PDF《预混天然气小尺度燃烧特性的 CFD 研究》

收稿日期 :2005 -

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修订日期 :2005 -

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22 基金项目 :北京市传热与能源利用重点实验室开放基金资助项目(05005790200406) 作者简介 :许考(1978 - ) ,男 ,江苏泗洪人 ,北京工业大学博士研究生.

文章编号 :1001 - 2060(2006)

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05 预混天然气小尺度燃烧特性的 CFD 研究 许考,刘中良 ,康天放 ,马重芳 (北京工业大学 环境与能源工程学院 教育部传热强化与过程节能 重点实验室和北京市传热与能源利用重点实验室 ,北京 100022) 摘要:运用计算流体力学(CFD) 二维模型研究预混天然气 在小尺度空间内燃烧及墙壁的导热系数、 外部的热损对燃烧 特性的影响.研究表明 ,墙壁的导热系数和外壁面的热损直 接影响着火焰的点燃、 稳定及氮氧化物的生成.对于预混气 体 ,仅存在一个很小的流速区间能维持通道内的燃烧.最后 分析了轴向及径向的温度梯度对燃烧器的影响 ,找到了在模 拟条件下最佳的热力条件 ,并以此达到优化小尺寸燃烧器的 目的. 关键词:天然气 ;

小尺度燃烧 ;

燃烧特性 ;

导热 中图分类号 :TK124 文献标识码 :A

1 引言作为一种轻型能源供应设备 ,由于燃烧工质碳 氢化合物具有较高的热值 ,小尺寸燃烧器将逐渐取 代对环境非友好、 价格昂贵的锂电池 [1] .此外 ,由于 小尺寸燃烧系统有较高的传热系数 ,因此可以降低 燃烧体系的温度 ,从而适当降低体系内热力型氮氧 化物的生成. 目前 ,在小尺度燃烧器设计方面遇到最大的挑 战是如何在维持体系正常燃烧与热输出功最大化之 间保持最佳的平衡状态 [2] .例如 :燃烧器尺寸减小 到1%,其表面积和体积减少

4 和6个数量级 ,比表 面积增加

100 倍.比表面的增加必然使得体系热损 增加 ,从而影响燃烧器的稳定燃烧 ,甚至有可能抑制 体系的点燃或使得燃烧反应结束 ;

另一方面 ,燃烧的 输出功取决于系统的温度和比表面 ,比表面越大 ,对 输出功越有利 ,而温度的增加又使得燃烧过程中热 力型氮氧化物增加.目前对于小尺寸燃烧器的研 究 ,主要集中在燃烧火焰的稳定性方面 [3~5] ,而如何 使燃烧产生较高的效率 ,同时对减少氮氧化物排放 的报道仍然很少.由于燃烧体系的尺寸较小 ,很难 通过实验研究来验证 ,因此数值成为理想的、 可行的 方法来研究小尺寸燃烧器燃烧特性 ,并从理论上进 行系统优化设计. 本文运用计算流体力学 (CFD) 二维椭圆模型研 究预混天然气在小尺度空间内燃烧及墙壁的热力条 件对燃烧特性的影响 ,并从理论上提出了如何优化 小尺寸燃烧系统 ,使得既能稳定燃烧 ,又能充分利用 热能和减少氮氧化物排放的目的.

2 数值模型 2.

1 模型类型及网格划分 天然气和空气经过预混进入小尺寸燃烧器 ,该 小尺寸燃烧器直径为 1.

2 mm ,壁厚

50 μ m , 长度

12 mm.由于该燃烧空间为轴对称的 ,故选取二维 轴对称截面作为模拟区域 ,网格划分为非均匀的 ,在 燃烧区密度较大 (见图 1) ,并用有限体积法离散二 维连续、 动量、 组分方程及二维固体导热方程 ,运用 Fluent 6. 1(Fluent 2002) 对小尺寸燃烧空间进行数值 模拟 ,试图更加清晰地理解该燃烧区域内产物的浓 度与温度的分布情况 ,以此来理解燃烧规律及建立 有效的理论模型. 图1二维轴对称网格划分示意图 第21 卷第