預混氣體在不同多孔介質材料下燃燒的數值模擬

摘 要：為研究預混氣體在不同多孔介質材料下的燃燒特性，采有計算流體力學的方法，對甲烷/空氣的預混氣體，在物性參數不同的固體小球堆積床內氣體燃燒進行模擬研究。給出當量比和入口速度等參數對燃燒特性的影響。結果表明，堆積小球的多孔介質中火焰面傳播速度數量級在10-4m/s。在不同的物性參數下，依舊存在，移動速度與當量比成反比，與進氣口速度成正比。不同物性參數下，火焰面移動速度差別明顯。

關鍵詞：多孔介質；過濾燃燒；火焰特性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.22.003

0 引言

過濾燃燒是自然界以及工程中廣泛存在的一種燃燒現象，因其具有燃燒效率高，污染物排放低等一系列的優點，受到國內外學者的廣泛關注[1]。

最近幾年，北方霧霾現象愈發的嚴重，已經嚴重影響人們的正常生產生活。迫切要求加大氣體燃料的應用推廣。而國內外學者專家對其中的過濾燃燒的研究涉及到預混燃燒能量的累積效應，火焰穩定性理論、火焰瞬時特性等多個方面[2]。國內一般只是將多孔介質為一種連續介質，只對熱物性參數和流動參數進行設置，無法反應多孔介質的形狀特性，不考慮固相介質參數的變化。

本文建立二維堆積小球多孔介質氣固兩相模型。對相同尺寸下的填充床尺寸、小球直徑，以及相同的小球分布，選用氧化鋁（Al2O3）、碳化硅（SiC）、氧化鋯（ZrO2）三種材料的物性參數，對甲烷/空氣預混氣體在三種物性參數下燃燒進行數值模擬，并通過與實驗對比驗證了模型的有效性。

1 多孔介質燃燒模型

為方便研究氣、固相各自溫度場的分布規律，及多孔介質形狀對燃燒傳播速度的影響，本文直接建立多孔介質固體區模型。燃燒器直徑為90mm，長度選為440mm。小球填充床的孔隙率為0.41。選取燃燒器的二維平面，對其進行截面切割。

2 數值模擬結果及分析

預混氣體在多孔介質堆積床內燃燒的過程，溫度特性是極其重要的參數。Zhdanok[3] 等實驗研究，當采用當量比0.27、進口氣體速度為0.43時，得到甲烷/空氣在5.6mm的氧化鋁堆積床內火焰面移動速度為0.2mm/s. 為驗證模型的合理性，取入口速度0.43，當量比為0.25得到甲烷空氣在6mm的氧化鋁堆積床內火焰面傳播速度為0.1986mm/s。火焰面寬度能達到50mm左右，這與Zhdanok[3] 等實驗現象較為相符。在整個燃燒過程中，火焰面區域的最高溫度沒有幅度較大的變化出現，高溫區呈現向下游移動的趨勢，這與文獻[4]的實驗結果比較吻合。在初期火焰面寬度比較窄，火焰面上游比較平滑，隨著反應的進行，該平面逐漸彎曲，呈現出二維拋物面形狀。這主要是在忽略邊壁熱損失的條件下，邊壁粘性阻力的存在是該處氣流速度較低，相應的中間位置氣流速度較高，燃料供應量多的化學反應快，區域溫升快。

選取其中氧化鋁小球堆積床模型模擬結果與文獻[3]的實驗結果做比較。比較結果如圖1所示，當當量比和入口速度取值相近時，模擬的結果與實驗的結果能夠很好的吻合。模擬結果能夠基本準確得預測預混氣體在氧化鋁堆積床內燃燒的火焰傳播速度值，以及速度變化趨勢。本次建立模型能有效的反映出小球堆積床內火焰面移動速度特性。

圖2所示，是在不同物性參數材料下，不同的入口速度和當量比下火焰傳播速度圖像。即便是在不同的材料下，火焰面速度隨著當量比的增加，又降低的趨勢，這主要是因為，當量比的增大，相當于混合氣體中燃料量的增大，使得在多孔介質材料內，燃燒的化學反應進行的更加充分，過濾燃燒更加穩定，在一定程度上，減緩了火焰面的傳播速度。

三種物性參數下的多孔介質材料，火焰面在氧化鋯材料下傳播速度是對快的，在碳化硅材料下傳播速度是最慢的，這兩者之間的差值最大能達到0.1754mm/s，而氧化鋁材料下速度介于兩者之間。這主要是由于氧化鋯材料導熱系數與氣體導熱系數之間差值在三者之間是最小，火焰面傳播阻力最小。

3 結論

論文利用FLUNENT軟件，對長為440mm，直徑為90mm不同物性參數的堆積床，進行甲烷/空氣的預混合燃燒數值模擬，得到如下結論：

（1）火焰在堆積床內燃燒具有明顯的過濾燃燒特性，火焰燃燒波波面呈現明顯的二維拋物線形狀。火焰傳播速度的數量級維持在10-4m/s；

（2）火焰的傳播特性受到多孔介質物性參數的影響較大，在氧化鋁材料下火焰傳播最穩定，導熱系數小氧化鋯材料下火焰傳播速度最快，輻射率大的碳化硅材料下火焰傳播過程中最高溫度變化幅度最大；

（3）在不同的物性參數下，火焰傳播速度與入口速度呈正比，與當量比呈反比。

參考文獻：

[1]KAMAL M M，MOHAMAD A A，ABDULLAH M Z， et al. combustion in porous media： a review [J].a review [J].Journal of Power and Energy， 2006， 220（1）： 487-508.

[2]MUJEFBU M A， ABDULLAH M Z， ABUBAKAD A A， et al. Combustion in porous media and its applications-a comprehensive survey[J].Journal of Environmental Management，2009，90（3）：2287-2312.

[3]Zhdanok S A，Kennedy L A，Koester G，Superadiabatic combustion of methane air mixtures under filtration in a packed bed [J].Combustion and Flame，1995，100（1/2）：221-231.

[4]史俊瑞，謝茂昭，劉吉堂等.稀預混氣體低速過濾燃燒的實驗研究[J].大連海事大學學報，2008，34（02）：69-72.