摘 要

多孔介质燃烧是一项可以有效提高燃烧温度、提高能源利用率、降低燃烧产生的有毒有害气体和温室气体的燃烧技术，氢气是热值高、燃烧不会产生温室气体的理想清洁能源，氢气在多孔介质内燃烧是满足可持续发展要求的科学课题。本文利用计算流体力学软件对基于多孔介质的氢气预混燃烧进行了二维数值模拟，研究了当量比（φ=0.3，0.35，0.40，0.45，0.50）、入口气体流速（u₀=0.3m/s，0.6m/s，0.9m/s，1.2m/s，1.5m/s）、下游填充球径（分别为3mm，6mm，8mm，10mm，13mm）、壁面散热系数（K=0W/(m²·K)，2.5W/(m²·K)，7.5W/(m²·K)，12.5W/(m²·K)，17.5W/(m²·K)，22.45W/(m²·K)）对轴线温度分布、流速分布和组分分布的影响。

研究结果表明：燃烧器内温度、流速、各组分摩尔分数沿轴线对称分布，呈抛物线型。增大当量比和入口气体流速都能显著提高轴线上的最高温度和最大气体流速，同时高温区段的温度和高流速区段的流速显著提高，但增大当量比使最高温度和最大气体流速的发生位置向上游迁移并加快反应速率，而增大入口气体流速使最高温度和最大气体流速的发生位置向下游迁移并减缓反应速率（反应速率由组分分布表征）；增大下游球径会使最高温度减小、最大流速增加、反应速率加快，但这种增幅或减幅都比较小；改变壁面散热系数主要影响了温度变化，具体表现在散热系数增大使燃烧器内各位置上的温度下降，而壁面散热系数对流速分布和反应速率的影响不大。本文用多个指标分析了多个参数变化对于燃烧器内的燃烧特性，较为全面地研究了氢气/空气蓄热燃烧特性。

关键词：多孔介质；氢气燃烧；数值模拟；当量比；入口流速

Abstract

Porous media combustion technology can effectively increase the combustion temperature, energy efficiency, reduce the toxic or harmful gases and greenhouse gases from the burning and hydrogen is ideal clean energy with its high calorific value and burning produce no greenhouse gas, so hydrogen combustion in porous media is one of the science subjects that satisfies the requirement of the sustainable development. In this paper, a computational fluid dynamics software was used to conduct two-dimensional numerical simulation of premixed combustion of hydrogen gas based on porous media, and the effects of equivalent ratio(φ=0.3,0.35,0.40,0.45,0.50), inlet gas velocity(u₀=0.3m/s,0.6m/s,0.9m/s,1.2m/s,1.5m/s), downstream filled sphere diameter(select 3mm,6mm,8mm,10mm and 13mm repectively), and wall heat dissipation coefficient(K=0W/(m²·K),2.5W/(m²·K),7.5W/(m²·K),12.5W/(m²·K)，17.5W/(m²·K),22.45W/(m²·K)) on axial temperature distribution, velocity distribution and composition distribution were studied.

The research results show that the temperature, velocity and mole fraction of each component are distributed symmetrically along the axis of the burner in a parabolic shape. Increasing the equivalent ratio and inlet gas velocity can significantly improve the highest temperature on the axis and the maximum gas velocity, and the temperature in the high temperature section and the velocity in the high velocity section increased significantly at the same time, but increasing the equivalent makes the location of the maximum temperature and the maximum gas velocity migrate to the upstream and speed up the reaction rate, while increasing the inlet gas velocity makes the location of the maximum temperature and the maximum gas velocity migrate to the downstream and slow down the reaction rate(reaction rate is characterized by component distribution). The maximum temperature, maximum flow rate and reaction rate would be influenced by increasing the diameter of the downstream sphere, but the increase or decrease of the maximum velocity would be small. Changing the wall heat dissipation coefficient mainly affects the temperature change, which is manifested in the increase of the heat dissipation coefficient and the decrease of the temperature at each position in the burner, but the wall heat dissipation coefficient has little influence on the velocity distribution and reaction rate. In this paper: the combustion characteristics of hydrogen/air thermal storage and combustion are analyzed by means of multiple parameters.

Key Words：porous media；combustion of hydrogen；numerical simulation; equivalence ratio；inlet flow velocity

目 录

第1章 绪论 1

1.1 背景与意义 1

1.2 多孔介质燃烧研究现状 2

1.3 氢气在多孔介质中燃烧研究现状 4

1.4 本文研究内容 5

1.5 技术路线 5

第2章 理论分析和模型研究 7

2.1 理论基础 7

2.1.1 多孔介质 7

2.1.2 当量比的定义与计算方法 8

2.1.3 氢气燃烧基元反应 9

2.2 物理模型 10

2.2.1 模型尺寸 10

2.2.2 模型假设 11

2.3 控制方程 11

2.4 边界条件 13

第3章 结果与讨论 14

3.1 数值模拟模型与实验结果相验证 14

3.2 当量比对燃烧特性和流场分布的影响 14

3.3 预混气体入口流速对燃烧特性和流场分布的影响 21

3.4 填充球球径对燃烧特性的影响 24

3.5 壁面散热系数对燃烧特性的影响 27

第4章 总结和展望 30

4.1 主要结论 30

4.2 研究展望 31

参考文献 32

致谢 35

第1章 绪论

1.1 背景与意义

人们生产生活与经济发展都离不开能源，随着社会不断进步，对能源的需求日益增加。尽管许多国家和地区都在有意识地优化能源结构、发展可再生能源及相关技术，但一次能源仍然在当前能源结构中占主体地位。要解决能源需求不断增加和一次能源不断减少之间的矛盾，就必须依靠优化能源结构、发展可再生能源及相关技术以及通过技术革新不断提高能源利用率。在能源利用结构中，除了石油要用于生产各类石油产品提供生产的原料之外，不管是煤、天然气这样的一次能源，还是太阳能、水能、风能等可再生能源，大部分都用于提供国民经济各个部门的电力和热能动力，包括石油产品中的石油燃料也是重要的动力来源。在人们利用的总能量中，有80~90%^[1]的能量来自于燃烧产生的能量。交通工具的运行、化工生产的高温条件、火力发电、日常供暖和烹饪，社会生产生活的各个方面都利用了燃料燃烧产生的能量。因此，要想提高能源利用率，其中最关键的一环就是提高燃烧效率。化石燃料燃烧带来的另一个问题就是氮氧化合物的排放。多孔介质蓄热燃烧是一种新型燃烧技术，具有独特的传热机制，比起传统自由火焰燃烧，这种技术能够在显著提高燃烧效率的同时，控制氮氧化物排放^[2]。多孔介质燃烧就是使燃料和氧气在导热性能良好且耐高温的多孔介质材料内燃烧的技术，其原理如图1.1所示：混合气体进入多孔介质后被引燃，火焰稳定在孔径不同的两种多孔材料交界面附近，反应产生大量的热主要通过导热的方式迅速传递到燃烧室的其他部分，使得固体中的温度分布比较均匀，同时也加热了预混气体，减少了热损失。利用这种回热机制，可以达到更高的燃烧温度（高于绝热温度）并在较低的当量比（相比自由火焰）下增加热辐射输出^[3]，从而提高燃烧效率。另一方面，火焰传播速度快使得CO排放量减少（对于含碳燃料）；而局部最高温度维持在较低水平降低NO_x的排放^[4]。