易流经煤层。

3. 比表面积：比表面积是指单位体积或质量物质的表面积，对化学反应的速度影响极大。

采空区遗煤的比表面积较大，这使得氧化反应的表面和热源接点更加集中。

三、遗煤自燃的物理与化学基础自燃现象指因内在原因或外在诱因，而发生自发燃烧的过程。

就遗煤而言，其自燃过程主要基于物理吸附和化学氧化两个过程。

1. 物理吸附：遗煤在多孔介质中吸附氧气和水蒸气等物质，为后续的氧化反应提供条件。

2. 化学氧化：在一定的温度和氧气浓度下，煤中的有机物与氧气发生化学反应，产生热量。

当热量积累到一定程度时，便可能引发自燃。

四、自燃模型研究为了更好地理解并预测采空区遗煤的自燃现象，我们需要构建自燃模型。

这种模型可以解释多孔介质中的煤自燃过程中，热量如何生成和积累以及热流的传输规律等。

一个常见的自燃模型主要包括了物理-化学参数如孔隙度、渗透性、温度场以及物理化学吸附模型与化学反应速率模型的联合模拟等。

这些模型能够帮助我们理解自燃过程的主要影响因素及其作用机制。

五、研究方法与结论研究主要采用实验研究和模拟研究相结合的方法。

首先通过实验测量多孔介质的物理特性，如孔隙结构、渗透性等；然后利用化学反应动力学理论分析自燃过程，通过数学模型描述该过程；最后利用计算机模拟软件对自燃过程进行模拟，分析影响因素及热流传输规律等。

可燃多孔介质堆积状态下热特性的模拟研究×粘素环，郝英立，许忠林，施明恒东南大学能源与环境学院，南京（210096）E-mail：mhshi@摘要：对堆积条件下可燃多孔介质（弹药）的热特性进行了数值模拟，通过比较几种不同情况下箱装弹药所处的温度场、速度场，得出了箱子的排放状况、窗口的位置、入流的温度对箱装弹药安全性的影响。

通过计算发现：来流温度越低，库房内温度最大值越低，箱装弹药越安全；在入风窗口高度一定时，箱子的堆放高度存在一个最大值，此最大值与窗口位置相关联；相对于出风窗口，入风窗口对流场的影响较大。

本文为堆垛条件下箱装弹药的安全贮存提供了依据。

关键词：可燃多孔介质，堆积，环境状况，数值模拟0 引言在弹药各部件中，发射药最易受环境影响分解放热而发生自燃或自爆，它在一定条件下的不安全性决定了弹药发生自燃自爆的危险性。

因此发射药的安全贮存十分令人关注。

目前，国内外对发射药的热自燃条件进行了一些研究。

由于发射药的热自燃取决于发射药放热与弹药系统散热是否平衡，所以堆积情况和环境因素对堆积弹药的热自燃过程影响很大。

姜培学等[1] [2]通过在实验室进行的小模型试验及在野外进行的大模型试验的结果比较，确定了发射药热自燃的反应模型并对环境因素或边界条件对发射药热自燃现象的影响进行了数值模拟；刘礼斌等[3]研究了温度对发射药热自燃，分解放热速率以及分解反应热的影响；姜培学等[4]对具有多个离散内热源的非稳态导热与自然对流换热的耦合传热进行了数值模拟；路桂娥等[5]进行了发射药的热自燃实验；Colakovic[6]对枪炮弹药的自燃进行了可能性评估；JIANG [7]调查了促进自燃的可能性危险。

但贮存过程中的环境状况对弹药的安全贮存的影响尚未深入研究，本文用数值模拟方法系统地研究了环境状况对堆积条件下的可燃多孔介质热特性的影响，为箱装弹药的安全贮存提供了理论依据。

1 数理模型本文研究的物理模型及坐标系如图1所示。

多孔介质燃烧技术1 多孔介质燃烧技术加入多孔介质的燃烧器由于对流，导热和辐射三种换热方式的存在，使燃烧区域温度趋于均匀，保持较平稳的温度梯度。

在燃烧稳定的同时还具有较高的容积热强度。

与自由空间燃烧相比，预混气体在多孔介质中的燃烧具有功率密度大，调节范围广，污染物排放低和结构紧凑等优点。

多孔介质预混燃烧特点是燃烧设备的热效率较高，其原因有以下两个方面：①燃气与空气预先充分混合, 在过剩空气很小的情况下也可达到完全燃烧, ②由于辐射作用, 多孔介质的高温后部对低温的前部进行加热, 从而达到对未反应的燃气混合物的预热作用, 加快了燃烧速度。

因此对多孔介质传热传质和燃烧的研究具有重大的学术价值，已成为当前最活跃最前沿的研究领域之一[1]。

传统的气体燃料燃烧主要是以自由火焰为特征的燃烧。

这种燃烧需要较大的空间，火焰周围温度梯度大，容易产生局部高温。

当温度高于1500℃时，NO生x成变得明显[2]。

由于NO的剧毒性，减少其排放也显得非常重要。

传统燃烧器的x换热器主要以烟气辐射和对流换热为主，换热系数小。

多孔介质燃烧技术是一种新颖独特的燃烧方式[3]。

其与自由空间燃烧的区别在于：（1）多孔介质的空隙率很大相对于自由空间有较大的固体表面积，因而有较强的蓄热能力[4]；（2）多孔介质的存在使混合气体在其中产生剧烈的扰动，强化了换热。

（3）相对于气体来说多孔介质有较强的导热和辐射能力，可以使预混气体燃烧产生的部分热量从下游的高温区传递到上游的低温区预热未然混合气体，这样就提高了燃烧速率并可使燃料完全燃烧，减少了CO的排放；（4）多孔介质良好的换热特性是燃烧区域温度迅速趋于均匀，保持了平稳的温度梯NO生成量；（5）辐射燃烧效率最高可达度，降低了最高温度水平，减少了x80%-90%，而常规辐射燃烧器对辐射的转换效率充其量为30%[5]，在相同的热负荷下,多孔介质预混燃烧热效率较高，比本生式燃烧节约燃气30-50%[6]。

多孔介质燃烧器研究朱本奥;匡勇;刘柳;张燚;张保生【摘要】多孔介质具有大蓄热和强辐射的特点,以能够提高燃烧的经济性被人们所重视.多孔介质燃烧技术是一种相比于传统燃烧技术是一种近几年来比较新颖独特的燃烧技术,本文介绍了多孔介质应用于燃烧技术及不同类型的多孔介质燃烧器的研究现状、前景、优点和应用,分析不同类型燃烧器之间的联系,并给出各种实验性燃烧器的优缺点.对于不同的多孔介质材料的研究进行介绍.【期刊名称】《应用能源技术》【年(卷),期】2015(000)002【总页数】4页(P30-33)【关键词】多孔介质;燃烧器;渐变型;往复回流;堆积球【作者】朱本奥;匡勇;刘柳;张燚;张保生【作者单位】中国矿业大学电力工程学院,江苏徐州221116;中国矿业大学电力工程学院,江苏徐州221116;中国矿业大学电力工程学院,江苏徐州221116;中国矿业大学电力工程学院,江苏徐州221116;中国矿业大学电力工程学院,江苏徐州221116【正文语种】中文【中图分类】TK223.23近年来随着经济的进步和发展，环境和能源问题越来越受到人们的关注，为了解决燃烧过程中产生热量的低利用率和较高的排放污染物的问题，针对以上现状，近年来，各类燃烧节能技术在国内得到很大发展，比如高温空气燃烧技术(蓄热燃烧技术)能把30%被烟气带走的余热再回收60%至80%节能效果显著。

但在国内，该技术在改善加热物体的温度均匀性、减少污染物排放方面应用效果不佳；其他的有效地方法，但其对应的燃烧器有相对复杂的结构、体积大等缺点。

多孔介质燃烧新技术，是继第一代常规气体燃烧技术、第二代蓄热燃烧技术之后，目前国际上最新的第三代气体燃烧技术，它具有燃烧效率高、污染物排放低的优点，同时，兼有燃烧器体积小、结构紧凑、负荷调节范围广、燃烧稳定等优点，能广泛地应用于家用采暖系统、动力设备、汽车预热系统和各种各样的民用和工业生产过程中[1]。

在燃烧系统中引入多孔介质燃烧技术，利用多孔介质对气体或液体燃料进行充分的混合加强扰动，可使燃料的充分燃烧，多孔介质的大蓄热和强辐射，利于组织贫燃料的燃烧还能够经一步的对未燃的燃料进行预热以减少燃料达到着火点所需的燃烧热，加快燃烧速率；化学反应和热运输的过程之间有强烈的耦合作用，并且相对于传统的自由空间上的混合燃烧相比具有，火焰的稳定性比较好，燃烧效率高，多孔介质及其中的燃料与外界进行强烈的对流、导热和辐射换热，整个燃烧空间的温度比较的均匀[2]。

多入口多孔介质燃烧器的数值模拟舒文静;郭雪岩【摘要】在多入口燃烧器内加入多孔介质,以甲烷/空气为燃料,采用非预混燃烧的数值模拟方法,探究多入口燃烧器的燃烧情况.对比多孔介质燃烧与空间自由燃烧,分析了"超焓燃烧"现象;在多孔介质燃烧基础上,探究不同当量比对燃烧温度的影响;在多孔介质燃烧和不同当量比的基础上探究污染物CO和CO2的排放情况.结果表明:多孔介质燃烧可以实现"超焓燃烧"特性,燃烧火焰温度高于自由空间燃烧温度;当量比对燃烧温度影响很大,随着当量比的增大,燃烧器内最高燃烧温度升高,但燃烧过程存在一个最佳当量比0.6,超过该当量比后最高温度将不再变化;多入口多孔介质燃烧有助于减少CO和CO2的生成量.【期刊名称】《能源研究与信息》【年(卷),期】2017(033)002【总页数】6页(P112-117)【关键词】多孔介质燃烧器;超焓;非预混燃烧;当量比;数值模拟【作者】舒文静;郭雪岩【作者单位】上海理工大学能源与动力工程学院,上海 200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海 200093【正文语种】中文【中图分类】TQ052.6多孔介质燃烧是一种新型燃烧技术.相对于传统自由空间燃烧,该技术拓宽了火焰稳定性极限,降低了污染物排放,辐射输出更高,并通过多孔介质蓄热能力预热新鲜燃料,实现了“超焓燃烧”.凌忠钱等[1]通过实验研究了多孔介质燃烧中的“超焓燃烧”,验证了“超焓”现象.Kotani等[2]较早使用泡沫多孔介质进行燃烧实验,并提出利用双层多孔介质驻定火焰.文献[3-4]介绍了燃烧的一些理论背景和当量比、多孔介质材料、热负荷、进口速度等参数对火焰温度、燃烧稳定性、污染物排放等的影响.史瑞俊等[5]、姜海等[6]也对多孔介质燃烧进行了分析,发现多孔介质燃烧具有燃烧稳定、污染物排放低的特点.近年来,双层多孔介质燃烧器受到了广泛的关注,Hsu等[7]、Khanna等[8]利用部分氧化锆泡沫材料进行双层多孔介质研究,Zhou等[9]、Gao等[10]利用氧化铝小球堆积床进行双层多孔介质研究.以上有关双层多孔介质研究均表明:上、下孔隙率不同的双层多孔介质燃烧器,其火焰极易稳定在两层多孔介质交界面处.Gao等[11]实验研究了上、下游采用不同多孔材料时对多孔介质燃烧的影响,介绍了不同多孔材料燃烧的优缺点.多入口燃烧器主要用于工业锅炉.王俊等[12]研究了多股流入口燃烧器,得出了多股流多喷口燃气燃烧器与大气式燃气灶相比,热效率高,节能效果显著.徐琼辉等[13]利用数值方法研究了多股流喷口数量和排列方式对火焰结构和温度分布的影响.Mi等[14]数值模拟了进口直径对平行多入口燃烧器燃烧的影响.本文以甲烷/空气作为燃料,在多入口燃烧器基础上加入多孔介质,并与自由空间燃烧特性进行对比,分析“超焓燃烧”现象对燃烧温度和CO、CO2排放特性的影响,详细探究在多孔介质燃烧基础上不同当量比对燃烧温度和相应状态下的CO和CO2排放特性的影响.1.1 基本假设和物理模型为了简化计算,本文假设:① 二维稳态湍流模型,忽略气体辐射,多孔介质内部的固体辐射传热采用有效导热近似,气体和固体间视为热平衡;② 多孔介质视为惰性,各向同性,没有催化作用;③ 非预混燃烧模型中加入燃烧化学反应机理文件GRI-3.0.本文模拟时采用多入口燃烧器模型,燃烧器内径为61 mm,长度为80 mm.燃烧器几何尺寸如图1所示.图1中模型显示的燃烧器有三个氧气进口和三个燃料进口,相关物性参数如表1所示.1.2 数值方法本文模拟时采用FLUENT 6.3软件中的压力基(pressure-based)求解器,压力-速度耦合选择SIMPLE算法,湍流模拟采用标准湍流模型,燃烧模型采用非预混燃烧模型.流动和组分传递的控制方程分别为:质量守恒方程式中:φ为多孔介质孔隙率;ρg、ug分别为多孔介质中气体密度和平均流速;t为时间,x为x方向坐标.组分传递方程式中分别为组分i的单位体积的质量生成率、摩尔扩散通量和质量分数;ρ为密度为速度;Si为动量方程源项.动量守恒方程式中:R为多孔介质阻力项;P为压力项为速度.非预混燃烧模型中的化学平衡模型假设层流流动中反应物和产物达到化学平衡,其热力学参数均与混合物体积分数和质量分数相关.化学反应平衡模型引入富油燃烧极限(rich flammability limit,RFL),当混合物体积分数小于富油极限时采用化学平衡计算各组分浓度;当混合物体积分数大于富油极限时不采用化学平衡计算.密度平均混合分数方程为式中分别为平均混合物体积分数、气相反应的质量传递和用户自定义源项;μt为时间平均流体黏度.1.3 多孔介质区域阻力系数对于各项均匀的多孔介质,动量方程源项Sa可定义为式中:α为堆积床多孔介质的穿透性;C2为多孔介质的惯性阻力系数;νi为速度;μ为多孔介质的动力黏度.对于堆积床体,穿透性和内部阻力系数可按照Ergun[15]的半经验公式计算,即式中:L为燃烧器的长度;DP为小球的直径;ε为多孔介质的孔隙率;ΔP为多孔介质中压力降;V∞为多孔介质中过渡流的流化速度.通过式(6)可得到黏性阻力系数1/a和惯性阻力系数C2的计算式分别为2.1 多孔介质中“超焓燃烧”分析所谓“超焓” 是指在原有混合气具有的焓基础上再添加一部分焓之后的状态,是采用多孔介质取代自由空间,利用其相对于气体而言更强大的蓄热功能实现热反馈,即将燃烧产生的热量及尾气中的余热用于加热反应区上游的预混合气,从而使燃烧反应大大增强.在忽略对外热损失的情况下,火焰温度可超过与未经预热的混合气状态相应的绝热火焰温度,故又称“超绝热燃烧” .多孔介质的存在可拓宽混合气的燃烧极限,明显改善燃烧室的换热性能,强化介质对新鲜混合气的预热.多孔介质中混合气的燃烧温度和燃烧室的温度明显升高.本文对多孔燃烧和自由空间燃烧进行数值模拟和对比,温度云图如图2所示,图中温度云图的标度范围一致,易于比较.从图中可知:自由空间燃烧中,气体刚进入燃烧器后就立即混合并迅速发生燃烧反应;而多孔介质燃烧中,气体刚进入燃烧器后,由于多孔介质的存在,气体混合并不是很充分,因此在燃烧器上半部分区域燃烧缓慢,但在中、下游区域反应明显加快,温度迅速升高,且明显高于自由空间燃烧温度.为了更进一步分析多孔介质燃烧的“超焓燃烧”现象,图3给出了燃烧器轴向中心处温度分布,图中进口当量比均为0.6,且进口速度都相同.从图中可以看出,多孔介质燃烧温度明显高于自由空间燃烧温度,多孔介质燃烧最高温度(2 100 K左右)比自由空间燃烧最高温度(1 800 K左右)高出300 K左右,实现了“超焓燃烧”.自由空间燃烧中燃烧器进口处温度高于多孔介质燃烧,在火焰向下游传播过程中燃烧温度上升梯度大,但是在燃烧器中、下游,燃烧温度明显比多孔介质燃烧的低.因为多孔介质的存在,进口处气体燃烧速率低于自由空间燃烧速率,因此在燃烧器上半部分温度上升慢.但燃烧一段时间后,热量在多孔介质聚集并通过固体骨架的导热、辐射等方式对新鲜气体进行预热,使得气体在向下游传播过程中温度上升较快,燃烧温度达到“超焓燃烧”温度.2.2 当量比对燃烧温度的影响温度特性是观察火焰燃烧特性的主要方面,它直接反映燃烧器内的燃烧状况,对传热机理分析、火焰面特性研究和燃烧产物生成控制都具有指导作用.进口当量比控制的是进口燃料和氧气的体积流量比例,这对燃烧温度有至关重要的影响.因此,本文考察了不同当量比时燃烧器内燃烧温度分布以及轴向中心处温度分布,分别如图4、5所示.本文将燃烧器平均分为两部分,上半部分称为预热区域,下半部分称为燃烧区域. 图4 当量比对燃烧器内温度分布的影响Fig.4 Effect of equivalence ratio on the temperature distribution in the burner从图5可以看出,燃烧器内的燃烧温度逐渐升高,最后趋于平稳,燃烧反应进行到下游区域燃烧基本完成,因此温度趋于平稳.在当量比为0.6时,温度达到最高,为2 000 K 左右.燃烧温度高是因为气体在多孔介质燃烧过程产生大量热量,通过导热和辐射对预混区域的气体进行预热,使得燃料燃烧得更完全,且火焰基本稳定在燃烧器的中、上游.从图5可以看出,当量比对燃烧温度影响很大.燃烧温度没有燃烧区域的高是因为燃烧器下游区域进行燃烧反应时产生的大量的烟气带来了大量的热量,且反应产生的CO在该区域会继续燃烧产生热量.从图4可以看出,若当量比过大则燃烧不完全,若当量比过小,过量空气的存在使得预混气体的空截面流速增加,火焰稳定燃烧的难度增大,燃烧质量不佳,从而降低了多孔介质中的温度.因此,预混燃气在多孔介质中燃烧存在一个较佳的当量比.当量比为0.2时,燃烧温度很低,最高为1 000 K左右,此时燃烧属于富氧燃烧;随着当量比增大,燃烧温度逐渐升高;当量比为0.6左右时,燃烧温度达到最高,此时燃料和氧气燃烧反应充分;随着当量比继续增大,当量比大于1时属于富油燃烧,燃料燃烧不完全,燃烧温度不会继续上升.因此,在本文的模拟条件下,当量比为0.6时为最佳当量比,燃料燃烧反应充分.图5 不同当量比下轴向中心处温度分布Fig.5 Effect of equivalence ratio on the temperature distribution along the axis of the burner2.3 污染物排放特性多孔介质燃烧因为其“超焓燃烧”特性,燃烧产生的CO会减少.图6为自由空间燃烧和多孔介质燃烧时污染物排放曲线.在燃烧器预热区域CO2质量浓度迅速上升,而CO在一段时间后才慢慢生成,且在燃烧器下游区域生成较多,然后逐渐趋于平缓或下降.这说明燃烧反应开始后,火焰随着燃烧反应的进行向下游移动,燃烧不完全,产生CO,但燃烧器下游的多孔介质有蓄热功能,可回收大量的高温烟气余热,在火焰面下游区域形成高温多孔介质区域,进一步降低了CO的排放.图7为不同当量比时CO和CO2排放量对比.当量比为0.2时,污染物生成量均很低,特别是CO,此时燃烧属于富氧燃烧,燃料燃烧充分,CO生成量很少;随着当量比增大,CO和CO2生成量均增多;特别是当量比为0.8时,CO生成量最大,此时燃料过余,燃烧反应不充分,CO 质量浓度增大;在最佳当量比(0.6)时,反应进行到水平长度为0.02 m时才开始生成CO和CO2,说明火焰位置在此处,燃烧充分.随着燃烧的进行,CO2增加较快,而CO 生成不多且平缓.燃烧反应在此时已稳定.从图6可以看出,自由空间燃烧和多孔介质燃烧时污染物排放情况不同,在自由空间反应开始时,生成CO和CO2的速度较快,随着反应的进行,CO的产生量高于多孔介质,并从下游排出.因此,多孔介质燃烧可减少污染物排放,且随着当量比增大,燃烧产生的CO和CO2增多.当超过最佳当量比时,燃烧反应不完全,CO生成量加快.图6 自由空间燃烧和多孔介质燃烧时污染物排放曲线Fig.6 Pollutant emission curves for tradition combustion and porous combustion图7 不同当量比时CO和CO2排放量对比Fig.7 Effect of equivalence ratio on the CO and CO2 emission3 结论本文采用非预混燃烧模型对多入口多孔介质燃烧器进行了数值模拟,对比分析了自由空间燃烧和多孔介质燃烧的燃烧温度特性,考察了当量比对多孔介质燃烧器、燃烧特性和污染物排放量的影响,得到以下结论:(1) 多孔介质燃烧可实现“超焓燃烧”,且最高燃烧温度明显高于自由空间燃烧温度.“超焓燃烧”具有燃烧效率高、可扩展贫燃极限、节约燃料等优势.(2) 燃烧温度受进口当量比的影响很大,会随着当量比增大而升高,且存在一个最佳当量比,此时燃烧温度最高.超过最佳当量比时,最高温度趋于不变.本文计算得出的最佳当量比为0.6.(3) 多孔介质燃烧能有效降低污染物CO的生成.CO和CO2的生成量会随着当量比增大而增加.但当量比大于最佳当量比时,燃烧属于富油燃烧,燃烧反应不充分,CO 的生成量最高.[1] 凌忠钱,周昊,孔俊俊.多孔介质燃烧波传播中的“超焓”特性[J].浙江大学学报:工学版,2014,48(4):660-665.[2] KOTANI Y,TAKENO T.An experimental study on stability and combustion characteristics of an excess enthalpyflame[J].Symposium(International) on Combustion,1982,19(1):1503-1509.[3] HOWELL J R,HALL M J,ELLZEY J bustion of hydrocarbon fuelswithin porous inert media[J].Progress in Energy and Combustion Science,1996,22(2):121-145.[4] MUJEEBU M A,ABDULLAH M Z,MOHAMAD A A,et al.Trends in modeling of porous media combustion[J].Progress in Energy and Combustion Science,2010,36(6):627-650.[5] 史俊瑞,解茂昭,周磊.往复流多孔介质燃烧器的二维数值模拟与结构改进[J].燃烧科学与技术,2007,13(3):280-285.[6] 姜海,赵平辉,徐侃,等.多孔介质燃烧的二维数值模拟[J].中国科学技术大学学报,2009,39(4):385-390.[7] HSU P F,EVANS W D,HOWELL J R.Experimental and numerical study of premixed combustion within nonhomogeneous porousceramics[J].Combustion Science and Technology,1993,90(1-4):149-172. [8] KHANNA V.Experimental analysis of radiation for methane combustion within a porous medium burner[D].Austin,USA:University of Texas,1992. [9] ZHOU X Y,PEREIRA J C F.Numerical study of combustion and pollutants formation in inert nonhomogeneous porous media[J].Combustion Science and Technology,1997,130(1-6):335-364.[10] GAO H B,QU Z G,HE Y L,et al.Experimental study of combustion in a double-layer burner packed with alumina pellets of differentdiameters[J].Applied Energy,2012,100:295-302.[11] GAO H B,QU Z G,FENG X B,et bustion of methane/air mixtures in a two-layer porous burner:A comparison of alumina foams,beads,and honeycombs[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2014,52:215-220.[12] 王俊,刘彧,李玉强,等.多股流多喷口燃气燃烧器燃烧与传热特性分析[J].广西轻工,2009,25(5):37-39.[13] 徐琼辉,詹杰民.非预混燃烧中喷嘴结构布局影响火焰长度的变化[J].热能动力工程,2009,24(2):216-221.[14] MI J C,LI P F,ZHENG C G.Impact of injection conditions on flame characteristics from a parallel multi-jet burner[J].Energy,2011,36(11):6583-6595.[15] ERGUN S.Fluid flow through packed columns[J].Chemical Engineering Progress,1952,48:89-94.Numerical Simulation of Methane/air Combustion in a Multi-nozzle Porous Media BurnerSHU Wenjing, GUO Xueyan(School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)Abstract：Numerical investigation on combustion characteristics of methane and air in a multi-nozzle porous medium combustor with non-premixed combustion model has been parison between porous medium combustion and tradition combustion has been made to investigate “excess enthalpy combustion”.When combustion in porous medium was conducted,effects of equivalence ratio on the combustion temperature and emissions of CO and CO2 were explored.The results showed that combustion in porous medium could realize the “excess enthalpy combustion”.The maximum combustion temperature was obviously higher than that of tradition combustion.And it increased with the rising of equivalent ratio.However,there existed an optimumequivalence ratio of 0.6 in this study.Beyond this value,the maximum combustion temperature kept constant.The multi-nozzle porous medium burner could reduce the production of CO and CO2.Keywords：porous medium burner; excess enthalpy combustion; non-premixed combustion; equivalent ratio; numerical simulation文章编号：1008-8857(2017)02-0112-06DOI：10.13259/ki.eri.2017.02.010收稿日期：2014-12-31基金项目：国家自然科学基金资助项目(51176127);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20123120110009);上海市教委科研创新资助项目(12YZ096);上海市科委科研计划资助项目(13DZ2260900)第一作者：舒文静(1990—),女,硕士研究生. 研究方向:多孔介质燃烧的数值模拟.E-mail:*********************中图分类号：TQ 052.6文献标志码：A因为多孔介质的存在,进口处气体燃烧速率低于自由空间燃烧速率,因此在燃烧器上半部分温度上升慢.但燃烧一段时间后,热量在多孔介质聚集并通过固体骨架的导热、辐射等方式对新鲜气体进行预热,使得气体在向下游传播过程中温度上升较快,燃烧温度达到“超焓燃烧”温度.2.2 当量比对燃烧温度的影响温度特性是观察火焰燃烧特性的主要方面,它直接反映燃烧器内的燃烧状况,对传热机理分析、火焰面特性研究和燃烧产物生成控制都具有指导作用.进口当量比控制的是进口燃料和氧气的体积流量比例,这对燃烧温度有至关重要的影响.因此,本文考察了不同当量比时燃烧器内燃烧温度分布以及轴向中心处温度分布,分别如图4、5所示.本文将燃烧器平均分为两部分,上半部分称为预热区域,下半部分称为燃烧区域. 从图5可以看出,燃烧器内的燃烧温度逐渐升高,最后趋于平稳,燃烧反应进行到下游区域燃烧基本完成,因此温度趋于平稳.在当量比为0.6时,温度达到最高,为2 000 K 左右.燃烧温度高是因为气体在多孔介质燃烧过程产生大量热量,通过导热和辐射对预混区域的气体进行预热,使得燃料燃烧得更完全,且火焰基本稳定在燃烧器的中、上游.从图5可以看出,当量比对燃烧温度影响很大.燃烧温度没有燃烧区域的高是因为燃烧器下游区域进行燃烧反应时产生的大量的烟气带来了大量的热量,且反应产生的CO在该区域会继续燃烧产生热量.从图4可以看出,若当量比过大则燃烧不完全,若当量比过小,过量空气的存在使得预混气体的空截面流速增加,火焰稳定燃烧的难度增大,燃烧质量不佳,从而降低了多孔介质中的温度.因此,预混燃气在多孔介质中燃烧存在一个较佳的当量比.当量比为0.2时,燃烧温度很低,最高为1 000 K左右,此时燃烧属于富氧燃烧;随着当量比增大,燃烧温度逐渐升高;当量比为0.6左右时,燃烧温度达到最高,此时燃料和氧气燃烧反应充分;随着当量比继续增大,当量比大于1时属于富油燃烧,燃料燃烧不完全,燃烧温度不会继续上升.因此,在本文的模拟条件下,当量比为0.6时为最佳当量比,燃料燃烧反应充分.2.3 污染物排放特性多孔介质燃烧因为其“超焓燃烧”特性,燃烧产生的CO会减少.图6为自由空间燃烧和多孔介质燃烧时污染物排放曲线.在燃烧器预热区域CO2质量浓度迅速上升,而CO在一段时间后才慢慢生成,且在燃烧器下游区域生成较多,然后逐渐趋于平缓或下降.这说明燃烧反应开始后,火焰随着燃烧反应的进行向下游移动,燃烧不完全,产生CO,但燃烧器下游的多孔介质有蓄热功能,可回收大量的高温烟气余热,在火焰面下游区域形成高温多孔介质区域,进一步降低了CO的排放.图7为不同当量比时CO和CO2排放量对比.当量比为0.2时,污染物生成量均很低,特别是CO,此时燃烧属于富氧燃烧,燃料燃烧充分,CO生成量很少;随着当量比增大,CO和CO2生成量均增多;特别是当量比为0.8时,CO生成量最大,此时燃料过余,燃烧反应不充分,CO 质量浓度增大;在最佳当量比(0.6)时,反应进行到水平长度为0.02 m时才开始生成CO和CO2,说明火焰位置在此处,燃烧充分.随着燃烧的进行,CO2增加较快,而CO 生成不多且平缓.燃烧反应在此时已稳定.从图6可以看出,自由空间燃烧和多孔介质燃烧时污染物排放情况不同,在自由空间反应开始时,生成CO和CO2的速度较快,随着反应的进行,CO的产生量高于多孔介质,并从下游排出.因此,多孔介质燃烧可减少污染物排放,且随着当量比增大,燃烧产生的CO和CO2增多.当超过最佳当量比时,燃烧反应不完全,CO生成量加快.图6 自由空间燃烧和多孔介质燃烧时污染物排放曲线Fig.6 Pollutant emission curves for tradition combustion and porous combustion图7 不同当量比时CO和CO2排放量对比Fig.7 Effect of equivalence ratio on the CO and CO2 emission3 结论本文采用非预混燃烧模型对多入口多孔介质燃烧器进行了数值模拟,对比分析了自由空间燃烧和多孔介质燃烧的燃烧温度特性,考察了当量比对多孔介质燃烧器、燃烧特性和污染物排放量的影响,得到以下结论:(1) 多孔介质燃烧可实现“超焓燃烧”,且最高燃烧温度明显高于自由空间燃烧温度.“超焓燃烧”具有燃烧效率高、可扩展贫燃极限、节约燃料等优势.(2) 燃烧温度受进口当量比的影响很大,会随着当量比增大而升高,且存在一个最佳当量比,此时燃烧温度最高.超过最佳当量比时,最高温度趋于不变.本文计算得出的最佳当量比为0.6.(3) 多孔介质燃烧能有效降低污染物CO的生成.CO和CO2的生成量会随着当量比增大而增加.但当量比大于最佳当量比时,燃烧属于富油燃烧,燃烧反应不充分,CO 的生成量最高.[1] 凌忠钱,周昊,孔俊俊.多孔介质燃烧波传播中的“超焓”特性[J].浙江大学学报:工学版,2014,48(4):660-665.[2] KOTANI Y,TAKENO T.An experimental study on stability and combustion characteristics of an excess enthalpyflame[J].Symposium(International) on Combustion,1982,19(1):1503-1509.[3] HOWELL J R,HALL M J,ELLZEY J bustion of hydrocarbon fuels within porous inert media[J].Progress in Energy and Combustion Science,1996,22(2):121-145.[4] MUJEEBU M A,ABDULLAH M Z,MOHAMAD A A,et al.Trends in modeling of porous media combustion[J].Progress in Energy and Combustion Science,2010,36(6):627-650.[5] 史俊瑞,解茂昭,周磊.往复流多孔介质燃烧器的二维数值模拟与结构改进[J].燃烧科学与技术,2007,13(3):280-285.[6] 姜海,赵平辉,徐侃,等.多孔介质燃烧的二维数值模拟[J].中国科学技术大学学报,2009,39(4):385-390.[7] HSU P F,EVANS W D,HOWELL J R.Experimental and numerical study of premixed combustion within nonhomogeneous porousceramics[J].Combustion Science and Technology,1993,90(1-4):149-172. [8] KHANNA V.Experimental analysis of radiation for methane combustion within a porous medium burner[D].Austin,USA:University of Texas,1992. [9] ZHOU X Y,PEREIRA J C F.Numerical study of combustion and pollutants formation in inert nonhomogeneous porous media[J].Combustion Scienceand Technology,1997,130(1-6):335-364.[10] GAO H B,QU Z G,HE Y L,et al.Experimental study of combustion in a double-layer burner packed with alumina pellets of differentdiameters[J].Applied Energy,2012,100:295-302.[11] GAO H B,QU Z G,FENG X B,et bustion of methane/air mixtures in a two-layer porous burner:A comparison of alumina foams,beads,and honeycombs[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2014,52:215-220.[12] 王俊,刘彧,李玉强,等.多股流多喷口燃气燃烧器燃烧与传热特性分析[J].广西轻工,2009,25(5):37-39.[13] 徐琼辉,詹杰民.非预混燃烧中喷嘴结构布局影响火焰长度的变化[J].热能动力工程,2009,24(2):216-221.[14] MI J C,LI P F,ZHENG C G.Impact of injection conditions on flame characteristics from a parallel multi-jet burner[J].Energy,2011,36(11):6583-6595.[15] ERGUN S.Fluid flow through packed columns[J].Chemical Engineering Progress,1952,48:89-94.Numerical Simulation of Methane/air Combustion in a Multi-nozzle Porous Media BurnerSHU Wenjing, GUO Xueyan(School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)Abstract：Numerical investigation on combustion characteristics of methane and air in a multi-nozzle porous medium combustor with non-premixed combustion model has been parison betweenporous medium combustion and tradition combustion has been made to investigate “excess enthalpy combustion”.When combustion in porous medium was conducted,effects of equivalence ratio on the combustion temperature and emissions of CO and CO2 were explored.The results showed that combustion in porous medium could realize the “excess enthalpy combustion”.The maximum combustion temperature was obviously higher than that of tradition combustion.And it increased with the rising of equivalent ratio.However,there existed an optimum equivalence ratio of 0.6 in this study.Beyond this value,the maximum combustion temperature kept constant.The multi-nozzle porous medium burner could reduce the production of CO and CO2.Keywords：porous medium burner; excess enthalpy combustion; non-premixed combustion; equivalent ratio; numerical simulation文章编号：1008-8857(2017)02-0112-06DOI：10.13259/ki.eri.2017.02.010收稿日期：2014-12-31基金项目：国家自然科学基金资助项目(51176127);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20123120110009);上海市教委科研创新资助项目(12YZ096);上海市科委科研计划资助项目(13DZ2260900)第一作者：舒文静(1990—),女,硕士研究生. 研究方向:多孔介质燃烧的数值模拟.E-mail:*********************中图分类号：TQ 052.6文献标志码：A2.3 污染物排放特性多孔介质燃烧因为其“超焓燃烧”特性,燃烧产生的CO会减少.图6为自由空间燃烧和多孔介质燃烧时污染物排放曲线.在燃烧器预热区域CO2质量浓度迅速上升,而CO在一段时间后才慢慢生成,且在燃烧器下游区域生成较多,然后逐渐趋于平缓或下降.这说明燃烧反应开始后,火焰随着燃烧反应的进行向下游移动,燃烧不完全,产生CO,但燃烧器下游的多孔介质有蓄热功能,可回收大量的高温烟气余热,在火焰面下游区域形成高温多孔介质区域,进一步降低了CO的排放.图7为不同当量比时CO和CO2排放量对比.当量比为0.2时,污染物生成量均很低,特别是CO,此时燃烧属于富氧燃烧,燃料燃烧充分,CO生成量很少;随着当量比增大,CO和CO2生成量均增多;特别是当量比为0.8时,CO生成量最大,此时燃料过余,燃烧反应不充分,CO 质量浓度增大;在最佳当量比(0.6)时,反应进行到水平长度为0.02 m时才开始生成CO和CO2,说明火焰位置在此处,燃烧充分.随着燃烧的进行,CO2增加较快,而CO 生成不多且平缓.燃烧反应在此时已稳定.从图6可以看出,自由空间燃烧和多孔介质燃烧时污染物排放情况不同,在自由空间反应开始时,生成CO和CO2的速度较快,随着反应的进行,CO的产生量高于多孔介质,并从下游排出.因此,多孔介质燃烧可减少污染物排放,且随着当量比增大,燃烧产生的CO和CO2增多.当超过最佳当量比时,燃烧反应不完全,CO生成量加快.本文采用非预混燃烧模型对多入口多孔介质燃烧器进行了数值模拟,对比分析了自由空间燃烧和多孔介质燃烧的燃烧温度特性,考察了当量比对多孔介质燃烧器、燃烧特性和污染物排放量的影响,得到以下结论:(1) 多孔介质燃烧可实现“超焓燃烧”,且最高燃烧温度明显高于自由空间燃烧温度.“超焓燃烧”具有燃烧效率高、可扩展贫燃极限、节约燃料等优势.(2) 燃烧温度受进口当量比的影响很大,会随着当量比增大而升高,且存在一个最佳当量比,此时燃烧温度最高.超过最佳当量比时,最高温度趋于不变.本文计算得出的最。

热工综合试验结课作业多孔介质燃烧实验报告姓名：学号：指导老师：时间：多孔介质燃烧实验报告一、实验名称：多孔介质燃烧试验研究二、实验目的研究可燃气体混合物在耐高温、导热性能较好的多孔介质里的燃烧情况，并且与无多孔介质时加以对比。

通过监测分析燃烧室各处的温度变化来分析多孔介质对燃烧的促进作用。

三、实验背景与技术简介多孔介质中的预混燃烧方式是气体混合物在一种既耐高温、导热性能又好的特殊多孔介质材料里燃烧的过程，燃气和空气充分混合后经预热接近着火温度，然后进入多孔介质燃烧室中进行燃烧。

多孔介质，即由固体物质组成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙构成的介质。

多孔介质是由多相物质所占据的共同空间，也是多相物质共存的一种组合体，没有固体骨架的那部分空间叫做孔隙，由液体或气体或气液两相共同占有，相对于其中一相来说，其他相都弥散在其中，并以固相为固体骨架，构成空隙空间的某些空洞相互连通。

多孔介质是一种具有大孔隙率和光学厚度的透气性固体。

多孔介质的存在使燃料和氧气的接触面积变大，燃烧过程中，多孔介质内气相的燃烧放热、内部导热、对流、传质和固相内部导热、辐射及气、固两相之问的对流换热互相耦合，这种复杂的传热和化学反应过程就构成新颖、独特的燃烧方式。

燃料和氧化剂(氧气或空气)按一定的比例预先均匀混合，再送入燃烧室中进行燃烧的方法称为预混合燃烧。

多孔介质内预混合燃烧是指预混合气体通过颗粒或小球填充床、蜂窝陶瓷或泡沫陶瓷、毛毡滤芯、金属薄片叠层、纤维膨化结构等多孔介质固体框架缝隙内的燃烧。

多孔介质燃烧优点有很多，相对于气体，多孔介质具有更良好的热交换特性，使燃烧区域温度迅速趋于均匀；相对于自由空间，多孔介质有更大的固体表面积，因而具有很强的蓄热能力。

由于多孔介质的存在，在燃烧过程中，通过各种换热形式，尤其为辐射放热，大部分反应区产生的热量回流有效预热未燃混合气体，使燃烧保持更好的稳定性。

大量的研究表明多孔介质中的预混燃烧可大幅度提高燃烧速率，显著增强火焰稳定性，提高火焰温度，扩展贫燃极限，降低有害污染物的排放量。