富氧和富氢对高炉内部冶炼特征影响规律的数值模拟目录一、内容概要 (2)1.1 研究背景 (3)1.2 高炉中的氧与氢 (4)1.3 数值模拟方法概述 (5)二、实验设计和方法 (6)2.1 富氧和富氢处理对高炉内部环境影响的假设 (7)2.2 数学建模和物理模型定义 (8)2.3 模拟软件与数值方法介绍 (9)2.4 输入参数和边界条件设定 (10)2.5 计算模型验证与精确度检查 (11)三、数值模拟结果分析 (12)3.1 富氧条件下高炉内部气体成分分布 (13)3.2 富氢条件下高炉内部气体成分分布 (15)3.3 温度场和流场在各种条件下的变化 (16)四、结果讨论和对比分析 (17)4.1 不同条件对冶炼效率的影响 (18)4.2 能量利用率与烟气处理 (19)4.3 环境友好性分析 (20)五、富氧和富氢优化策略 (21)5.1 富氧条件下优化策略的探讨 (23)5.2 富氢条件下优化策略的探讨 (24)5.3 综合富氧与富氢效果 (25)六、结论与展望 (26)6.1 结论概要 (27)6.2 研究局限及未来研究方向 (28)一、内容概要本数值模拟研究旨在深入探讨富氧和富氢在高炉内部冶炼过程中的作用及其对冶炼特征的影响规律。
通过构建数学模型，结合实验数据和实际操作经验，系统地分析了富氧和富氢浓度、添加方式以及操作参数等因素对高炉冶炼过程的影响。
研究过程中，我们首先定义了高炉内部的关键变量，如温度、压力、气体成分等，并建立了相应的数学表达式来描述这些变量的变化规律。
利用先进的数值模拟技术，对不同富氧和富氢浓度下的冶炼过程进行了模拟计算。
通过对比分析富氧和富氢单独作用以及联合使用时的冶炼效果，我们发现富氧能够显著提高炉内温度和气体还原度，促进矿石的还原和渣的优化；而富氢则在降低炉内温度的同时，提高了气体的还原性和炉料的透气性。
我们还探讨了富氧和富氢的添加方式以及操作参数对冶炼效果的影响，为优化高炉冶炼工艺提供了理论依据。
惰性多孔介质内预混燃烧的研究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。
燃烧科学与技术Journal of Combustion Science and Technology 2017，23(3)：231-235DOI 10.11715/rskxjs.R201605033收稿日期：2016-05-20．基金项目：国家自然科学基金资助项目(51306129).作者简介：陈金星（1991— ），男，硕士，chenjinxing@.通讯作者：李 君，男，博士，副教授，lijun79@.多孔介质微燃烧器的稳燃范围的数值研究陈金星，李 君，李擎擎(天津大学机械工程学院，天津 300350)摘 要：应用计算流体力学软件Fluent ，对氢气/空气预混气在部分填充多孔介质的微平板燃烧器中的实验现象进行了模拟，研究了多孔介质热导率、壁面热导率、多孔介质孔隙率对稳燃范围的影响．模拟结果表明：稳燃范围的大小与多孔介质热导率呈正相关趋势，较高的多孔介质热导率将会拓宽稳燃范围；随着壁面热导率的增加，稳燃范围与壁面热导率呈V 型比例；多孔介质孔隙率也是影响稳燃范围的一个重要因素，在0.5～0.9的区间内，随着孔隙率的增大，稳燃范围也随之增大．关键词：微平板燃烧器；多孔介质；稳燃范围；数值模拟中图分类号：TK16 文献标志码：A 文章编号：1006-8740(2017)03-0231-05Numerical Study on Stability Limits of Combustionin Micro -Combustors with Porous MediumChen Jinxing ，Li Jun ，Li Qingqing(School of Mechanical Engineering ，Tianjin University ，Tianjin 300072，China )Abstract ：Based on the experimental phenomena of premixed hydrogen/air combustion in planar micro-combustors partially filled with porous medium ，numerical study was carried out to examine the influence of po-rous medium thermal conductivity ，wall thermal conductivity ，and porosity on stability limits ，using computa-tional fluid dynamics software Fluent ．The results show that stability limits have a positive correlation with porous medium thermal conductivity ，and higher porous medium thermal conductivity will broaden stability limits ．With the increase of wall thermal conductivity ，stability limits will exhibit a V-shaped pattern against it ．Porosity is also an important factor influencing stability limits ．Within the range of 0.5 to 0.9，stability limits will expand gradually with the increase of porosity.Keywords ：planar micro-combustor ；porous medium ；stability limits ；numerical simulation随着微小型科技装备的不断涌现，基于燃烧的微小型动力系统相较于化学电池而言，有着能量密度高、效率高、体积小等优点，日益成为便携式能源的潜在选择．相较于传统燃烧，微燃烧器同时也存在着散热损失大、易于壁面淬熄等不足．因此，实现微尺度下稳定、高效的燃烧，成为现阶段微燃烧研究的重点[1]．目前所知，在燃烧器内填充多孔介质是一种有效的稳燃手段，国内外诸多学者针对填充多孔介质的微燃烧做了广泛研究．Norton 等[2-3]分别研究了甲烷/空气、丙烷/空气预混气在微燃烧器中的燃烧特性与火焰稳定性，数值结果表明，壁面热导率是影响火焰稳燃烧科学与技术 第23卷 第3期— 232 —定性的重要因素．Liu 等[4]对Y 型微燃烧器做了数值研究，结果表明，微燃烧器中填充多孔介质相较于不填充多孔介质可以极大地提升燃烧的混合程度，从而有利于火焰的稳定．Zhao 等[5]的数值结果表明，相较于自由火焰燃烧器，填充多孔介质的微燃烧器具有更广阔的可燃下限、更高的火焰传播速度以及更好的火焰稳定性．Zhong 等[6]实验研究了微型瑞士卷燃烧器中的过焓燃烧，发现瑞士卷型设计可以极大地提升燃烧稳定性，同时拓展了预混气的熄火极限．Pan 等[7]研究发现，微多孔介质燃烧器具有较高的外壁面平均温度，与自由火焰燃烧器相比温度梯度更低．本课题组前期工作中，针对填充多孔介质的微平板燃烧器分别进行了实验研究和数值模拟[8-11]．模拟主要应用Fluent 软件研究了全填充多孔介质微平板燃烧器的火焰位置、火焰速度等燃烧特性．实验过程中，研究对象主要为部分填充多孔介质的微平板燃烧器，探索了燃烧器尺寸、多孔介质填充方式、预混气流速等对回火、吹熄等临界状态的影响，并确定了微燃烧器的稳燃范围．微平板燃烧器主要研究用来作为MTPV 的热源，因此，确定燃烧器的稳燃范围，使得高温区域可以集中在平板壁面而非入口或者出口处，对于MPTV 的研究工作具有指导意义．数值研究相对于实验研究而言，可以在更广泛的范围内针对稳燃范围以及其相应的临界条件做探究．本文应用计算流体力学软件Fluent ，对部分填充多孔介质的微平板燃烧器进行数值模拟，分别考察了多孔介质热导率、壁面热导率、多孔介质孔隙率等物性对微燃烧器的稳燃范围以及临界条件的影响．1 实验平台以及数值模型图1为实验系统装置示意．氢气和空气分别经过质量流量计后进入混气罐，混合后经均流器进入微燃烧器，采用红外测温仪读取外壁面温度．平板型微燃烧器的尺寸为10mm ×1mm ×20mm (不计法兰底座高度)，燃烧器材料选用不锈钢316L ，壁厚为0.5mm ．图2(a )展示了多孔介质在微燃烧器中的填充方式．采用不锈钢316L 丝网作为多孔介质材料，放置于微燃烧器内，多孔介质一端距出口7mm ，一端距入口8mm ．数值计算过程中，采用层流预混燃烧模型，多孔介质热导率为20W /(m ·K )，孔隙率0.87，微燃烧器壁面材料热导率为20W /(m ·K )，发射率0.9．如图2(b )所示，微燃烧器的入口取为速度入口，来流为氢气和空气预混气，未燃预混气温度300K .外界环境温度300K ，微燃烧器与外界之间的对流换热系数为20W /(m 2·K )．法兰底座与燃烧器出口处壁面设为绝热壁面，其余设为非绝热壁面，非绝热壁面的热损失包括与外界环境的对流换热损失和热辐射损失两部分．微燃烧器的出口设为压力出口，出口压力为0.1MPa ．氢气和空气的反应机理由9个组分和19个基元反应组成[12]．图1 实验系统示意微燃烧器的截面长宽比为10∶1，燃烧器内的流动可以近似认为二维流动．考虑到物理模型的对称性，计算中简化为二维对称面．（a ）多孔介质在微燃烧器中的填充方式（b ）微燃烧器数值模型的边界条件(非比例图)图2 数值模型示意(单位：mm )因为不锈钢铁丝网在微燃烧器中的填充方式为陈金星等：多孔介质微燃烧器的稳燃范围的数值研究 燃烧科学与技术— 233 —部分填充，故在铁丝网填充区域采用描述多孔介质的控制方程，其他区域仍为自由空间中的流动和燃烧问题．为简化计算，文中做了如下假设：①稳态燃烧；②惰性多孔介质；③多孔介质各向同性；④忽略多孔介质以及气体的辐射；⑤气体与多孔介质之间存在热 平衡[13-15]．本文应用Fluent 软件进行计算，为了保证计算准确性的同时兼顾计算时间效率，进行了网格独立性验证．分别选用5298节点、14688节点、20198节点3种网格，统一初始流速为2m /s ，当量比0.5，对比不同网格数下计算结果的外壁面温度分布曲线．如图3所示，经过网格独立性验证，14688节点的网格可以较好地满足计算需求．图3 网格独立性验证2 模型验证为了验证模型的准确性，针对部分填充多孔介质的微平板燃烧器进行了如下实验．实验过程中，分别采用u ＝1m /s 、u ＝2,m /s 、u ＝3,m /s 3个入口流速．固定预混气入口流速，调节预混气当量比Φ，依次以0.025的间隔从0.25调整到1.0．每调节一次当量比，待燃烧稳定后，读取微燃烧器的外壁面温度，从而获得壁温峰值在壁面上的位置．然后，仿照实验过程，在Fluent 中进行计算，便可得到模拟条件下的壁温峰值位置分布．图4即为3种入口流速下实验与模拟所得壁温峰值位置分布的对比．可以看出，虽然在某些工况下模拟结果与实验结果存在偏差，但是在壁温峰值点位置分布的变化趋势上，二者具有较明显的一致性，因此认为文中采用的数值模型是可行的．由图4可以看出，固定入口流速后，随着当量比的调节，壁温峰值位置在某两个当量比下分别存在着巨大的突变．依据这两种突变定义以下两种临界条件，分别是脱离多孔介质(Φ1)和吹出多孔介质(Φ2).前者为在固定流速下，当量比高于临界值时，壁温峰值的位置将脱离多孔介质，向法兰处移动并最终稳定于法兰附近；后者为在固定流速下，当量比低于某一临界值时，壁温峰值的位置将脱离多孔介质并向出口处移动．由Φ1与Φ2确定的一段当量比范围定义为稳燃范围，壁温峰值以及壁面高温区域稳定在多孔介质填充区域.（a ）u ＝1,m/s（b ）u ＝2,m/s（c ）u ＝3,m/s图4 壁温峰值点的模拟与实验对比3 结果与讨论本文中微平板燃烧器被设计为MTPV 的热源，当入口流速u ＝1,m /s 时，微燃烧器外壁面温度较低，不利于MTPV 的研究利用．因此，文中只针对u ＝2m /s 、u ＝3m /s 进行了参数化研究． 3.1 多孔介质热导率对稳燃范围的影响对于微平板燃烧器而言，壁面高温区域集中在入口或者出口处，都不利于MTPV 的有效利用．在微燃烧器的中间位置填充多孔介质，可以将火焰稳定在多孔介质区域，多孔介质具有良好的储热功能，从而将燃烧科学与技术第23卷 第3期— 234 —壁面高温区域集中于平板表面，有效扩大微燃烧器的高温表面面积，从而实现提升MTPV 效率的目的．因此，多孔介质热导率(k s )是影响微燃烧器稳燃范围的一个重要因素．从图5可以看到，k s 对Φ1、Φ2的影响不尽相同．一方面，随着k s 增大，Φ1经历短暂的下降后趋于平稳，另一方面，Φ2与k s 呈反比关系，即k s 愈大，壁面高温区域愈容易在低当量比下稳定于多孔介质填充区域．这是因为多孔介质在微燃烧器中主要起储热稳燃作用，随着k s 增大，储热效果也更明显，低当量比的未燃预混气更易于在多孔介质区域燃烧并稳定．整体而言，稳燃范围随着ks 增大而增大．（a ）u ＝2m/s （b ）u ＝3m/s图5 多孔介质热导率对稳燃范围的影响同样，由图5可以看出，u ＝3m /s ，k s ＝2W /(m ·K )时，Φ1、Φ2不存在．计算过程中，在该入口流速与多孔介质热导率设置下，预混气无法在微燃烧器腔内稳定燃烧．可以推测，当入口流速较高时，较低热导率的多孔介质并不能起到稳燃作用，燃烧无法在燃烧器腔内稳定存在． 3.2 壁面热导率对稳燃范围的影响微燃烧器壁面对于燃烧特性主要有两方面影响：一方面高温壁面向上游冷壁面导热，可以有效预热未燃预混气，另一方面壁面与外界环境间存在对流换热损失，热损过大有可能导致熄火．因此，壁面热导率(k w )是影响微燃烧器稳燃范围的另一个重要因素．固定入口流速，微燃烧器的稳燃范围随k w 的变化如图6所示．可以看出，当k w 取值逐渐增大时，临界条件Φ1、Φ2相应地产生V 型变化趋势．当k w 取值范围较小时，如2W /(m ·K )、20W/(m ·K )，高温壁面对上游未燃预混气的预热作用较为明显，Φ1、Φ2随着k w 的增加而降低．当k w 继续增大，如50W /(m ·K )，壁面与外界的对流换热损失逐渐占据主导地位，Φ1、Φ2大幅增加．随着k w 增大，如100W /(m ·K )、200W /(m ·K )，可以看到Φ1、Φ2相继消失，稳燃区间也不存在，即k w 过高时，预混火焰将被吹出微燃烧器，甚至熄火．同时，对比不同流速工况下的结果，可以推测在较高流速下，稳燃范围的临界点Φ1、Φ2更容易消失．（a ）u ＝2m/s （b ）u ＝3,m/s图6 壁面热导率对稳燃范围的影响3.3 多孔介质孔隙率对稳燃范围的影响当入口流速固定时，改变微燃烧器内填充多孔介质的孔隙率ε，多孔介质内的实际流速也会发生相应改变，从而对燃烧器的稳燃范围产生一定影响．图7分别展示了微燃烧器的稳燃范围随ε改变而产生的变化趋势．u ＝2m /s 时，随着ε逐渐增大，多孔介质内的实际流速相应地减小，所以预混气可以在更低的当量比下在多孔介质中稳燃，即Φ2与ε呈反比关系．而Φ1则不同，当ε增至某一数值时，Φ1会保持平稳．u ＝3m /s 时，Φ1、Φ2在ε小于0.7的范围里，有着与u ＝2m /s 时相似的变化趋势．当ε趋近0.8并逐渐升高时，Φ1、Φ2的变化趋势会分别出现转折并逐渐增大．当ε处于0.8～0.9的区间时，微燃烧器具有较为宽广的稳燃范围．（a ）u ＝2m/s （b ）u ＝3m/s图7 多孔介质孔隙率对稳燃范围的影响4 结 论本文对氢气/空气预混气在部分填充多孔介质的微平板燃烧器的稳燃范围进行了数值模拟，分别研究了多孔介质热导率、壁面热导率以及多孔介质孔隙率的影响．(1) 随着多孔介质热导率的增加，Φ1基本没有明显的改变，Φ2与多孔介质热导率呈反比关系，稳燃范围也逐步扩大．(2) 壁面热导率与临界条件Φ1、Φ2呈V 型趋势，随着壁面热导率的增加，Φ1、Φ2会经历一个先减陈金星等：多孔介质微燃烧器的稳燃范围的数值研究 燃烧科学与技术— 235 —小后增大的过程．当壁面热导率过高时，Φ1、Φ2会逐渐消失，稳燃范围也不再存在．(3) 多孔介质孔隙率是影响燃烧器稳燃范围的重要因素，在0.5～0.9的区间内，随着孔隙率的增大，稳燃范围也随之增大． 参考文献：［1］ 范爱武，姚 洪，刘 伟. 微小尺度燃烧[M ]. 北京：科学出版社，2012.Fan Aiwu ，Yao Hong ，Liu Wei. 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