【毕业学位论文】（Word原稿）旋转流中预混合火焰高速传播现象与稳定燃烧-热能工程

分类号 密级 编号 中国科学院研究生院 硕士学位论文 旋转流中预混合火焰高速传播现象与稳定燃烧 夏 亮 指导教师姓名 赵黛青研究员 广州能源研究所 申请学位级别 硕士 学科专业名称 热能工程 论文提交日期 2006. 6 论文答辩日期 2006. 6 培养单位 中国科学院广州能源所 学位授予单位 中国科学院研究生院 答辩委员会主席 中国科学院硕士学位论文 摘要 I 摘 要 低热值燃气由于其热值低而燃烧速率低，因此在高速来流中，火焰易吹熄。但是预混合火焰能够在旋转流中高速传播的现象说明：在旋流作用下，预混合火焰能起到在高速的来流中稳 定燃烧的作用。为全面掌握旋流预混合火焰的燃烧特性，并探讨将旋流预混合燃烧的稳燃特性用于实际的可行性，本论文采用数值模拟的方法，以绝热旋流预混合甲烷 /空气燃烧为对象，进行了如下几个方面的研究。 1、 对不同当量比条件下直管中均匀进口条件的旋流预混合火焰结构、稳燃特性和燃烧效率进行了研究。数值结果表明，火焰面在直管的 型。旋流切向速度一定而进口速度不断增大时， 靠近进口部分出现逆向压力梯度。当采用驻定法将火焰根部位置固定时，旋流切向速度和进口速度则满足线形变化规律。且燃烧效 率随着旋转切向速度增大而减小。若采用随半径线性下降的进口速度分布时，燃烧效率将提高；但预混合气流率相比均匀进口条件时下降。同时比较了一步有限不可逆反应模型（ 含有 16 种组分，25 种基元反应方程式的反应模型（ 计算结果，发现在当量比不超过 种模型的结果基本相同。 2、 直管旋流燃烧特殊的流场结构使得在不同的区域点火时，火焰发展情况不同。并最终影响了火焰的稳 定性。本文对不同点火位置条件下的燃烧进行了数值解析，燃烧反应采用不可逆有限速率甲烷 /空气一步总括反应，并引入无量纲参数 r+果表明：只有在低速区（ r+火，去掉点火后火焰才能最终稳定；而在高速区（ r+火时，火焰将会吹熄。文中还探讨了回流区的形成和发展过程对火焰的发展和最终稳定的影响。 3、 针对直管中旋流预混合燃烧效率低不适于实际应用的缺陷，本文采用数值研究的方法考察了突扩式管道中旋流预混合燃烧。计算结果表明在突扩式管道中出现了两个火焰面（内焰和 外焰）。双火焰面的形成使得燃烧效率提高接近至 此在预混气进口质量流率相同时，突扩管的燃烧热负荷大于直中国科学院硕士学位论文 旋转流中预混合火焰高速传播现象与稳定燃烧 中的燃烧热负荷。此外，由于突扩段使得旋流的衰减，进口段的逆压梯度增大；而提高了突扩管燃烧的吹熄速度，使得燃烧能在更大的来流速度范围内稳定。 关键词：低热值燃气，旋流预混合火焰高速传播，稳定燃烧特性，燃烧效率 中国科学院硕士学位论文 目录 or of is so HV of is of of in by of be is In to of of of of is in to as in 1. In of of in of is is of is an In of is at is of If r of be of be is At of 中国科学院硕士学位论文 旋转流中预混合火焰高速传播现象与稳定燃烧 t is of is 2. of of in be in in of is A r+is to us if in r+ be in in r+ in 3. of of in in a is of in is as in as of so of in be in of of of 国科学院硕士学位论文 目录 V 目 录 摘 要 . 录 . V 第一章 前 言 . 1 究背景 . 1 文的研究目的和内容 . 9 第二章 数值计算方法 . 11 析对象 . 11 算条件设定 . 13 本方程式 . 13 分方程的简化 . 15 界条件 . 16 值解析方法 . 17 学组分的热力学组分参数和传递参数的计算 . 21 应动力学模型 . 23 算程序结构 . 25 第三章 甲烷 /空气旋流预混合燃烧特性研究 . 29 烷 /空气旋流预混合火焰结构讨论 . 29 力分布和稳定燃烧的关系 . 31 口速度变化对火焰稳定位置的影响 . 33 同当量比条件下计算结果和最大切向速度和进口速度的关系 . 34 同反应动力学的计算结果比较 . 36 烧效率和热负荷随旋转速度的变化 . 38 变进口速度分布对燃烧效率的影响 . 39 结 . 40 第四章 点火位置对燃烧过程的影响 . 43 流燃烧流场形态分析和区域划分 . 43 中心轴上点火时的燃烧过程 . 44 中国科学院硕士学位论文 旋转流中预混合火焰高速传播现象与稳定燃烧 速区内点火的燃烧过程 . 45 速区内点火的燃烧过程 . 46 结 . 47 第五章 突扩式管中的燃烧特性和燃烧效率 . 49 扩管和直流管燃烧特性的比较 . 50 扩管中火焰面形态和它随进口速度的变化 . 54 扩管和直流管热负荷的比较 . 56 扩管和直流管吹熄速度的不同及其成因 . 56 结 . 60 第六章 结论 . 62 文创新点 . 62 文研究总结 . 62 议 . 63 参考文献 . 65 附表 1 . 69 附表 2 . 70 硕士期间主要研究成果 . 71 致 谢 . 73 中国科学院硕士学位论文 前言 1 第一章 前 言 究背景 热值燃气 应用的前景 分析 我国是一个以煤为主的能源消费大国，化石燃料大量消费带来的污染物和温室气体排放给生态环境造成严重损害，以煤为主的单一能源结构业面临能源资源紧缺的巨大挑战。据专 家估计， 到 2020 年，中国的能源需求总量将达到近25 30 亿吨标准煤， 无论从能源资源供给以及运输，还是对排放物的环境可承受容量，大力开发和利用高效清洁的能源转换技术，大力发展替代能源技术都是极为重要的，而且要寻找更广泛的燃料来源。 在上述背景下，低热值燃料的利用得到极大关注。根据发热量的大小气体燃料可以分为三类。发热量大于 高热值燃料，发热量在 中热值燃料，发热量小于 为低热值燃料。低热值燃气主要有以下几个来源：工业生产过程中产生的低热值燃 气，如高炉煤气、炼油伴生气、瓦斯气，生物质热解气化产物，包括生活垃圾焚烧，由生物质气化产生的燃气，热值约为 J/业生产废气（如高炉煤气和瓦斯气，热值分别为 J/ J/生活垃圾，热值约 些低热值能源资源的利用是提高我国能源利用效率的重要技术途径，同时处理了生产和生活的废气和垃圾，也满足了工业生产低污染排放和净化生活环境的要求。 虽然低 热值燃气有来源广泛，储量巨大的优点；但是低热值燃气的燃烧速率低，不易稳定燃烧 ， 燃烧时容易出现回火和吹熄 。特别是 在实际应用中，为取得高的燃烧热负荷来流速度一般较高的情况下 ，火焰容易吹熄。 种 稳定燃烧技术的比较 稳燃技术从方法上来说一般可分为两种： 一 . 优化着火条件的稳燃技术：浓缩煤粉燃烧，分级点火，高温预热；二 . 优化燃烧场结构的稳燃技术：钝体中国科学院硕士学位论文 旋转流中预混合火焰高速传播现象与稳定燃烧 2 燃烧器，旋流 扩散 燃烧 ， U 形管燃烧 。 一、 优化着火条件的稳燃技术 当煤粉浓度提高时，煤粉气流的着火热减少，着火温度降低，着火时间缩短，着火点提前。因此提高煤粉浓度可以提高火焰稳定性 1。在实际应用中，送入煤粉一般由浓缩器分为浓淡两股，称为一、二次风。方式主要有燃 烧器出口浓缩，原始浓缩和燃烧器前浓缩 1，水平浓淡风煤粉燃烧器就是其中有代表性的一种 2。浓淡旋流燃烧器是指将二次风再分成直流和旋流两股，用旋流二次风产生的回流区稳定火焰。一次风的浓度、直流风量大小、回流区大小都会影响燃烧的稳定性。高茂等 3发现直流二次风对整个燃烧器出口的较大，要稳定燃烧，直流二次风流量不应过大。边疆等 4提出回流区偏小使得浓一次风和旋流二次风过早混合而不能稳定燃烧。 分级点火是指首先产生一个小的高温热源作为一个稳定的点火源，再点燃其他的燃料。事实上，无论是燃煤或燃气，稳燃所需的仅 是一个稳定的高温热源。涂建华等 5研究了如何用电热管先点燃小股煤粉，再以这部分煤粉点火稳燃大量的煤粉，这种方法的最大好处是成本低。靳世平等 6提出用开缝钝体来稳定燃烧，该文作者通过对直流，钝体和开缝钝体三种不同的燃烧器进行实验比较，结果发现由于开缝钝体能促使小股缝隙燃料空气流直接进入钝体的尾流低速去，从而达到先着火目的，同时还发现低热值煤气在这种燃烧器中也能构强化燃烧，还可以解决尾部超温的问题。 高温空气预热技术是利用预热燃料或助燃气达到增大燃烧速率，进而稳定低热值燃料燃烧的技术。这种技术不但可以提高燃 烧速率，还可以利用燃烧器排烟的预热，起到节能的目的。朱彤等 7， 8对低热值煤气的高温空气燃烧过程进行了数值模拟，结论是采用高温空气预热技术可以使低热值燃气稳定燃烧。特别由于排烟的余热远大于预热助燃空气所需的热量，故采用同时预热燃气和空气的双预热方法要好与单预热方式。计算结果显示：预热后，炉内中心喷口轴线上的最高温度点位置明显提前，一氧化碳的变化速率明显快于不预热的结果，这都说明通过预热低热值燃气，反应速率加快，稳定了燃烧。区别于双预热方式，单预热方式是指只预热助燃空气，这种预热方式所能获得的燃烧最高温度低 于双预热方式 8，但也降低了 排放 9。 中国科学院硕士学位论文 前言 3 二、 优化燃烧场结构的稳燃技术 用钝体稳定燃烧的机理是利用在钝体后形成的高温低速区回流区作为稳定的点火源。因此，要保证稳定燃烧的关键是进一步强化高温烟气回流来加热未燃煤粉使它快速着火来增加燃烧的稳定性。钝体回流区内的高温烟气和回流区外的低温燃料气体，通过回流区边界进行的质量交换是它们进行热量交换的基础。而高温烟气通过回流区边界向燃料气流扩散的质量流量 10 2223 （ 1 1） 式中， 此增加 增加 且减小了媒粉挥发分浓度，对着火不利。在此基础上陈刚，邱纪华等提出了多种强化回流的稳燃方法 10， 11，效果比普通钝体要好的多。这些方法主要有：边界射流钝体稳燃器，中心回流稳燃腔，内外双回流稳燃腔和相交式高浓度煤粉燃烧器。边界射流和中心回流都是加大回流区边界外速度而强化烟气回流。相对边界射流稳燃器，中心 回流稳燃腔具有结构简单，易于实现的优点。但是它的问题在于内外回流区不能同时产生，影响了稳燃能力。内外双回流稳燃腔在此基础上增加了腔外两侧的外回流通道。这样内外回流同时加热煤粉气流，使之在进入炉膛的初期就可活得大量热量，促使煤粉提前着火和稳定燃烧 11。 旋转射流扩散火焰根据旋流强度的不同分为弱旋转射流和强旋转射流 12。强旋转射流时，旋流强度增加，沿轴向的反向压力梯度大到足以发生反向流动，形成内部回流区，由此产生在强旋转射流时，混合更强，燃烧强度更高，增强了火焰的稳定性。 13采 用 如图 1由内环和外环的根部分别进入可燃气（天然气，成分为甲烷 乙烷 氮气 的实验装置 和空气采用 喷嘴出口处流场有明显的回流区。他们发现这种燃烧器的稳定性由气流速度和喷嘴转数决定，即一定的转数下有一定的极限吹熄速度 ，并且转速越大吹熄速度也越大 。 图 1者测量了三种当量比下随着旋转强度改变的吹熄速度， 表示质量空燃比。在 =转数达到 3000以上时，火焰的颜色由黄色变成蓝色，这是旋转加强导致 混合增强，燃烧更剧烈导致的。 中国科学院硕士学位论文 旋转流中预混合火焰高速传播现象与稳定燃烧 4 图 1 3的 14，作者讨论了在多种条件下 果显示，在流量相同的条件下，为了满足连续性的要求， 为外侧）所外速度比直管同一位置处的流速要大，曲率半径小的一侧（称为内侧）的速度则比直管的小。这样的喷出速度分布使得 是由于内侧速度减小了，回火速度也会增大，即回火界限升高。 图 1 4给出了 见 够在较高的速度范围内稳定火焰。 上述所有稳燃技术中除煤粉浓缩技术外全部是应用于燃气燃烧的稳定。但普遍存在结构复杂，难于实现和燃烧器易损坏的特点。 对于低热值燃气的预混合燃烧稳定技术的研究需要另辟蹊径。 图 1燃烧器喷嘴结构示意图 图 1不同空燃比下火焰吹熄界限 N(图 管结构示意图 图 1 4. U 形管和直管的吹熄和回火速度比较 中国科学院硕士学位论文 前言 5 燃技术的实际应用举例 参混燃烧中稳燃技术的应用 在高炉煤气掺混煤粉的方式中，由于高炉煤气的热值低、不易燃烧，且燃烧后火焰面长，存在和煤粉燃烧抢风的问题，导致煤粉着火条件恶化。因此，一般混烧型高炉煤 气的喷嘴都布置在下方 15， 16，配以过量空气系数大于 1的空气，也是出于让高炉煤气在炉膛底部先行燃烧完全而不会影响到煤粉的燃烧的考虑。与此相似的是生物质原料（玉米芯、玉米秸、麦秸和棉材等）气化可燃气热值约为 J/ 3m ，属于低热值燃气。它们的燃烧也必须在有充足供气量的前提下，谷震昭 17给出了多种低热值燃气和空气的供气体积比。 在优化燃烧场结构方面，文献 18指出栅格式的喷嘴性能优于多管式喷嘴。虽然多管式喷嘴在锅炉容量小的时候稳燃性能可以，但随容量增大却 性能下降。而栅格式喷嘴为扩散型燃烧方式，它的阵列式结构使高炉煤气和空气混合更均匀，能对高炉煤气预热，能防回火并且结构紧凑。 除此之外，掺混燃烧场的不稳定性还和喷嘴结构、高炉煤气压力的频繁变化有关。高炉煤气压力的变化是因它在高炉内的产生量变化引起的 15。解决办法是加装稳压柜和减压装置来稳定压力。 全烧 型中稳燃技术的应用 17， 19， 20 由于低热值燃料的燃烧温度都很低，所以要优化着火条件就必须保证其燃烧有稳定的高温区。如 高炉煤气的着火点在 530理论燃烧温度为 130017。 为保证其稳定燃烧 必须保证燃烧室绝热性能好。为此，炉膛内要用耐火材料铺设、敷设卫燃带，耐火材料还可以吸收燃烧的高温辐射。炉膛结构采用“缩腰”型，这样的设计是为了减小燃烧区域的体积，炉膛更好的吸收辐射，形成局部高温区。用空气来吸收部分排烟热量，既可以提高燃烧的效率，又可以预热空气稳定燃烧。 而为了优化燃烧场， 燃烧器现均采用旋流式 。它是将空气和高炉煤气通过各自的通道流经喷嘴，经过导向叶片后产生旋流。优点在于能加强混合，燃烧更充分。 他稳燃技术 合理的参混比 中国科学院硕士学位论文 旋转流中预混合火焰高速传播现象与稳定燃烧 6 在低、高热值燃料的掺混燃烧中掺混比决定着掺混方法的可行性和 经济性，是一个重要参数。 水煤气、发生炉煤气和半水煤气等均为常压气化煤气，它们的成分主要为 值为 21。但当它们掺混了液化石油气之后，就可以产生出热值分别为 J/ J/ 模拟人工煤气和模拟天然气，可供直接使用。水煤气、半水煤气等和液化石油气的掺混分别比为 995584890 1325083460 生物质气化气的混烧方面，文献 22提出由甘蔗残余物气化出的燃气，其热值约为 J/ 合天然气燃烧。当 天然气和生物质气化气质量比达到 35，效率几乎不变。在质量比 40左右时，燃烧器功率最大。 延长燃烧时间 这种燃烧器 23的稳燃原理是利用螺旋式结构延长燃气和空气混合时间，从而加强燃气和空气的混合并使 燃烧器内完全氧化。这种燃烧器进气口布置在切向，由底部轴心处的丙烷本生灯点燃。 流 涡管中 预混合燃烧速率的提高 涡管中火焰的高速传播现象是 24于 1971 年发现在一个涡环中火焰的传播速度随着涡旋强度增加而线性增加，最大可达 1400cm/s。他的研究引起了很 多学者的关注。随后，在实验和理论两方面都不断的有研究报道。 理论研究方面，由 25 于 1977年提出 图 15所示， 通过观察火焰面前后的压差，并且考虑动量守恒定律。 他 认为整个过程可以类比水力跃迁过程。 图 1 5. 出的 理 中国科学院硕士学位论文 前言 7 0 )( （ 1 而从动量方程可以得到涡的压力分布。 （ 1 积分上式，可以的到： 2 m a （ 1 再综合 （ 1） 式 ， 最后 导出了火焰传播速度和 最大周向旋转速度、未燃气与已燃气的密度比的平方根成正比的关系如下式。 V m 1 焰面沿轴向传播速度， 最大周向速度， u 和 b 分别是未燃气和已燃气的密度。 6认为是火焰核心的变形导致了涡旋流场中火焰传播速度的增大。在非中心轴点燃预混气形成火焰后，火焰会向着中心轴移动并且形成雪茄 形 即轴向尺度比径向尺度大很多的形状。 7和 28 分别用斜压效应和涡旋的方位角分量探讨现象的机理，提 图 混合火焰分别在 (a) 静止流场和在 (b) 旋转流场中传播现象 出了计算火焰传播速度的关联式。 实验 研究中， 33 和 34， 35分别测定了涡环和直涡管中国科学院硕士学位论文 旋转流中预混合火焰高速传播现象与稳定燃烧 8 中火焰的传播速度，发现其值 不但 和未燃气与已燃气的密度比以及周向旋转速度成正比 ，而且还和燃烧速度有关 。 图 1 6 是 验测得的 最大旋转速度为 焰迅速传播。 但由于燃烧速度的数量级较周向旋转速度小很多，所以在理论公式中常被忽略。 33通过对实验数据的拟和给出了下面的关系式。 )1( （ 1 人 35还 研究了最大周向速度与火焰面两侧的密度比的影响。图 1 7 表示在四种密度比条件下， 赵和山下 36对 当量比 甲烷 /空气预混合燃烧进行了数值研究， 模拟了预混和气体在 直管中的旋流场的燃烧。 计算中通过附加一个与火焰传播方向相反的轴向速度使火焰驻定在计算 区域内，对强制涡和 的条件下已燃区和未燃区的速度、温度等多种物理量分布进行了详细的研究，探讨了现象发生的机理。 于 旋流涡管中预混合燃烧 技术实际 应用 的预测 上述研究 都 表明， 旋流涡管 中，沿涡轴的火焰传播速度会随着旋流切向速度增大而增大。如果将它 作为稳燃技术 应用到低热值燃气的燃烧 中 ，就可以解决低热值燃气燃烧速度低的问题。 该技术有结构简单，易于实现等优点。 但 在实际应用前，还必须掌握 旋流预混合火焰燃烧的特性 和 稳定燃烧的条件 。 为此本文采用数值模拟的方法对旋流预混合燃烧进行研究，目的在于给出 可以将此方法投入实际应用的理论预测和指导。 图 1 7. 不同密度比条件下火焰传播 速度和最大周向速度的关系 中国科学院硕士学位论文 前言 9 文的研究目的和内容 烷 /空气预混合 燃烧 特性的 深入 研究 针对圆管内强制涡作用下的甲烷 /空气预混合火焰，本文 在文献 36的基础上， 采用直接数值模拟的方法对涡管中 不同化学当量比的 甲烷 /空气预混合火焰的流场和燃烧特性进行了研究。考察了不同当量比下火焰传播速度和旋转角速度的关系；考察了旋转角速度对燃烧效率和火焰半径的影响； 分析了 流场形成与旋转和燃烧之间的关系；燃烧 探讨燃烧效率随火焰半径的影响以及提高燃烧效率的途径。 火位置对燃烧 稳定性的影响 根据已把握的旋转流中预混合火焰特殊的燃烧场结构，本研究预测点火位置将会影响火焰的形成，点火位置对旋流预混燃烧最终能否稳定至关重要。因此，本文采用数值模拟的办法，以强制涡作用下的旋流甲烷 /空气预混合燃烧为研究对象，考察了在流场的不同区域点火对燃烧稳定性的影响，并探讨了 流场结构和火焰稳定性的 内在联系 。 扩 管道中旋流预混合燃烧 特性和 效率 与直流管的对比 虽然周向旋转速度的提高使得预混合火焰能在更高速的 来流中稳定，但同时燃烧效率也大幅降低。 这使得旋流预混合燃烧技术的实际应用受到限制。 改变 来流速度的分布能够提高燃烧效率，但 由于流量受到限制， 热负荷 的提高有限 。因此为同时 大幅 提高燃烧效率和燃烧热负荷，本文研究了在 突扩 管道中旋流预混合燃烧 。 并将结果与直流管中的燃烧特性和效率进行了对比 。 结果表明：在不同的周向转速时，相对于相同来流速度的直管燃烧， 突扩 管中的燃烧都保持接近 很高的热负荷。 文中讨论了 高 效率的原因，并对 突扩 管和直管 中的燃烧特性 和吹熄速度 ，这对旋流预混和甲烷 /空气燃烧的实际应用提供了全面的理论基础。 中国科学院硕士学位论文 旋转流中预混合火焰高速传播现象与稳定燃烧 10 中国科学院硕士学位论文 数值计算方法 11 第二章 数值计算方法 析对象 本文的解析对象按照研究内 容分为直管中旋流预混合甲烷 /空气火焰和 突扩 管中的旋流预混合甲烷 /空气火焰，管道均为垂直放置。一定当量比的甲烷 /空气预混合气体从由底端管口流入管道。图 2 2别为直管和 突扩 管的柱坐标 图 2直流管 1数值计算区域 (0, 0) z (r (1 2 3 4 点火点 图 2直流管 2数值计算区域 (0, 0) 1 2 3 5 r (z (点火点 中国科学院硕士学位论文 旋转流中预混合火焰高速传播现象与稳定燃烧 12 系下的数值分析模型示意图和计算中采用的边界名称，为便于进行直流管和 突扩 管的比较，对图 2 1 做了改进得到的图 2 2 为计算中和 突扩 管进行结果比较的计算区域及边界名称。反应动力学模型采用甲烷的一步不可逆燃烧反应模型 21。图 2 1 管长 32径 16域均匀划分为 160（轴向） 160（径向）的网格；点火点坐标（ 00出口距离 r 坐标轴 24 2 2 管长 64径 16域均匀划分为 320（轴向） 160（径向）的网格，点火点坐标（ 016图 2 3 由两个半径