天然气在惰性多孔介质内预混燃烧的数值模拟研究

【摘要】： 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方法对惰性多孔介质内的一维辐射传递方程进行求解。 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。 【关键词】：天然气 惰性多孔介质 预混燃烧 YIX方法 辐射传递方程
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TK16
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-28
• 1.1 研究的背景和意义11-14
• 1.1.1 我国的能源消费结构和天然气利用现状11-13
• 1.1.2 环境污染日益严重13-14
• 1.2 多孔介质中的燃烧技术14-18
• 1.2.1 多孔介质材料概述14-15
• 1.2.2 用作燃烧器的多孔介质材料15
• 1.2.3 多孔介质中的燃烧15-18
• 1.3 惰性多孔介质内的预混合燃烧的特点18-20
• 1.3.1 优良的总体传热特性18-19
• 1.3.2 燃烧的稳定性好19
• 1.3.3 燃烧效率高，污染物排放低19
• 1.3.4 功率调节范围大，可实现高强度燃烧19-20
• 1.4 惰性多孔介质内的预混合燃烧的研究现状20-22
• 1.5 惰性多孔介质内的预混合燃烧技术的应用22-28
• 1.5.1 民用加热器22
• 1.5.2 多孔介质燃烧器与预混式工业燃烧器的联合利用22-23
• 1.5.3 干燥器的空气加热系统23
• 1.5.4 燃气轮机燃烧室23-24
• 1.5.5 汽车的加热系统24-25
• 1.5.6 蒸汽锅炉25-26
• 1.5.7 超绝热燃烧发动机26
• 1.5.8 燃烧-热电转换装置26-28
• 第二章 惰性多孔介质内天然气预混燃烧的控制方程与求解方法28-40
• 2.1 数学模型的建立28-31
• 2.1.1 基本假设28-29
• 2.1.2 控制方程组29-31
• 2.1.3 边界条件31
• 2.2 气体的热物性参数31
• 2.3 气体的传输参数31-35
• 2.3.1 纯组分的黏度31-32
• 2.3.2 两组分混合物的扩散系数32-33
• 2.3.3 纯组分的导热系数33-34
• 2.3.4 多组分混合物的平均物性参数34-35
• 2.4 多孔介质的结构参数和物性参数35-36
• 2.5 化学反应模型36
• 2.6 计算过程36-40
• 2.6.1 网格划分36
• 2.6.2 控制方程组的离散36-38
• 2.6.3 计算流程38-40
• 第三章 辐射传热子模型40-51
• 3.1 辐射传热的一些基本概念40-41
• 3.1.1 发射力40
• 3.1.2 立体角40
• 3.1.3 辐射强度40-41
• 3.1.4 辐射参与性介质内辐射热流量41
• 3.2 辐射参与性介质中的辐射传递方程41-47
• 3.2.1 非辐射参与性介质中的辐射强度41-42
• 3.2.2 辐射强度的减弱42-43
• 3.2.3 辐射强度的增强43-44
• 3.2.4 辐射传递方程44-45
• 3.2.5 辐射传递方程的一般解45-46
• 3.2.6 辐射热流量的导数46-47
• 3.2.7 多孔介质燃烧器内辐射传递方程47
• 3.3 YIX 方法求解辐射传递方程47-51
• 3.3.1 YIX 方法的推导47-49
• 3.3.2 多孔介质燃烧器内辐射传递方程的求解49-51
• 第四章 数值计算结果及分析51-58
• 4.1 惰性多孔介质中的预混燃烧与自由空间预混燃烧的比较51-52
• 4.1.1 温度分布的比较51-52
• 4.2 不同参数对惰性多孔介质燃烧器燃烧性能的影响52-57
• 4.2.1 当量比对燃烧速度的影响52-53
• 4.2.2 体积对流传热系数对温度分布的影响53-55
• 4.2.3 衰减系数对温度分布的影响55-56
• 4.2.4 多孔介质导热系数对温度分布的影响56-57
• 4.4 本章小结57-58
• 第五章 全文总结和展望58-60
• 5.1 全文总结58
• 5.2 展望58-60
• 附录160-63
• 附录263-64
• 附录364-65
• 参考文献65-70
• 致谢70-71
• 作者在攻读硕士学位期间发表或录用的学术论文71

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