往复式多孔介质燃烧器温度分布的试验研究
往复流多孔介质燃烧器的二维数值模拟与结构改进
中图分类 号 ：Ｔ １ Ｋ６ 文献标志码 ：Ａ 文章编 号 ：１０ －７０ ２ ０ ）３０８－６ ０６８４ （０ ７０ ２ ００
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往 复流 多孔 介 质 燃 烧 器 的 二 维 数 值 模 拟 与 结 构 改进
多孔介质微燃烧器的试验研究
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摘
要 ：对微 尺度下的氢气／ 空气预混 气在多孔介 质中进行预热燃烧 时的燃烧特性 进行 了试验研究 ， 回热燃烧器 中 在
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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多孔介质燃烧器系统设计及实验研究
Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ｐｏｒｏｕｓ ｍｅｄｉａ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｉｓ ａ ｎｅｗ ｗａｙ ｏｆ ｂｕｒｎｉｎｇ ｔｈａｔ ｃｏｍｂｉｎｅｓ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇꎬ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ
ｐｏｒｏｕｓ ｍｅｄｉｕｍｓ ｉｓ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔꎻ ｔｈｅ ｌｅｖｅｌｓ ｏｆ ＮＯ Ｘ ａｎｄ ＣＯ ｉｎ ｔｈｅ ｆｌｕｅ ｇａｓ ａｒｅ ｌｏｗｅｒ ｆｏｒ ｓｔａｂｌｅ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎꎬ ｂｕｔ ｔｈｅｙ ａｌｓｏ
ｓｌｉｇｈｔｌｙ ｄｅｐｅｎｄｓ ｏｎ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ. Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｌｌｙꎬ ＮＯ Ｘ ｃｏｎｔｅｎｔ ｆｏｒ ＳｉＣ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｓ ｏｎｌｙ ｓｌｉｇｈｔｌｙ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｔｗｏ
第 １９ 卷第 １ 期
材 料 与 冶 金 学 报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ
２０２０ 年 ３ 月
Ｖｏｌ １９ Ｎｏ １
Ｍａｒｃｈ ２０２０
ｄｏｉ: １０ １４１８６ / ｊ ｃｎｋｉ １６７１－ ６６２０ ２０２０ｅ１ ꎬ Ｘｕ Ｘｕｅｃｈｅｎｇ１ ꎬ Ｃｈｅｎ Ｙｕａｎｙｕａｎ１ ꎬ Ｚｈａｎｇ Ｑｕａｎ１ ꎬ Ｚｈｏｕ Ｍｉｎｇ１ ꎬ Ｌｉ Ｂｅｎｗｅｎ１ꎬ２
(１ Ｔｈｅ Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｒｅｆｒａｃｔｏｒｉｅｓ ａｎｄ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙꎬ Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ Ｗｕｈａｎꎬ ４３００８１ꎬ Ｃｈｉｎａꎻ
多孔介质往复流动燃烧的一维数值模拟
多孔介质往复流动燃烧的一维数值模拟
马世虎;解茂昭;邓洋波
【期刊名称】《热能动力工程》
【年(卷),期】2004(19)4
【摘要】建立了往复流动多孔介质燃烧器的一维数学模型 ;在该系统中 ,可燃预混气周期性换向 ,分别从两端流入燃烧器。
假定气相与固相处于局部热平衡状态 ,考虑了辐射换热的影响。
采用有限容积法求解 ,通过大量数值计算研究了主要工况参数 ,如半周期、流速、当量比、热损失、多孔介质衰减系数及其热容对该燃烧系统温度分布和反应特性的影响。
【总页数】5页(P384-388)
【关键词】多孔介质;往复流动;超绝热燃烧
【作者】马世虎;解茂昭;邓洋波
【作者单位】大连理工大学动力系
【正文语种】中文
【中图分类】O643.2
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往复式惰性多孔介质燃烧器的可燃极限及最大半周期
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多孔介质内预混气体燃烧的实验和数值模拟研究共3篇
多孔介质内预混气体燃烧的实验和数值模拟研究共3篇多孔介质内预混气体燃烧的实验和数值模拟研究1多孔介质内预混气体燃烧的实验和数值模拟研究随着经济的飞速发展，人们对能源的需求在不断增加，而石化行业的快速发展也使得空气污染和温室气体排放日益加剧。
燃烧是石化生产中最重要的环节，因此节能降耗、减少环境污染和提高石化生产效率，成为石化行业亟需解决的问题。
多孔介质内的预混燃烧是一种可以实现高效能、低污染的燃烧方式。
多孔介质不仅提供了相对较大的反应表面积和热量交换面积，更重要的是，它可以改善流动场的分布，增强燃烧反应动力学过程中的传质与传热过程，并降低燃料使用量。
因此，对多孔介质内预混气体燃烧的研究成为了当前燃烧工程领域的热点和难点。
实验研究和数值模拟研究是多孔介质内预混气体燃烧研究的关键环节。
通过实验研究，可以获得多种参数的变化规律，了解多孔介质内的燃烧过程，探究燃烧机制。
而数值模拟则可以为实验提供补充，通过数值模拟，可以模拟多孔介质内燃烧的过程，预测多种参量的变化趋势，发现存在的问题并提出解决方案。
因此，实验研究和数值模拟研究是密切相关且缺一不可的。
在实验研究中，我们通常采用测量多种参量的方式，比如温度、燃料和氧气之间的摩尔分数、CO、CO2和NOx等的浓度变化，以及某一位置的速度和压力变化等。
我们可以通过改变多孔介质的孔径、厚度、形状和流向等因素来研究多孔介质内的气体燃烧过程。
同时，我们还可以利用高速摄影技术，观察燃烧时的流动场变化，建立流场模型，了解燃烧机制。
这些实验数据对于验证数值模拟的准确性，同时为未来的多孔介质内预混气体燃烧的优化提供指导。
在数值模拟研究中，我们通常采用CFD（ComputationalFluid Dynamics）方法，利用领域物理和数学数值计算的方法对多孔介质内预混燃烧的流动场和化学反应过程进行计算和分析。
通过数学方法建立多孔介质的几何模型和物理模型，同时划分计算区域，设置初始和边界条件。
多孔介质燃烧技术
多孔介质燃烧技术
1. 引言
多孔介质燃烧技术近年来受到了广泛的关注。
通过改变燃料与空气的混合方式，多孔介质燃烧技术可以使燃烧更加均匀、增加燃烧温度、减少氮氧化物的排放等诸多优点。
本文将从多孔介质燃烧技术的基本原理、工程应用和未来发展趋势等方面进行论述。
2. 基本原理
多孔介质燃烧技术的主要原理是通过多孔介质将燃料和氧气进行混合，使得燃烧反应能够更加均匀和完全。
多孔介质可以是陶瓷、金属、陶瓷金属复合物等材料，其中具有许多微小孔隙。
在燃气通过多孔介质的过程中，会形成许多微小的涡旋或者湍流，这种流动能够达到更加均匀混合燃料和氧气的效果。
3. 工程应用
多孔介质燃烧技术已广泛应用于行业燃烧领域中。
例如，多孔介质燃烧技术应用于工业炉、锅炉和燃气轮机等设备中，已经显著提高了燃烧效率和能源利用率。
此外，多孔介质还可以用于燃气汽车发动机和燃料电池等领域，改善了燃料的利用率和减少了污染物的排放。
4. 未来发展趋势
未来，多孔介质燃烧技术将继续得到发展和推广。
目前已经有许多新的研究正在进行，例如将多孔介质应用于高温氧化、蜂窝状多孔
介质燃烧等方面的研究。
此外，多孔介质的材料研究也将得到进一步深入，从而提高多孔介质的性能和适用范围。
5. 结论
总之，多孔介质燃烧技术是一项应用广泛的新技术，在燃气应用和清洁能源方面具有很大的潜力。
通过进一步研究和发展，它将达到更高的效率和更广泛的应用。
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收稿日期:20040311. 浙江大学学报(工学版)网址:/eng 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50176043).作者简介:李昊(1979-),男,山东新泰人,硕士生,从事多孔介质高效洁净燃烧的研究.通讯联系人:程乐鸣,男,教授.E 2mail :lemingc @第39卷第8期2005年8月浙 江 大 学 学 报(工学版)Journal of Zhejiang University (Engineering Science )Vol.39No.8Aug.2005往复式多孔介质燃烧器温度分布的试验研究李 昊,程乐鸣,王恩宇,褚金华,骆仲泱,岑可法(浙江大学热能工程研究所能源清洁利用国家重点实验室,浙江杭州310027)摘 要:研究了往复式多孔介质燃烧器在热态试验条件下的温度分布,分析了当量比、空截面流速、切换半周期对多孔介质中温度分布的影响,以及切换半周期对燃烧器出口温度的影响.随着系统周期性地运行,多孔介质中的温度呈动态周期性变化.在当量比为0.3～1.4时,随着当量比的增大,多孔介质中的温度先上升后下降.在切换周期和当量比一定时,随着空截面流速的增大,多孔介质中的温度随之升高;在当量比和燃气质量流量保持不变时,随着切换半周期的增大,多孔介质中的温度先升高后降低,最后基本保持不变,而燃烧器出口温度随切换半周期的增大而升高.与单个多孔介质燃烧相比,往复式多孔介质中的温度整体分布较均匀.关键词:往复式燃烧;多孔介质;预混燃烧;温度分布中图分类号:T K223.23 文献标识码:A 文章编号:1008973X (2005)08118405T emperature prof iles of porous media combustor withreciprocating flow systemL I Hao ,C H EN G Le 2ming ,WAN G En 2yu ,C HU Jin 2hua ,L UO Zhong 2yang ,CEN Ke 2fa(S tate Key L aboratory of Clean Energy Utiliz ation ,I nstitute f or T hermal Power Engineering ,Zhej iang Universit y ,H angz hou 310027,China )Abstract :T emperature profiles of premixed natural gas combustion in a porous media combustor with reciprocating flow system were studied experimentally.The effects of equivalent ratio ,on 2off time period of control valve and gas superficial velocity on the temperature profiles were investigated.The on 2off period had strong influence on the exit gas temperature of the combustor.As the combustor system ran periodically ,the temperatures in the porous media varied periodically also.When the equivalent ratio was in the range of 0.3—1.4,the temperature in the porous media increased to a certain level and then decreased with the increase of equivalent ratio.The temperature in the porous media increased with the increase of gas superficial velocity while the equivalent ratio and the on 2off period kept constant.I f the equivalent ratio and the gas flux remained unchanging ,the temperature in the porous media increased with then decreased with the increase of on 2off period and finally reached a certain parison to the single flow combustion showed that the temperature profiles of the reciprocating flow combustion had smoother distribution.K ey w ords :reciprocating flow combustion ;porous media ;premixed combustion ;temperature profile 往复式多孔介质燃烧技术(reciprocating super 2adiabatic combustion in porous media ,RSCP )最早是Hanamura 等人[1]在1993年提出的,又称为多孔介质中往复流动下的超绝热燃烧技术.RSCP 在提高燃烧效率、扩展可燃极限、节约燃料、改善环境以及处理各类垃圾和废弃物等方面具有其他燃烧技术不可比拟的优越性[1～3],与预混气体在惰性多孔介质中的燃烧相比优点更加突出[4,5],目前这种燃烧技术已经开始得到应用[6].国内外在冶金工业炉中应用的高温低氧燃烧(high temperature air combustion ,H T AC )[7]是把RSCP 的原理应用到冶金工业炉中.与RSCP 相比,HATC 仅将多孔介质作为蓄热体,燃烧是在自由大空间完成的,而RSCP 不仅将多孔介质作为蓄热体,而且燃烧也发生在多孔介质中.目前相关研究主要集中在没有换热器或有内置换热器的RSCP 燃烧器[8～10].本文提出的往复式多孔介质燃烧器是基于RSCP 外置式换热器的一种新型燃烧系统,主要研究了往复式多孔介质燃烧器在不同实验条件下系统内的温度分布,为该燃烧系统的设计和运行提供依据.1 试验装置与方法往复式多孔介质燃烧器如图1所示,主要包括换热器、蓄热式多孔介质燃烧室、缓冲箱、电控阀、预混室、质量流量计、空气供给系统、燃气供给系统、烟气测量系统、数据采集系统.图1 试验装置系统图Fig.1 Schematic diagram of experimental system燃气和空气通过质量流量计进入预混室,预混后的气体通过电控阀1进入A 侧往复式多孔介质燃烧室燃烧(电控阀2、3是关闭的),燃烧完成后,经换热器和B 侧多孔介质冷却(B 侧的多孔介质被加热),经电控阀4排出.该流程完成后,通过可编程控制系统将电控阀1、4关闭,同时将电控阀2、3打开.新的燃气和空气通过质量流量计进入预混室,预混后的气体通过电控阀2进入B 侧往复式多孔介质燃烧室燃烧,燃烧后的气体经换热器和A 侧多孔介质冷却后(A 侧的多孔介质被加热)由电控阀3排出.试验中,上述过程不断地重复进行.试验系统中电控阀的开关时间可以预先设定,以控制A 、B 侧实验气体进出燃烧器的时间.试验中定义两组电控阀相互切换的间隔时间为切换半周期,即A 或B 侧单侧燃烧时间.在往复式多孔介质燃烧器中,内芯由刚玉管构成,内径为40mm ,蓄热段高度为80mm ,燃烧段高度为180mm.将孔径为1.0mm 的泡沫陶瓷片填装在燃烧段和蓄热段中,试验中可以通过改变泡沫陶瓷片的片数来改变燃烧段和蓄热段的高度.所用的多孔介质泡沫陶瓷片的主要成分为Al 2O 3,孔隙率为0.82～0.86.采用质量流量计控制燃气和空气的流量,通过调节气体流量可以改变进入燃烧器的实验气体的空截面流速和当量比.试验系统中在A 、B 两侧沿高度方向布置20个热电偶,以测量多孔介质中不同高度处的温度,测点分布如图2所示.图3～6中温度曲线旁的数字对应图2中的测点编号.试验所用燃气为东海天然气,测量其成分如表1所示.图2 测点分布示意图Fig.2 Thermal 2couples distribution along combustor表1 试验用天然气主要成分Tab.1 Major components of experimental natural gas 成 分φ/%成 分φ/%CH 487.93N 2 1.90C 2H 6 6.92O 20.37C 3H 80.26CO 22.622 试验结果与分析试验研究了A 、B 两侧多孔介质中的温度分布随运行时间的变化规律、当量比和预混气体空截面流速对多孔介质中的温度分布的影响,以及切换半周期对多孔介质中的温度分布和燃烧器出口温度的影响.2.1 A 、B 两侧多孔介质中的温度动态分布试验设定两组电控阀的切换时间相同.图3示5811第8期李昊,等:往复式多孔介质燃烧器温度分布的试验研究出了在切换半周期为40s 、燃气体积流量为0.05m 3/h 、燃烧段高度为170mm 、蓄热段高度为80mm 、当量比为0.6的试验条件下,A 、B 两侧多孔介质中的温度θ随着时间t 的动态变化情况.图3 A 、B 两侧多孔介质中的温度动态分布Fig.3 Dynamic temperature profiles of porous mediaat A ,B sides由图3可以看出,随着系统周期性地运行,A 、B 两侧多孔介质中的温度呈现出周期性的变化,虽然各个周期的温度变化幅度不完全相同,但变化趋势基本一致.A 、B 两侧多孔介质中相同高度处的温度基本相同,在最高温度截面附近的温度变化比远离最高温度截面处的温度变化大.在电控阀切换的瞬间,温度会突然下降或突然上升,当预混气体在A 侧开始燃烧时,A 侧多孔介质中的温度突然上升,而此时B 侧多孔介质中的温度突然下降.在同一时刻,一侧的温度发展趋势与对应另一侧的温度发展趋势相反,当A 侧多孔介质中的温度上升时,B 侧多孔介质中的温度反而下降;当A 侧多孔介质中的温度达到最高时,B 侧多孔介质中的温度就下降到最低,反之亦然.如果改变切换半周期的大小,多孔介质中的动态温度分布规律与上述规律一致.但当切换半周期特别小,燃气、烟气转化过于频繁时,燃烧的不稳定性增加,所以切换半周期不能太小;当切换半周期增大到一定程度时,燃烧的往复性能表现不突出,往复式多孔介质燃烧的优点表现不明显,所以切换半周期也不能太大.2.2 当量比对多孔介质中温度的影响当量比是实际燃料、氧化剂的质量比与化学恰好反应时燃料、氧化剂的质量比的比值[11],即过量空气系数的倒数:<=(m F /m O )exp(m F /m O )cal.式中:m F 为燃料的质量,m O 为氧气的质量.当量比是往复式多孔介质燃烧的一个重要参数.当量比对燃烧器燃烧温度、火焰位置以及燃烧极限均产生较大影响[4,5,8,9].试验研究了在不同当量比下,燃烧器的单侧多孔介质中的温度和最高温度截面位置的变化,其结果如图4所示.图4 在不同当量比下多孔介质中的温度分布Fig.4 Temperature profiles of porous media with differ -ent equivalence ratios由图4可以看出,在燃气流量一定、切换半周期保持25s 不变的情况下,当<≈0.5时,多孔介质中的温度最高;当<>0.5时,随着当量比的增大,多孔介质中的温度降低;当<<0.5时,随着当量比的增大,多孔介质中的温度升高.往复式多孔介质燃烧是预混燃烧,燃烧基本发生在多孔介质的微孔中,若当量比过大,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,燃烧质量不好,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.根据图4,在该实验条件下,当<=0.5时燃烧状况较佳.当<<0.5时,随着当量比的增大,过量空气造成的热损失减小,多孔介质中的温度升高,最高温度截面位置沿高度方向下移.当<>1.0时,由图4可知,随着当量比的增加,多孔介质中的温度反而有所降低.因为在这种情况下,燃烧所需的氧气不足,有一部分燃气没有完全燃烧,所以燃烧释放的热量减少,燃烧火焰中心温度降低,多孔介质中的温度也随之降低.从图4还可以看出,在气流流动方向上,在当量比较小(<<0.6)时,随着当量比的减小,多孔介质中的温度变化较大;而在当量比较大(<>0.6)时,随着当量比的增大,多孔介质中的温度变化较小.2.3 空截面流速对多孔介质中温度的影响在切换半周期保持25s 不变、<=0.8的情况下,试验通过增大燃气流量(空气流量同步增大)来增大预混气体空截面流速v ,多孔介质中的温度变化如图5所示.6811浙 江 大 学 学 报(工学版)第39卷图5 在不同空截面流速下多孔介质中的温度分布Fig.5 Temperature profiles of porous media with dif-ferent superficial velocities 由图5可知,随着空截面流速的增大,多孔介质中的温度随着升高,且增加趋势基本相同.随着空截面流速的增加,多孔介质中的最高温度也随着增加,此时整个燃烧器中多孔介质中的温度沿高度方向变化比较平缓.究其原因,在上述条件下,随着燃烧器内空截面流速的增大,燃气量增多,使得燃烧强度随着增大,燃烧产生的热量和多孔介质中的蓄热量也随着增加,所以多孔介质中的温度水平增高;多孔介质中的蓄热量的增加,提高了整个燃烧段的温度,使得多孔介质中的温度沿高度方向变化比较平缓.另外,在切换半周期和燃气量保持不变的情况下,也可以通过增大空气量(当量比减小)来增大预混气体空截面流速,试验结果和图4所示当量比由大到小变化时的温度变化规律相似.2.4 切换半周期对多孔介质中温度的影响切换半周期是往复式多孔介质燃烧器的重要参数,通过改变切换半周期可以使燃气在多孔介质中燃烧和换热的时间受控制地变化.切换半周期越小,表示燃烧进入A、B两侧多孔介质中的转换频率越快.在不同的切换半周期条件下,试验研究了多孔介质中的温度变化,结果如图6所示.可以看出,在燃气量不变、<=0.8的情况下,随着切换半周期τ的增大,多孔介质中的温度升高,在τ=25s时达到最大值,接着温度略有降低,最后基本保持不变.所以此燃烧器的最小切换半周期为5s,最大切换半周期为175s.当切换半周期较小时,预混气体着火困难,无法稳定燃烧;随着切换半周期的增大,预混气体开始逐渐稳定燃烧,多孔介质中的温度逐渐升高;当切换半周期增大到一定值,多孔介质中的温度达到最高;切换半周期过大,蓄热体预热预混气体的能力降低,从而多孔介质中的温度开始下降,最后基本达到多孔介质中的温度不变.对于一定的系统,存在一个较佳的切换半周期,且较佳切换半周期应随着蓄热体蓄图6 在不同切换半周期下多孔介质中的温度分布Fig.6 Temperature profiles of porous media withdifferent on2off periods of control valve热能力的增加而增大.2.5 切换半周期对燃烧器出口温度的影响当燃气流量和当量比保持不变时,随着切换半周期的变化,燃烧器出口温度θ3在半周期内温度的动态变化如图7所示.可以看出,从电控阀换向开始,一侧开始燃烧,出口温度开始不断上升,直至电控阀换向结束,此时出口温度达到最高.图7 在不同切换半周期下燃烧器出口温度变化Fig.7 Temperature profiles of output gas withdifferent on2off periods of control valve随着切换半周期的增大,燃烧器出口温度升高;当切换半周期增大量相同时,随着切换半周期的增大,燃烧器出口温度增大的幅度随着增大.切换半周期越大,燃烧后气体与多孔介质的换热时间越长,由于多孔介质的蓄热能力有限,多孔介质的换热能力相对越来越弱,出口温度因而越高.相反,切换半周期越短,燃烧后气体与多孔介质的换热效果越好,出口温度越低.3 往复式多孔介质燃烧与单个多孔介质燃烧的动态温度对比试验 单个多孔介质燃烧(one2way flow combustion, OWFC)[10]是往复式多孔介质燃烧仅在A或B一侧的燃烧,是往复式燃烧切换半周期无限大的情况(试验中没有电控阀切换).7811第8期李昊,等:往复式多孔介质燃烧器温度分布的试验研究为了比较往复式多孔介质燃烧器在稳定运行后的动态温度分布和单个多孔介质燃烧时的动态温度分布,进行了燃气体积流量为0.05m 3/h 、<=0.8、τ=40s 的往复式多孔介质燃烧与同燃气体积流量和当量比下单个多孔介质燃烧的对比试验,结果如图8所示.11～15表示往复式多孔介质燃烧测点11～15的温度变化曲线.11″～15″表示单个多孔介质燃烧测点11～15的温度变化曲线.图8 往复式多孔介质燃烧与单个多孔介质燃烧的动态温度分布比较Fig.8 Dynamic temperature profiles of porous mediawith RSCP and OWFC由图8可以看出,在当量比和燃气流量保持不变的情况下,往复式多孔介质燃烧的多孔介质中的温度分布(用点表示)相对单个多孔介质燃烧(用实线表示)来说比较均匀,多孔介质中的最高温度高于单个多孔介质燃烧的最高温度,出口温度低于单个燃烧的出口温度.往复式多孔介质燃烧的多孔介质中的温度随着系统的周期性运行,温度也发生周期性的变化,而单个多孔介质燃烧的多孔介质中的温度随着时间没有周期性变化,变化相对较大.在往复式多孔介质燃烧中,多孔介质既是蓄热体,也是燃烧空间的提供者.由于往复式流动,蓄热体预热预混气体的作用得到了加强,使得往复式燃烧温度高于单个多孔介质中的燃烧温度,随着气流与多孔介质的周期性的换热,其温度发生周期性波动;多孔介质蓄热体的存在,使得温度分布更加均匀.烟气排出之前,经过并加热了蓄热体,同时烟气的温度降低,使得出口温度低于单个多孔介质燃烧的出口温度.4 结 论在往复式多孔介质燃烧器上进行了热态的实验研究,在不同的当量比、切换半周期、预混气体空截面流速下,试验研究了在往复式多孔介质燃烧下多孔介质中的温度分布,得出如下结论.(1)随着系统周期性地运行,多孔介质中的温度出现动态周期性的变化.在同一时刻,往复式多孔介质燃烧器两侧的温度变化是相反的,相同高度截面的多孔介质中的温度基本相同.(2)在当量比<<0.5时,随着当量比的增大,多孔介质中的温度上升;当<>0.5时,随着当量比的增大,多孔介质中的温度下降;在该实验条件下,当<=0.5时,燃烧较佳.(3)在切换周期和当量比一定时,随着空截面流速的增大,多孔介质中的温度升高,且沿着高度方向温度变化趋于平缓.(4)在燃气量和当量比保持不变时,随着切换半周期的增大,多孔介质中的温度先升高后降低,最后基本保持不变.(5)在燃气量和当量比保持不变时,在适当的切换半周期内,随着切换半周期的增大,燃烧器出口温度升高.(6)对往复式多孔介质燃烧和单个多孔介质燃烧进行比较发现,往复式多孔介质燃烧的温度分布更均匀,出口温度更低.参考文献(R eferences):[1]HANAMU RA K ,ECHIGO R.Superadiabatic combus 2tion in a porous medium [J ].I nternational Journal of H eat Mass T ransfer 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:[s.n.],2003:977982.(下转第1228页)度.对于预应力梁,为了准确计算梁中的有效压应力,不仅需要考虑跨中截面(正弯矩区)的有效翼缘宽度,而且还需要考虑支座截面(负弯矩区)的有效翼缘宽度.跨中截面和支座截面的有效翼缘宽度有一定差别,应取不同的值.(2)通过对板面两个方向应变分布特性的研究,发现空心板存在明显的双向弯曲作用,简单的将空心板等效横管方向的单向板将导致较大误差.(3)本文还推导了根据主梁的跨中弯矩比来确定楼面荷载双向分配的计算公式,并根据试验结果对楼面荷载传递规律进行了研究,发现主梁和板内预应力的存在大大改变了板面荷载的传递过程.另外,无论空心板梁楼盖有无预应力筋,其荷载的分配规律并不按普通实心板的45°线分配,而是取决于顺管方向和横管方向的刚度以及双向主梁的刚度.参考文献(R eferences):[1]黄勇,江绍飞.钢筋混凝土空腹夹层板楼盖体系的研究与应用[J].建筑结构学报,1997,18(6):5564.HUAN G Y ong,J IAN G Shao2fei.Study and application of vierendeel2sandwich2p1ate floor framing in multistoried and tall building[J].Jou rnal of B uilding Structu res,1997,18(6):5564.[2]张会斌,张昀青.一种新型楼盖体系的工程应用[J].建筑技术开发,2002,29(6):1827.ZHAN G Kuai2bin,ZHAN G Yun2qing.A new style slab used in project[J].Building T echnique Development, 2002,29(6):1827.[3]肖建春,马克俭.剪力键式双向空心大板的分解刚度法[J].贵州工业大学学报,1997,26(4):2435.XIAO Jian2chun,MA Ke2jian.The method of split rigidities for analysis of shear blocks dowelled bi2 directional hollow plates[J].Journal of G uizhou U niversity of T 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