低濃度甲烷在多孔介質中燃燒的數(shù)值模擬

1、自然科學類論文大賽低濃度甲烷在多孔介質中燃燒的數(shù)值模擬安全工程學院安全072班張軍亮劉俊卿王帥領低濃度甲烷在多孔介質中燃燒的數(shù)值模擬張軍亮，劉俊卿，王帥領摘要:利用商業(yè)軟件FLUENT6.3結合用戶自定義標量和用戶自定義函數(shù), 對低濃度甲烷/空氣在往復流多孔介質燃燒器內的一維預混燃燒整個過程建立數(shù)學模型并進行了數(shù)值模擬。得出了整個過程中的時間控制和體系內的溫度分布情況。其計算結果能夠初步指導較大尺寸的多孔介質燃燒器下甲烷/空氣預混氣體的燃燒反應特性。關鍵詞： 低濃度甲烷 多孔介質 數(shù)值模擬0. 引言：煤層氣是指賦存在

2、生氣巖石中的自儲式天然可燃氣體，它的主要成分為甲烷，是一種優(yōu)質的能源。我國埋深在2000米以內的煤層中含煤層氣資源量達30萬億35萬億立方米，是世界上第三大煤層氣儲量國，煤層氣開發(fā)前景非?？捎^。同時由于其溫室效應是二氧化碳的21倍，因此瓦斯抽放并合理利用既可以保證礦井安全生產又可以取得開發(fā)新能源和促進環(huán)境保護的三重效果，在我國已經引起了相當程度的重視。近些年來，高濃度抽放瓦斯已經成功地用作民用和工業(yè)燃料和發(fā)電用燃料，取得了巨大的經濟效益。我國煤礦瓦斯每年有大量的濃度低于1的低濃度抽放瓦斯，如礦井通風乏氣中的瓦斯，因無法利用直接排到空氣中，既浪費資源又污染環(huán)境。預混氣體在多孔介質中往復式流動下的

3、超絕熱燃燒是一種全新的多孔介質預混合燃燒技術，它可以強化燃燒和進行有效的排放控制。當可燃氣體在往復流動換向裝置中燃燒時，往復流動多孔介質燃燒器具有擴展可燃極限、提高燃燒效率和節(jié)約能量等優(yōu)越性。近年來，國內外學者對此多有研究。其中國內趙平輝【1】等在研究甲烷/空氣的預混燃燒時，多采用小尺寸的模型，這與工業(yè)應用有一定的差距，而本文著重研究混合氣體在較大尺寸的多孔介質燃燒器內的反應。1. 數(shù)學物理模型簡化后的燃燒器模型如圖1所示。表示甲烷/空氣在長度為L的惰性多孔介質內預混燃燒。數(shù)值模擬采用二維軸對稱模型,不考慮壁面對外散熱。化學反應通氣前，先用電阻絲對多空介質燃燒器進行加熱，使最高溫度達至約130

4、0K。網格如圖2所示,為了簡化,我們做如下假設:(1)一維穩(wěn)態(tài)層流模型,忽略氣體輻射和氣體彌散;多孔介質內部的固體輻射/傳熱采用有效導熱近似。(2)多孔介質為惰性、各向同性,沒有催化作用。(3)采用簡化的化學反應機理 圖1燃燒器示意圖 圖2 模型網格圖1.1控制方程氣體連續(xù)方程 （1） 式中:p為氣體密度;u為當?shù)?x=0一L)速度為孔隙率(當0<<L時，中<l;在此區(qū)間之外=1)。組分守恒方程為（K=1,k） （2）式中:。Vk為擴散速度【2】，用TRANFIT程序計算; Vk、Mk和k分別為第k種組分體積生成速率、分子量和質量分數(shù)。氣體能量方程為 （3）式中: Tg和Ts

5、分別是氣體和固體的溫度，K；ha是氣固相間體積對流換熱系數(shù)，W/(m3·k)；hk和ck是第k種組分的生成熔和比熱容；kg和cg是氣體的導熱系數(shù)和比熱容。固體能量方程為 （4）式中：qr是固體內的輻射通量; ks是多孔介質有效導熱系數(shù)。氣體狀態(tài)方程為 （5）其中M，p，R分別是混合氣平均分子量、壓力和通用氣體常數(shù)。假定一共有I個基元反應，第i個化學反應方程式可寫為 （6）則第k個組分的摩爾生成速率為 （7）式中f,i和r,i分別為第i個反應的正、逆反應速率常數(shù)； kci是摩爾平衡常數(shù)。1.2邊界條件多孔介質區(qū)： 氣相進口： 氣相出口： 固相進口： 固相出口： hs為固體界面與氣體的對

6、流換熱系數(shù),由實驗一般取500W·m-2·K-1 3。1.3混合氣體參數(shù)的計算方法1.3.1.甲烷燃燒時的標準燃燒焓為Q0CH=-50012kJ/kg。1.3.2.氣體定壓比熱將反應各組分當成理想氣體看待，每個組分的定壓比熱容cp，k均是溫度的函數(shù),可以表示成與T成線性多項式的函數(shù)關系，式中4個常系數(shù)可從熱物理手冊查得。 kJ/(kmol·K)1.3.3氣體的導熱系數(shù)各組分氣體的導熱系數(shù)可以表示成下面的擬合關系式，常系數(shù)可由手冊查得。 W/(mK)混合氣的導熱系數(shù)可按照下面的式子近似計算：式中摩爾百分比xk和Yk 之間的關系為1.4 物性參數(shù)在模擬預混氣體在多孔介

7、質中流動與反應時，多孔介質的孔隙率、導熱系數(shù)、比熱等參數(shù)的取值對模擬結果的精確度有重要影響。這些參數(shù)應通過嚴格的實驗測定取得，但由于多孔介質的孔隙結構是無規(guī)則的和隨機的，準確測量這些參數(shù)是相當困難的。本文計算中用到的多孔介質的熱物性參數(shù)參照文獻【4-6】提供的數(shù)據(jù)及關系式取得，部分物性參數(shù)含義和取值見表1。表1物性參數(shù)表參數(shù)名取值參數(shù)名取值多孔介質區(qū)域橫截面（1·3）m2R8.314J/（mol·k）多孔介質區(qū)域厚度L2m氣體進口溫度Ti300 K孔隙率0.87上游環(huán)境溫度Tu300K多孔介質材料密度3200kg/m3下游環(huán)境溫度Tb300K當量比0.096壓力p0.1MP

8、a1.5求解方法本文使用商業(yè)軟件Fluent6.3求解上面的微分方程?？臻g方向上將燃燒室均勻劃分為200X300個網格，對多孔介質能量方程的求解采用單溫度模型,即假設固相和氣相處于局部熱平衡,兩者溫度相等。為了保證收斂性和計算精度,采用Simple算法和有限容積法求解。對時間項采用全隱格式，每步進一個時間步長，計算新時間步長上的氣體能量方程和多孔介質能量方程。2 燃燒數(shù)值模擬 由于本試驗模型尺寸較大，當混合氣體通過多孔介質時不易點燃，因此先采用電阻加熱絲對多孔介質燃燒床進行加熱，形成一定的溫度分布后，再向燃燒器內通入甲烷/空氣混合氣體，使之能夠很好的被預熱并在一定區(qū)域內充分反應。因此在數(shù)值模擬

9、過程中分為兩個階段，第一個階段為預熱階段，第二階段為反應階段。2.1預熱階段 圖3 初始溫度分布圖 圖4 同一速度下不同時間溫度分布圖實驗開始時，在未通甲烷/空氣混合氣體的情況下，用加熱絲對多孔介質燃燒器進行加熱，如圖3所示，使最高溫度達到1240K，進出口溫度（315K）略高于常溫。整體溫度分布圖像形成近似三角形的分布。2.2反應階段當?shù)蜐舛鹊募淄?空氣預混氣體通入往復流動多孔介質燃燒器時，在燃燒器尺寸和多孔介質材料確定的情況下，影響燃燒室熱結構和燃燒性能的主要參數(shù)是混合氣的換向半周期和混合氣流速本文模型的邊壁條件簡單，加之多孔介質是各向同性的，模擬得到的各參量在燃燒室的徑向差異較小，因此，

10、選用最具代表性的軸向上的量來描述各種工況條件下往復流動多孔介質燃燒器的熱結構和燃燒特性。同時為了提高多孔介質的吸熱效率，不致使更多的熱量散失到大氣中，在本實驗中以某一換向中出口溫度達到340K，即入出口溫差達到40K作為一個半周期結束的參考標準。2.2.1 恒定速度下不同時間段多空介質區(qū)域內溫度分布如圖4所示為在1m/s的通氣速度下奇數(shù)個半周期時的溫度分布圖。即第1、2、3、4號曲線分別表示第一、三、五、七個半周期結束時的溫度分布圖。由圖中可以看出，隨著半周期數(shù)的增加，溫度整體分布變?yōu)榻铺菪畏植?，峰值溫度基本維持在第一個半周期結束時所達到的溫度保持不變，但高溫區(qū)域卻不斷擴寬，這是由于預混氣體

11、在多孔介質中燃燒時，通過氣、固相間對流換熱，多孔介質可以吸收并積累大部分燃燒熱，而當新鮮混合氣體再次進入多孔介質時，多孔介質又將積累的部分熱量釋放出來，對混合氣進行預熱，從而使燃燒熱得到循環(huán)利用并逐漸積累。這樣由于余熱的的不斷回收和循環(huán)利用，使多空介質區(qū)域內熱量不斷增加并向兩邊傳遞，使得多空介質燃燒器內高溫區(qū)域不斷擴寬。因此多孔介質中的預混燃燒是一種增焓燃燒過程。2.2.2 不同速度對多孔介質燃燒室內溫度分布的影響圖5 不同的速度下多孔介質燃燒室內特性參數(shù) 圖5所示為在不同通氣速度下第一個半周期結束時的各物理參數(shù)?？芍S著流速增大，換向半周期越來越短，溫度峰值明顯升高，火焰區(qū)向出口端移動速度加

12、快，高溫區(qū)域也略有加寬。這是因為在換向周期不變情況下，流速增大，進入燃燒器的新鮮預混氣的質量流量增加，單位時間內帶入體系的熱量相應增加，使得體系內溫度峰值升高。此外，當氣體流速過低時，體系內溫度出現(xiàn)下降趨勢；所以，對于極稀薄可燃氣體，應以較大的流速導入燃燒器中，以利于燃燒或處理。但過大的流速會使得多孔介質內溫度升高甚至超過多孔介質材料的承受能力而造成燃燒器的破壞，此外多孔介質的蓄熱能力是有限的，隨著流速的增大，換向頻率增加，實際過程中會不利于燃燒的穩(wěn)定進行。3.結論（1）在較大尺寸的多孔介質下，采取先預熱燃燒器使之達到一定溫度分布后，再通入低濃度的甲烷也可以進行燃燒反應。（2）由于預混氣體的周

13、期性往復換向，燃燒器中反應區(qū)也周期性往復移動，燃燒器形成高溫區(qū)較寬的梯形溫度場。（3）在速度不變的情況下，隨著換向次數(shù)的增加，半周期越來越短，峰值溫度基本不變，高溫區(qū)域逐漸擴寬。（4）預混氣體流速對多孔介質的熱工特性有一定影響。隨著流速增大，系統(tǒng)的峰值溫度明顯升高，火焰區(qū)向出口端移動速度加快，高溫區(qū)加寬。4.參考文獻1. 趙平輝，陳義良，劉明侯，丁敏，張根炬，多孔介質內層流預混燃燒的數(shù)值模擬 (中國科學技術大學熱科學與能源工程系，2005，07一272.KeeRJ，Dixon一Lewis G，WarnatzJ，et al.A Fortran Computer Code Paekage for

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