低濃度甲烷在多孔介質(zhì)中燃燒的數(shù)值模擬

1、自然科學(xué)類論文大賽低濃度甲烷在多孔介質(zhì)中燃燒的數(shù)值模擬安全工程學(xué)院安全072班低濃度甲烷在多孔介質(zhì)中燃燒的數(shù)值模擬張軍亮，劉俊卿，王帥領(lǐng)摘要:利用商業(yè)軟件FLUENT6.3結(jié)合用戶自定義標(biāo)量和用戶自定義函數(shù), 對(duì)低濃度甲烷/空氣在往復(fù)流多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)的一維預(yù)混燃燒整個(gè)過程建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬。得出了整個(gè)過程中的時(shí)間控制和體系內(nèi)的溫度分布情況。其計(jì)算結(jié)果能夠初步指導(dǎo)較大尺寸的多孔介質(zhì)燃燒器下甲烷/空氣預(yù)混氣體的燃燒反應(yīng)特性。關(guān)鍵詞： 低濃度甲烷 多孔介質(zhì) 數(shù)值模擬0. 引言：煤層氣是指賦存在生氣巖石中的自儲(chǔ)式天然可燃?xì)怏w，它的主要成分為甲烷，是一種優(yōu)質(zhì)的能源。我國埋深在2000米以內(nèi)的

2、煤層中含煤層氣資源量達(dá)30萬億35萬億立方米，是世界上第三大煤層氣儲(chǔ)量國，煤層氣開發(fā)前景非?？捎^。同時(shí)由于其溫室效應(yīng)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(chǎn)又可以取得開發(fā)新能源和促進(jìn)環(huán)境保護(hù)的三重效果，在我國已經(jīng)引起了相當(dāng)程度的重視。近些年來，高濃度抽放瓦斯已經(jīng)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(jīng)濟(jì)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(fēng)乏氣中的瓦斯，因無法利用直接排到空氣中，既浪費(fèi)資源又污染環(huán)境。預(yù)混氣體在多孔介質(zhì)中往復(fù)式流動(dòng)下的超絕熱燃燒是一種全新的多孔介質(zhì)預(yù)混合燃燒技術(shù)，它可以強(qiáng)化燃燒和進(jìn)行有效的排放控制。當(dāng)可燃?xì)怏w在往

3、復(fù)流動(dòng)換向裝置中燃燒時(shí)，往復(fù)流動(dòng)多孔介質(zhì)燃燒器具有擴(kuò)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(nèi)外學(xué)者對(duì)此多有研究。其中國內(nèi)趙平輝【1】等在研究甲烷/空氣的預(yù)混燃燒時(shí)，多采用小尺寸的模型，這與工業(yè)應(yīng)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(zhì)燃燒器內(nèi)的反應(yīng)。1. 數(shù)學(xué)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(zhì)內(nèi)預(yù)混燃燒。數(shù)值模擬采用二維軸對(duì)稱模型,不考慮壁面對(duì)外散熱。化學(xué)反應(yīng)通氣前，先用電阻絲對(duì)多空介質(zhì)燃燒器進(jìn)行加熱，使最高溫度達(dá)至約1300K。網(wǎng)格如圖2所示,為了簡化,我們做如下假設(shè):(1)一維穩(wěn)態(tài)層流模型,忽略氣體輻射和氣體彌散;

4、多孔介質(zhì)內(nèi)部的固體輻射/傳熱采用有效導(dǎo)熱近似。(2)多孔介質(zhì)為惰性、各向同性,沒有催化作用。(3)采用簡化的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理 圖1燃燒器示意圖 圖2 模型網(wǎng)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(dāng)?shù)?x=0一L)速度為孔隙率(當(dāng)0<<L時(shí)，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(kuò)散速度【2】，用TRANFIT程序計(jì)算; Vk、Mk和k分別為第k種組分體積生成速率、分子量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)。氣體能量方程為 （3）式中: Tg和Ts分別是氣體和固體的溫度，K；ha是氣固相間體積對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m3·k)；hk和c

5、k是第k種組分的生成熔和比熱容；kg和cg是氣體的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容。固體能量方程為 （4）式中：qr是固體內(nèi)的輻射通量; ks是多孔介質(zhì)有效導(dǎo)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(gè)基元反應(yīng)，第i個(gè)化學(xué)反應(yīng)方程式可寫為 （6）則第k個(gè)組分的摩爾生成速率為 （7）式中f,i和r,i分別為第i個(gè)反應(yīng)的正、逆反應(yīng)速率常數(shù)； kci是摩爾平衡常數(shù)。1.2邊界條件多孔介質(zhì)區(qū)： 氣相進(jìn)口： 氣相出口： 固相進(jìn)口： 固相出口： hs為固體界面與氣體的對(duì)流換熱系數(shù),由實(shí)驗(yàn)一般取500W·m-2·K-1 3。1.3混合氣體參數(shù)的計(jì)

6、算方法1.3.1.甲烷燃燒時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)燃燒焓為Q0CH=-50012kJ/kg。1.3.2.氣體定壓比熱將反應(yīng)各組分當(dāng)成理想氣體看待，每個(gè)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(xiàng)式的函數(shù)關(guān)系，式中4個(gè)常系數(shù)可從熱物理手冊(cè)查得。 kJ/(kmol·K)1.3.3氣體的導(dǎo)熱系數(shù)各組分氣體的導(dǎo)熱系數(shù)可以表示成下面的擬合關(guān)系式，常系數(shù)可由手冊(cè)查得。 W/(mK)混合氣的導(dǎo)熱系數(shù)可按照下面的式子近似計(jì)算：式中摩爾百分比xk和Yk 之間的關(guān)系為1.4 物性參數(shù)在模擬預(yù)混氣體在多孔介質(zhì)中流動(dòng)與反應(yīng)時(shí)，多孔介質(zhì)的孔隙率、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱等參數(shù)的取值對(duì)模擬結(jié)果的精確度有重要影響。這些

7、參數(shù)應(yīng)通過嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)測(cè)定取得，但由于多孔介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)是無規(guī)則的和隨機(jī)的，準(zhǔn)確測(cè)量這些參數(shù)是相當(dāng)困難的。本文計(jì)算中用到的多孔介質(zhì)的熱物性參數(shù)參照文獻(xiàn)【4-6】提供的數(shù)據(jù)及關(guān)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(zhì)區(qū)域橫截面（1·3）m2R8.314J/（mol·k）多孔介質(zhì)區(qū)域厚度L2m氣體進(jìn)口溫度Ti300 K孔隙率0.87上游環(huán)境溫度Tu300K多孔介質(zhì)材料密度3200kg/m3下游環(huán)境溫度Tb300K當(dāng)量比0.096壓力p0.1MPa1.5求解方法本文使用商業(yè)軟件Fluent6.3求解上面的微分方程。空間方向上將燃燒室均勻劃分

8、為200X300個(gè)網(wǎng)格，對(duì)多孔介質(zhì)能量方程的求解采用單溫度模型,即假設(shè)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(jì)算精度,采用Simple算法和有限容積法求解。對(duì)時(shí)間項(xiàng)采用全隱格式，每步進(jìn)一個(gè)時(shí)間步長，計(jì)算新時(shí)間步長上的氣體能量方程和多孔介質(zhì)能量方程。2 燃燒數(shù)值模擬 由于本試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽巛^大，當(dāng)混合氣體通過多孔介質(zhì)時(shí)不易點(diǎn)燃，因此先采用電阻加熱絲對(duì)多孔介質(zhì)燃燒床進(jìn)行加熱，形成一定的溫度分布后，再向燃燒器內(nèi)通入甲烷/空氣混合氣體，使之能夠很好的被預(yù)熱并在一定區(qū)域內(nèi)充分反應(yīng)。因此在數(shù)值模擬過程中分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段為預(yù)熱階段，第二階段為反應(yīng)階段。2.1預(yù)熱階段 圖3 初始溫度分布

9、圖 圖4 同一速度下不同時(shí)間溫度分布圖實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，在未通甲烷/空氣混合氣體的情況下，用加熱絲對(duì)多孔介質(zhì)燃燒器進(jìn)行加熱，如圖3所示，使最高溫度達(dá)到1240K，進(jìn)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(yīng)階段當(dāng)?shù)蜐舛鹊募淄?空氣預(yù)混氣體通入往復(fù)流動(dòng)多孔介質(zhì)燃燒器時(shí)，在燃燒器尺寸和多孔介質(zhì)材料確定的情況下，影響燃燒室熱結(jié)構(gòu)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(zhì)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，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(fù)流動(dòng)多孔介質(zhì)燃燒器的熱結(jié)構(gòu)和燃燒特性。同時(shí)為了

10、提高多孔介質(zhì)的吸熱效率，不致使更多的熱量散失到大氣中，在本實(shí)驗(yàn)中以某一換向中出口溫度達(dá)到340K，即入出口溫差達(dá)到40K作為一個(gè)半周期結(jié)束的參考標(biāo)準(zhǔn)。2.2.1 恒定速度下不同時(shí)間段多空介質(zhì)區(qū)域內(nèi)溫度分布如圖4所示為在1m/s的通氣速度下奇數(shù)個(gè)半周期時(shí)的溫度分布圖。即第1、2、3、4號(hào)曲線分別表示第一、三、五、七個(gè)半周期結(jié)束時(shí)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(gè)半周期結(jié)束時(shí)所達(dá)到的溫度保持不變，但高溫區(qū)域卻不斷擴(kuò)寬，這是由于預(yù)混氣體在多孔介質(zhì)中燃燒時(shí)，通過氣、固相間對(duì)流換熱，多孔介質(zhì)可以吸收并積累大部分燃燒熱，而當(dāng)新鮮混合氣體

11、再次進(jìn)入多孔介質(zhì)時(shí)，多孔介質(zhì)又將積累的部分熱量釋放出來，對(duì)混合氣進(jìn)行預(yù)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(zhì)區(qū)域內(nèi)熱量不斷增加并向兩邊傳遞，使得多空介質(zhì)燃燒器內(nèi)高溫區(qū)域不斷擴(kuò)寬。因此多孔介質(zhì)中的預(yù)混燃燒是一種增焓燃燒過程。 不同速度對(duì)多孔介質(zhì)燃燒室內(nèi)溫度分布的影響圖5 不同的速度下多孔介質(zhì)燃燒室內(nèi)特性參數(shù) 圖5所示為在不同通氣速度下第一個(gè)半周期結(jié)束時(shí)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(dòng)速度加快，高溫區(qū)域也略有加寬。這是因?yàn)樵趽Q向周期不變情況下，流速增大，進(jìn)入燃燒器的新鮮預(yù)混氣的質(zhì)量流量增加，單位

12、時(shí)間內(nèi)帶入體系的熱量相應(yīng)增加，使得體系內(nèi)溫度峰值升高。此外，當(dāng)氣體流速過低時(shí)，體系內(nèi)溫度出現(xiàn)下降趨勢(shì)；所以，對(duì)于極稀薄可燃?xì)怏w，應(yīng)以較大的流速導(dǎo)入燃燒器中，以利于燃燒或處理。但過大的流速會(huì)使得多孔介質(zhì)內(nèi)溫度升高甚至超過多孔介質(zhì)材料的承受能力而造成燃燒器的破壞，此外多孔介質(zhì)的蓄熱能力是有限的，隨著流速的增大，換向頻率增加，實(shí)際過程中會(huì)不利于燃燒的穩(wěn)定進(jìn)行。3.結(jié)論（1）在較大尺寸的多孔介質(zhì)下，采取先預(yù)熱燃燒器使之達(dá)到一定溫度分布后，再通入低濃度的甲烷也可以進(jìn)行燃燒反應(yīng)。（2）由于預(yù)混氣體的周期性往復(fù)換向，燃燒器中反應(yīng)區(qū)也周期性往復(fù)移動(dòng)，燃燒器形成高溫區(qū)較寬的梯形溫度場(chǎng)。（3）在速度不變的情況下，

13、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(kuò)寬。（4）預(yù)混氣體流速對(duì)多孔介質(zhì)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(dòng)速度加快，高溫區(qū)加寬。4.參考文獻(xiàn)1. 趙平輝，陳義良，劉明侯，丁敏，張根炬，多孔介質(zhì)內(nèi)層流預(yù)混燃燒的數(shù)值模擬 (中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)熱科學(xué)與能源工程系，2005，07一272.KeeRJ，Dixon一Lewis G，WarnatzJ，et al.A Fortran Computer Code Paekage for the Evaluation of Gas一Phase Multicomponent Transport

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