燃烧模型对甲烷_空气非预混数值模拟的影响
基于动态增厚火焰模型三维全可压缩非预混燃烧的大涡摸拟
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Swiss-roll型微燃烧器的燃烧数值模拟
Ｖ Ｏ１ ． ４２ Ｎ Ｏ． ３ ２０ｌ ３
案
加 熟
Ｉ ＮＤＵＳ ＴＲＩ ＡＬ Ｈ ＥＡＴＩ ＮＧ
２ ７
ＤＯ Ｉ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ￣ ．ｉ ｓ ｓ ｎ ．１ ０ ０ ２ — １ ６ ３ ９ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ３ ． ０ ０ ９
ｃ ｏ ｍｂ ｕ ｓ ｔ ｏ ｒ ｉ Ｓ ｂ ｅ ｎ ｅ ｉ ｆ ｃ ｉ ａ ｌ ｔ ｏ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｃ ａ ｌ ｅ ｃ ｏ ｍｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｍｅ ｔ ｈ ａ ｎ ｅ ．
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：Ｓ ｗｉ ｓ ｓ — ｒ ｏ ｌ ｌ ；ｍｉ ｃ ｒ ｏ — ｃ ｏ ｍｂ ｕ ｓ ｔ ｏ ｒ ；ｃ ｏ ｍｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ ；Ｆ Ｌ ＵＥ ＮＴ；ｎ ｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
微 尺度燃烧器 的重量轻 、寿命 长 、能量密度 高，与 电池相 比有 很大的优越性， 能够 满足 微型无人飞行汽车 、 微 型卫 星推进器 和微 型传感 器等对 微型 动力 源的需 求， 应用 前景 十分广阔…。 然 而随着空间尺 寸的缩小，微燃烧器 的面容 比迅速 增大 ，导 致燃烧热损 失很大，对微 燃烧器 内的燃烧 产生 了不利影 响［ 。 胡 国新［ ］ 等搭建 了氢气 与空气 预混 燃烧实 验装置 ，开展 了微细型腔燃烧特性 实验 研究 。 结 果表明： 由于微 细型腔外表面散 热损失 的增 大，火焰传播速 度减 小， 可燃浓度范 围明显缩小 。为解 决上述 问题 ，各 国学 者进行 了大量研究 。 Ｍａ ｒ ｕ ｔ ａ Ｋ￣ ４ １ 采用 Ｆ Ｌ ＵＥ Ｎ Ｔ对 １ ｍｍ直 径的流动反应器 中低雷诺数 的催化反应进行 了模拟研究， 得到 了不 同温度下各主要成 分在气相 区和铂催化剂表面 的分布情况 。Ｐ ａ ｕ ｌ Ｄ． Ｒ ｏ ｎ ｎ ｅ ｙ Ｅ ］ 开 发了一个 逆流 回热型燃 烧器 的模 型，研究表 明通 过壁面的逆 流换 热量对燃烧器
内燃机燃烧过程数值模拟和优化研究
内燃机燃烧过程数值模拟和优化研究内燃机是现代交通运输的重要动力，汽车、发电机、飞机、船舶等都离不开内燃机。
内燃机的效率和环保性是制约其发展的关键因素之一。
因此，研究内燃机燃烧过程的数值模拟和优化已成为当前研究的热点之一。
本文将从模拟和优化两个方面介绍内燃机燃烧过程的研究进展。
一、内燃机燃烧过程数值模拟1. 模拟方法内燃机燃烧过程的数值模拟一般使用CFD（Computational Fluid Dynamics）方法。
CFD是基于数值方法和计算机技术，利用数学模型和计算方法对运动流体的流场、传热、传质和化学反应等的数值计算与分析的一种方法。
2. 模拟模型内燃机燃烧过程的模拟一般采用三维动态模型，将燃油喷雾、气缸内空气和废气混合等复杂过程通过CFD模拟求解，并考虑模型的热力学、化学反应和燃烧等特性。
3. 模拟结果内燃机燃烧过程的数值模拟可以得到燃烧室内的压力、温度、速度等参数的分布，以及氧、碳氢化合物和氮氧化物等有害物质的生成和排放。
通过模拟可以优化发动机的燃烧室设计、进气系统和喷油系统等参数，提高发动机的效率和减少排放。
二、内燃机燃烧过程优化1. 利用EGR技术EGR（Exhaust Gas Recirculation）技术是指将废气回收并混合到进气中加以利用的技术。
利用EGR技术可以降低发动机的燃烧室温度和压力，减少氮氧化物的生成量，提高发动机的燃烧效率和换热效率。
2. 利用混合燃料技术混合燃料技术是指将两种或多种不同的燃料混合使用的技术。
利用混合燃料技术可以减少燃料的使用量，降低有害物质的排放量，提高发动机的燃烧效率。
3. 利用增压技术增压技术是指通过压缩空气的方式增加燃料的燃烧效率和动力输出。
利用增压技术可以提高发动机的效率和动力输出，减少废气排放。
4. 利用燃油喷射技术燃油喷射技术是指通过更精细的燃油喷射方式，使燃料可以更好地混合到空气中，从而提高燃烧效率和减少有害物质的排放量。
总之，内燃机燃烧过程的数值模拟和优化研究是当前发动机研究的重要方向。
微尺度条件下CH4_DME掺混燃料燃烧过程反应机理简化及数值模拟研究
大学硕士学位论文摘要近年来，碳氢燃料凭借高能量密度、质量轻、供电时间长等优点迅速吸引了国内外学者们的关注，基于碳氢燃料的微型动力系统获得了广泛研究。
微型燃烧器作为微型动力系统的核心部件，其工作性能与系统能量输出紧密相关。
但不同于常规尺度，微尺度燃烧面临着火焰淬熄和不稳定等挑战。
面对这些挑战，许多强化燃烧、稳定火焰的措施被研究者们提出。
我们课题组提出新的掺混方式，即甲烷/二甲醚/空气预混燃烧。
在前期实验工作中已经发现二甲醚的添加能大幅度拓宽可燃极限，有效促进甲烷的燃烧。
但实验平台测试技术有限，对甲烷掺混二甲醚燃烧的火焰动力学认识还不够充分。
数值模拟相较于实验方法能更便捷的获得燃烧过程的详细信息。
但当下适用于微尺度领域的甲烷/二甲醚混合机理尚未被开发出来。
因此，本文的工作之一是开发出适用于微尺度燃烧的甲烷/二甲醚混合燃料机理。
随后，运用该机理对甲烷/二甲醚/空气预混燃烧火焰动力学展开数值模拟研究，讨论二甲醚增强甲烷/空气燃烧稳定性的作用机制，并计算微燃烧器内的熵产率分析系统的㶲效率。
论文的主要研究工作和创新点如下：（1）采用DRGEPSA软件对甲烷/二甲醚详细化学反应机理进行骨架机理简化。
结合层流火焰速度敏感性分析，开发出适用于微燃烧领域的甲烷/二甲醚混合燃料机理（含有25个组分，96步基元反应）。
该机理能准确预测一个大气压下，当量比0.7至1.5，不同二甲醚掺混比的点火延迟时间、层流火焰速度。
利用所开发的机理，构建甲烷/二甲醚/空气在平板式微型燃烧器内的预混燃烧过程的三维数值模型进行模拟计算。
结果表明，该模型不论是火焰形态，还是吹熄极限，均与实验结果达到良好吻合。
（2）在不锈钢材质的平板式微燃烧器内，通过改变掺混比和当量比，完成了甲烷有无掺混二甲醚的火焰形态和吹熄极限基本对比。
发现掺混二甲醚后新增U型火焰和双峰U型火焰，并且当量比为0.9时倾斜火焰不存在。
讨论了贫燃和富燃条件对甲烷掺混二甲醚的作用原理，解释了添加二甲醚促进甲烷燃烧的主要原因。
多孔介质内预混合燃烧的二维数值模拟
多孔介质内预混合燃烧的二维数值模拟刘宏升;张金艳;解茂昭【摘要】为了研究预混气在多孔介质内过滤燃烧特性，根据多孔介质燃烧理论，建立了甲烷/空气预混气在堆积床内燃烧的二维双温模型。
给出了当量比、入口速度和小球直径等参数对温度分布的影响，分析了燃烧器内氧化铝小球的蓄热特性。
结果表明：火焰面的前缘呈抛物线形状，燃烧波波速在0．1 mm/s数量级；随着当量比增加，波速度减小，燃烧区域范围扩大；随着入口流速增大，燃烧最高温度升高，火焰面宽度变窄，燃烧波波速增大；随着氧化铝小球直径增大，火焰面厚度变窄，燃烧波速度增大；氧化铝小球在过滤燃烧中体现出良好的蓄热能力。
%In order to study the premixed filtration combustion characteristics of a porous medium, a two-dimensional combustion model of premixed gas in a porous medium was established based on the theory of porous medium combus-tion. The influences of the equivalence ratio, the intake velocity and the spherule diameter on temperature distribution were discussed. The heat storage properties of the alumina spherule in the burner were analyzed. The results show that the front edge of the flame presents a parabola structure and the combustion wave velocity has an order of 0.1 mm/s. The burning area extends and the combustion wave velocity decreases with the increasing of the equivalence ratio. Higher peak temperature, narrower flame width and faster combustion wave velocity occur as the inlet velocity increa-ses. The flame width gets narrower and the combustion wave velocity increases with the increasing of the spheruledi-ameter. The alumina spherule shows a good heat storage capacity in the premixed filtration combustion.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2014(000)007【总页数】6页(P814-819)【关键词】多孔介质;过滤燃烧;二维数值模拟;蓄热;当量比【作者】刘宏升;张金艳;解茂昭【作者单位】大连理工大学能源与动力学院，辽宁大连116024;大连理工大学能源与动力学院，辽宁大连116024;大连理工大学能源与动力学院，辽宁大连116024【正文语种】中文【中图分类】TK411.1过滤燃烧即多孔介质中的燃烧是自然界和工程中广泛存在的一种燃烧现象，因其具有燃烧效率高、可燃极限大、污染物排放低等特点，受到国内外学者的广泛关注［1］。
非线性拉伸对甲烷－空气预混火焰燃烧特性的影响
［1］Kelley AP，Law CK.Nonlinear effects in the extraction of laminar flame speeds from expanding spherical flames［J］.Combust Flame，2009，156（9）：44-51.
国内外已经有很多的学者研究了甲烷的层流燃烧特性。这些研究通常将拉伸对于火焰的影响假设为线性的，进而计算得到层流燃烧速率和马克斯坦长度。然而最近的研究表明，这些火焰速率的测量数据存在很大误差。Kelley等和Chen［1-2］通过实验展示了非线性拉伸的影响起到了重要的作用，将拉伸的影响简化为线性时会产生误差。因此，层流火焰的燃烧特性必须运用最新的燃烧理论进行分析。为了理解不同拉伸模型对火焰燃烧特性的影响 ，本文使用纹影和高速摄像系统记录了火焰燃烧的发展动态，同时运用了传统线性理论和非线性的燃烧理论测定了不同当量比条件下的层流燃烧速率和马克斯坦长度。
Kelley［1］运用传统线性方法计算火焰燃烧速率时，考虑了非线性拉伸的影响 ，并将层流火焰限定为以绝热和拟定常的方式传播，提出了非线性的火焰发展方程：
这个非线性的方程避免了求导的过程，从而提供了更精确的结果。计算得到无拉伸火焰传播速率Sl后就可以计算出未拉伸燃烧速率ul。他们之间存在的关系为：
这里ρb和ρu是燃烧气体和未燃气体的密度。ρu可以通过理想气体法则确定 ，ρb可以通过绝热平衡产物的性质计算得到。
【正文语种】中 文
煤层气也称“瓦斯”，是一种从煤床中提取出来的可燃混合气体，以甲烷为主要成分。它长期以来被视为煤矿安全的主要危害，在地下煤矿往往运用通风的方法稀释和移除这些可燃气体。每年全球煤矿工业释放到地球的煤层气大约有2 500万t，然而甲烷对于全球变暖的作用是二氧化碳的24.5倍。因此，停止将煤层气向大气排放，并通过收集对它们加以有效利用是非常必要的。尽管煤层气在发电和工业生产等领域已经得到了成功的应用，但将其用作交通运输工具的燃料，仍然存在着巨大的挑战。所以，研究了解甲烷的火焰速率以及火焰稳定性是至关重要的。
CFD数值模拟在燃烧领域中的应用研究
CFD数值模拟在燃烧领域中的应用研究随着科学技术的不断发展，在燃烧领域中，应用CFD数值模拟已成为研究的热点。
CFD（Computational Fluid Dynamics）是计算流体力学的英文缩写，是一种通过计算机数值模拟的方案，利用大量数值分析技术求解流体运动的数学方法。
它可以实现对流体流动的数值预测、计算和分析，并可利用这些结果进行研究和应用。
CFD数值模拟在燃烧领域中有着广泛的应用。
通过建立各种不同类型的模型，可以研究不同种类的燃料在不同条件下的燃烧特性。
这些模型种类包括单室模型、双室模型、膜壁燃烧模型等。
除此之外，还可以对燃料燃烧时所形成的各种复杂化学反应进行数值模拟，预测燃烧产物的组成和浓度分布。
在燃烧工程中，利用CFD数值模拟研究汽油、柴油和天然气燃料的燃烧过程是一个典型的例子。
数值模拟可以对燃烧室内的流场、温度场、和物质浓度场进行建模。
通过对燃烧室内流场的研究，可以减小燃烧室中的湍流程度，提高燃料的混合程度，同时提高能量的利用率，减少废气的产生。
另外，在CFD模拟中，物理反应与化学反应的能够被同时进行研究。
在这个过程中，反应速率和自由基的生成和互动、颗粒的运动、燃料氧化代谢和二氧化碳的排放等因素可以进行计算。
由此能够形成对不同燃料燃烧产生的气体及颗粒物的化学分析，从而为改善燃烧过程、提高烟气处理装置的效率提供理论分析依据。
应用CFD模拟还可以在燃烧领域中研究污染物排放和控制。
对于燃烧污染物的研究，常常采用CFD模拟来求解流体动力学、传热和化学分析等。
利用CFD数值模拟可以预测出排放物的生成位置，浓度分布和传播路径。
这些信息可以帮助工程师们采取最终的控制措施，从而达到最佳的效果。
通过研究CFD数值模拟在燃烧领域中的应用，我们可以发现其非常重要。
利用CFD模拟技术可以进行燃烧流场、化学反应和废气排放等物理过程的计算。
这方面的技术在未来的环保和节能领域中将有着广泛的应用。
非预混燃烧数学模型
′ 2 。在方程14.1-4中，用 f sec 代替 f 则得到 f sec 。因此用 f 和 f ′ 2 ，得到 f fuel 和 f fuel
′ 2 。根据次流的总 方程14.1-3可计算 psec ，用 psec 代替 f ，解方程14.1-5可得到 psec ′ 2 而不是 f sec ′ 2 解方程证明是对的。 量与总质量流率相比相对要小这一事实，用 psec ′ 2 基本上 对一个一阶近似值，在 psec 和 f sec 间的差异对 f fuel 相对敏感，因此， psec ′ 2 相同。 和 f sec 大涡模拟（LES）非预混模型 （The Non-Premixed Model for LES） 对大涡模拟（LES） ，解一个关于平均混合分数的方程，该方程除了 µ t 为次 网格尺度粘度以外，形式上与方程14.1-4相同。 不解混合分数方差的输运方程。取而代之，混合分数均方值模拟如下： f ′ 2 = C var L2 sgs ∇f
这表明在混合分数空间中只有在平面ABC （见图14.1.1） 上的点有效。 因此， 这两个混合分数，ffuel和fsec不能独立变化；他们的值仅在如果他们位于图14.1.2 所示三角形OBC里面时才有效。
图14.1.1：ffuel，fsec和fox的关系 Figure 14.1.1: Relationship of ffuel, fsec, and fox
φ i = φ i ( f fuel , psec , H * )
（14.1-15）
非绝热系统的例子包括有辐射、通过墙的传热、到或来自于分散相颗粒或小 滴的传热以及不同温度下的多入口系统。14-18页提供这样非绝热系统的混合分 数方法的其他细节。
空气燃烧火焰空间的数值模拟
空气燃烧火焰空间的数值模拟一、引言随着科技的不断进步，计算机技术的发展已经使得数值模拟成为了现代科学研究的重要手段之一。
在许多领域中，数值模拟已经取代了传统的实验方法，成为了一种更加精确、高效、经济的研究方式。
而在空气燃烧火焰空间的研究中，数值模拟也扮演了不可或缺的角色。
二、空气燃烧火焰空间的数值模拟空气燃烧火焰空间是一个复杂的物理系统，其中包含了许多不同的物理过程，如燃烧、传热、流动等等。
在过去，人们通常使用实验方法来研究这些物理过程，但是实验方法存在着许多问题，如成本高、时间长、难以控制等等。
因此，数值模拟成为了一种更加可行的研究方式。
在数值模拟中，人们通常使用计算机模拟的方式来模拟空气燃烧火焰空间的物理过程。
这种模拟方法可以根据物理方程和边界条件来模拟真实的物理系统，从而得到系统的各种性质和变化规律。
这种方法不仅可以减少实验成本，还可以得到更加精确的结果。
在空气燃烧火焰空间的数值模拟中，人们通常采用CFD （Computational Fluid Dynamics）方法来进行模拟。
这种方法可以将空气燃烧火焰空间看作是一个流体系统，通过求解流体动力学方程和热传导方程来模拟系统的物理过程。
这种方法可以模拟出空气燃烧火焰空间中的流动、温度、压力等各种物理量的变化规律，从而为研究者提供了更加精确的数据。
三、数值模拟在空气燃烧火焰空间研究中的应用数值模拟在空气燃烧火焰空间研究中有着广泛的应用。
其中，最为重要的应用之一是对燃烧过程的研究。
通过数值模拟，人们可以模拟出燃烧过程中的温度、压力、速度等各种参数的变化规律，从而更加深入地理解燃烧过程的机理和规律。
此外，数值模拟还可以用于研究燃料的燃烧性能。
通过模拟不同类型燃料在空气燃烧火焰空间中的燃烧过程，人们可以得到不同燃料的燃烧特性，为燃料的开发和利用提供更加精确的数据。
四、结论空气燃烧火焰空间的数值模拟是一种重要的研究手段，它可以为研究者提供更加精确的数据和更加深入的认识。
内燃机燃烧行为的数值模拟和优化设计
内燃机燃烧行为的数值模拟和优化设计内燃机是现代交通工具、农业机械、发电机等的动力来源之一，其效率和排放的优劣直接影响着车辆性能、环境污染和燃油消耗等方面。
因此，对于内燃机燃烧行为的数值模拟和优化设计已成为学术界和汽车工业界的研究热点。
1. 内燃机燃烧行为分析燃烧是内燃机动力的基本过程，其过程极其复杂。
为了更好地了解内燃机燃烧行为，需要先进行燃烧分析。
一般来讲，内燃机燃烧行为分析会涉及两个方面，即燃料与氧气的混合/喷射和燃烧过程。
燃料与氧气的混合/喷射：这一环节主要关注燃料如何与氧气进行混合或喷射，以及如何保证混合度的合理性。
一个好的混合过程能够使得燃烧更为完全，进而提高能量转换效率。
燃烧过程：这一环节主要关注燃烧过程中产生的各种现象，例如点火、火焰传播、烟雾和NOx等有害物质的生成等。
这些现象对于内燃机的性能和排放都有极为重要的影响。
2. 数值模拟技术在内燃机燃烧行为分析中的应用相比于实验方法，数值模拟技术有着更高效、更精准、更可控的优势，能够提供更加准确的数据。
因此，数值模拟技术已成为内燃机燃烧行为分析中不可或缺的一部分。
基于数值模拟技术，可以进行各种内燃机燃烧行为的模拟分析，例如流场模拟、燃烧模拟和排放模拟等。
其中，比较常用的数值模拟方法包括计算流体力学（CFD）和多物理场（MPC）方法等。
CFD方法的基本思想是通过物理规律及其数学描述来计算流体运动和热传递等现象。
通过CFD数值模拟，可以精准地分析内燃机中的流动、燃烧和排放等现象，并能够优化内燃机的燃烧过程，以提高内燃机的能量转换效率和降低排放。
MPC方法则是一种同时考虑多个物理场的数值模拟方法。
它可以模拟流体力学、热传递、燃烧、空气流动和化学反应等多个物理场之间的相互作用，从而更为准确地模拟内燃机燃烧行为。
3. 内燃机数值模拟的优化设计在内燃机数值模拟中，燃烧过程是重中之重。
而燃烧过程的优化设计是提高内燃机性能的重要途径。
燃烧室的优化：内燃机燃烧室结构的合理设计能够改善燃烧过程和热传递，从而提高发动机的热效率，减少排放。
非预混火焰中的流动及燃烧不稳定性的直接数值模拟研究
非预混火焰中的流动及燃烧不稳定性的直接数值模拟研究鉴于全球环境质量的不断下降以及当今以化石燃料为主的能源结构的局限性,使得清洁能源的利用问题越来越受到人们的关注。
这其中,氢能由于其高效、清洁等优点而格外引人注目。
然而到目前为止,由于对氢气燃烧机理和燃烧行为的认识尚未完善,这很大程度上限制了人们对氢能的安全开发和利用。
基于此,本文利用高精度直接数值模拟的方法对非预混火焰在流动和燃烧过程中的不稳定性行为和燃烧的内在机理做了详细研究。
在研究中利用768个处理器核进行了大规模的高效并行计算。
而且,为了能得到更精细的流场结构,在计算中考虑了实际燃烧中的详细化学反应过程。
本研究包括四方面的内容,分别为：(1)探讨了氢气非预混火焰在流动和燃烧过程中固有的流体动力学不稳定性。
(2)研究了由于氢气自身的快速扩散的属性诱发的热扩散不稳定性对非预混火焰结构的影响。
(3)探讨了燃烧室中非预混火焰因火焰、压力波及燃烧等因素的相互作用诱导的声学响应和热声耦合不稳定性的形成。
(4)建立于三维大规模的直接数值模拟中提供的海量数据的基础上,开展了对非预混燃烧中的输运模型的检验和发展的研究。
在流动和燃烧过程中自身存在的流体动力学不稳定性方面,分别开展了二维和三维直接数值模拟的研究,探讨了氢气射流撞击火焰在近场区域的不稳定性。
研究中发现,浮力驱动下的流动不稳定性对火焰外部涡旋结构的形成至关重要。
而且,捕捉到了由剪切效应引起的开尔文-亥姆霍兹不稳定性和相应的小尺度涡旋结构的形成,并且探讨了扰动对这两种不稳定性的响应。
通过比较二维和三维的模拟结果,发现二维模拟结果有一定的局限性,但它可以节省大量的计算资源,而三维结果的预测更为准确和精细。
通过大规模高精度的三维直接数值模拟,进一步研究了氢气非预混火焰中的热扩散不稳定性。
这种不稳定性是由氢气自身的快速扩散的性质诱导的。
研究发现,流场中固有的流体动力学不稳定性会引发非预混火焰的不稳定,而由优势扩散引起的热扩散不稳定性在一定程度上却能够减弱这种不稳定性的影响。
煤层气燃烧NOx生成特性及影响因素数值模拟
第42卷第9期热力发电V01．42N o9 2013年9月T H E R MA L P O W ER G E N E R A T t O N Sep．2013煤层气燃烧N O x生成特性及影响因素[摘数值模拟张清叶，李建雄河南机电高等专科学校，河南新乡453002要]采用非预混燃烧模型对煤层气燃烧及N O。
生成进行了数值模拟，研究了煤层气中甲烷浓度、过量空气系数及射流角度等因素对N O生成的影响。
结果表明：随着甲烷浓度的增大，N O，生成量增大，C H。
浓度从25％增大到45％时，燃烧室出口面上N0质量分数提高8倍左右；过量空气系数为1．00时，出口面上平均N0质量分数最大，过量空气系数在1。
oo以上增大时，生成N晚量降低；射流角度变化对燃烧温度及N o：生成的影响较小。
[关键词]煤层气；燃烧；N0，生成；甲炕浓度；过量空气系数；射流角度；数值模拟[中图分类号]T K l6[文献标识码]A[文章编号]1002—3364(2013)09—0059—04I D O l编号]10．3969／j．i s s n．1002—3364，2013．09．059N um er i cal s i m ul at i on on N O。
f or m at i on char act er i st i cs dur i ng coal be d m et hane c om bust i on and t he i nf l uenci ng f act or sZ hang Q i ngye，LI J i a nxi ongH en an M e c hani ca l and E l ect r i cal En gi ne er i ng C o l l ege，X i n xi ang453002，C hi naA bs t r a c t：O n t he ba si s of non—pr e m i xe d com bus t i on m ode l，t he com bus t i on pr oce ss and N O，f or—m at i on cha r act er i st i cs of c oa l be d m et hane w er e num er i cal l y si m ul at e d，t o i nves t i gat e t he ef f ect of f ac t or s l i ke t he m e t hane conc ent r at i on，t he e xce s s ai r r at i o and t he i et t i ng angl e on N O。
预混气体在不同多孔介质材料下燃烧的数值模拟
预混气体在不同多孔介质材料下燃烧的数值模拟为研究预混气体在不同多孔介质材料下的燃烧特性，采有计算流体力学的方法，对甲烷/空气的预混气体，在物性参数不同的固体小球堆积床内气体燃烧进行模拟研究。
给出当量比和入口速度等参数对燃烧特性的影响。
结果表明，堆积小球的多孔介质中火焰面传播速度数量级在10-4m/s。
在不同的物性参数下，依旧存在，移动速度与当量比成反比，与进气口速度成正比。
不同物性参数下，火焰面移动速度差别明显。
标签：多孔介质；过滤燃烧；火焰特性0 引言过滤燃烧是自然界以及工程中广泛存在的一种燃烧现象，因其具有燃烧效率高，污染物排放低等一系列的优点，受到国内外学者的广泛关注[1]。
最近几年，北方雾霾现象愈发的严重，已经严重影响人们的正常生产生活。
迫切要求加大气体燃料的应用推广。
而国内外学者专家对其中的过滤燃烧的研究涉及到预混燃烧能量的累积效应，火焰稳定性理论、火焰瞬时特性等多个方面[2]。
国内一般只是将多孔介质为一种连续介质，只对热物性参数和流动参数进行设置，无法反应多孔介质的形状特性，不考虑固相介质参数的变化。
本文建立二维堆积小球多孔介质气固两相模型。
对相同尺寸下的填充床尺寸、小球直径，以及相同的小球分布，选用氧化铝（Al2O3）、碳化硅（SiC）、氧化锆（ZrO2）三种材料的物性参数，对甲烷/空气预混气体在三种物性参数下燃烧进行数值模拟，并通过与实验对比验证了模型的有效性。
1 多孔介质燃烧模型为方便研究气、固相各自温度场的分布规律，及多孔介质形状对燃烧传播速度的影响，本文直接建立多孔介质固体区模型。
燃烧器直径为90mm，长度选为440mm。
小球填充床的孔隙率为0.41。
选取燃烧器的二维平面，对其进行截面切割。
2 数值模拟结果及分析预混气体在多孔介质堆积床内燃烧的过程，温度特性是极其重要的参数。
Zhdanok[3] 等实验研究，当采用当量比0.27、进口气体速度为0.43时，得到甲烷/空气在5.6mm的氧化铝堆积床内火焰面移动速度为0.2mm/s. 为验证模型的合理性，取入口速度0.43，当量比为0.25得到甲烷空气在6mm的氧化铝堆积床内火焰面传播速度为0.1986mm/s。
甲烷旋流预混燃烧的数值模拟研究
中国工程热物理学会 燃烧学 学术会议论文 编号：084177甲烷旋流预混燃烧的数值模拟研究杨朝乐，林伟荣，原 鲲*，于溯源清华大学核能与新能源技术研究院，北京 100084(*摘要：本文采用数值模拟手段，对甲烷旋流射流预混火焰进行了研究，重点考察了射流出口旋流数、反应当量比和射流出口速度对火焰形貌，以及NOx 和CO 排放的影响。
研究结果包括：NOx 和CO 的排放随着当量比的降低而下降；旋流可使CO 排放大幅下降，但主要发生在弱旋工况；对于弱旋流火焰，预混射流速度的提高增加了CO 排放，而在中强旋工况下，情况正好相反。
本研究结果为以后的实验设计和开展提供了理论指导。
关键词：预混，旋流，燃烧0 前言随着我国社会经济的快速发展，对包括天然气在内的清洁能源的需求正逐年上涨。
目前我国天然气占一次能源消费比重不到3.5%，尚不足国际水平（25%左右）的1/7。
但年度消费量增长迅速，近年来每年增幅在10%以上。
天然气已经成为一些城市客车的重要交通燃料，也成为北方许多城市冬季采暖的首选燃料。
与燃煤相比，天然气没有二氧化硫和粉尘排放，被称为清洁燃料，但是在氮氧化物（NOx ）减排方面效果有限。
天然气主要成分为甲烷，其燃烧产生的NOx 污染正逐渐引起人们关注。
天然气燃烧产生氮氧化物的机理主要是热力型氮和快速型氮，其中快速型氮的生成过程相对复杂，但热力型氮是最主要的生成产物，而且排放水平和火焰温度高度相关。
采用贫燃料预混火焰，可以大幅度降低火焰温度，从而将NOx 排放控制在很低的水平[1]。
预混火焰越接近贫燃极限，NOx 排放越低。
但是在接近贫燃极限的工况下，如何使预混火焰得到稳定成为问题的瓶颈。
作为一种稳定火焰的方式，旋流燃烧的火焰稳定能力已得到实践检验[2]，传统上还主要用来稳定扩散火焰。
旋流燃烧的主要功能包括：1）在火焰中心形成回流区以实现火焰稳定；2）强化燃气混合以提高燃烧效率；3）缩短火焰长度以节省燃烧室尺寸。
针对模拟燃烧情况的混合气体化学建模
针对模拟燃烧情况的混合气体化学建模随着科学技术的不断发展，燃烧化学研究作为一门重要的学科日益受到人们的关注。
在燃烧过程中，混合气体是一种常见的形态。
为了准确地研究混合气体化学反应机理，需要使用模拟燃烧情况的混合气体化学建模方法。
本文将介绍这一方法的基本原理、应用场景及未来发展方向。
一、基本原理混合气体化学建模是一种基于计算机模拟的科学方法，旨在描述混合气体中的各种化学反应过程。
在模拟过程中，需要考虑混合气体的组成、温度、压力等因素。
此外，还需要使用基于热力学和动力学计算的模型来估计化学反应的速率和能量变化等参数。
混合气体化学建模可以用来预测混合气体的化学反应路径和产物生成情况。
这对于工业燃烧、发动机燃烧等领域的研究和设计具有重要意义。
二、应用场景混合气体化学建模在工业燃烧、发动机燃烧等领域具有广泛的应用。
比如，在工业炉燃烧过程中，混合气体中的燃料和空气会发生复杂的化学反应，而燃烧产物又会对工艺效率和环境保护产生不同的影响。
使用混合气体化学建模方法，可以对燃烧产物进行定量预测和分析，为燃烧过程的优化提供科学依据。
此外，在发动机燃烧中，混合气体化学建模也发挥着重要的作用。
通过对混合气体性质的模拟和优化，可以提高发动机的工作效率和环境性能。
三、未来发展随着计算机技术的不断发展，混合气体化学建模的精度和效率不断提高。
未来，这一方法将在更多领域得到应用。
比如，基于大数据和人工智能技术的混合气体化学建模方法已经开始出现，预计将在化学工业、空气污染治理等领域发挥更加重要的作用。
同时，现有的混合气体化学建模方法还存在一定的局限性。
比如，对于一些复杂的化学反应，现有模型无法准确描述，需要进一步发展和完善。
此外，现有模型的计算量较大，需要在算法和软硬件设备等方面做出更多的优化改进。
四、总结混合气体化学建模是一种重要的科学方法，可用于预测混合气体中的化学反应和产物生成情况，同时还可为现代工业和发动机等领域的研究和设计提供科学依据。
甲烷燃烧温度随过剩空气系数变化数值模拟
甲烷燃烧温度随过剩空气系数变化数值模拟李振;李佳璇【摘要】采用Fluent软件的ED燃烧模型对不同过剩空气系数α下圆柱空腔内甲烷燃烧进行二维稳态模拟,得出其温度场的变化规律.圆柱空腔长2m,直径为0.6m,保持燃烧器额定功率230 kW不变,即保持燃气的喷射速度不变,保持燃气与空气的温度不变,使α在1.05～1.80范围内变化.结果表明:α对于甲烷燃烧的最高燃烧温度具有明显的影响,最高燃烧温度随α增大呈线性逐渐降低;改变α后最高燃烧温度均出现在x=1.2m左右,在此之前燃烧温度呈二次函数增长,在此之后燃烧温度呈线性缓慢减小并保持平稳,这表明α只影响炉膛内最高燃烧温度的值及高温区的范围,不能影响炉膛内温度的变化趋势.【期刊名称】《煤气与热力》【年(卷),期】2019(039)001【总页数】5页(P38-42)【关键词】过剩空气系数;圆柱空腔燃烧;温度场;二维稳态数值模拟【作者】李振;李佳璇【作者单位】山东省冶金设计院股份有限公司,山东济南250101;山东建筑大学热能工程学院,山东济南250101;山东济华燃气有限公司,山东济南250101【正文语种】中文【中图分类】TK224.11 概述目前，除了实验方法研究燃烧，还有一种比较好的方法，就是利用计算流体力学进行数值模拟。
计算流体力学(CFD)是在计算机上求解描述流体运动、传热和传质的偏微分方程组，并且对上述现象进行过程模拟。
CFD可用来进行流体力学的基础研究、复杂流动结构的工程设计，了解在燃烧过程中的化学反应，分析实验结果等[1-2]。
其基本特征是数值模拟和计算机实验。
Fluent是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机程序，是一种比较常用的CFD软件。
Fluent软件对预混及非预混等各种复杂的燃烧问题有比较好的研究效果，尤其是内置的化学反应模型自诞生以来一直占据着非常重要的地位[3-6]。
2 圆柱空腔燃烧的物理模型本数值模拟原本是三维几何模型，但是，考虑到以下原因：该三维模型为轴对称图形且具有旋转轴，Fluent软件提供了Axisymmetric Swirl的二维代替三维模拟的计算方式，二维模拟可以生成质量更高、数量更少的计算网格，我们采用二维对称轴旋转成三维的几何模型代替三维几何模型，获得了同等精度范围的模拟结果。
微燃烧器内甲烷催化燃烧的数值模拟
吸收受颗粒大小 、 颗粒密实程度等多种因素的影响 , 要实现煤质的在线分析 ,还有大量工作要做 。 参考文献 :
量的能量储备 ,还是在能量转换与利用效率上都明 显地优于传统的化学电池 。例如 , 碳氢燃料提供的 储能密度约为 40～50 MJ / kg ,而目前普遍使用的 、 性 能最好的锂离子电池只有 0. 4 ～ 0. 5 MJ / kg 。因此 , 即使燃料的化学能只有 10 %转变为电能 , 碳氢燃料 提供的储能密度也超过电池 10 倍以上 。正是由于 碳氢燃料的廉价和高储能密度的优点 , 微型发电系 统和微型推进系统的研究已经成为最近几年美国国 防和能源高技术研究的重点投资之一 。麻省理工学 院、 加州大学伯克利分校 、 普林斯顿大学以及南加州 大学等分别在美国 NASA 、 国防部 ( DOD ) 和能源部 (DOE) 的支持下进行了微型火箭 , 微型透平机和以 燃烧方式直接发电等动力微机电系统 ( Power MEMS) 的研 究 , 并 取 得 了 初 步 的 成 果 。日 本 也 把 动 力 MEMS 的研究列入新能源开发机构 ( NEDO) 的研究 计划之中 。 基于燃烧的动力 MEMS 中 , 如何实现微尺度条 件下燃料的持续稳定燃烧是制约系统成败的关键因 素之一 。在微尺度燃烧中 ,由于燃烧器尺度的减小 ,
k =1 j =1 K s N +N
g
2 物理模型和数学模型
计算中采用的物理模型是一个二维的有逆流换 热的 U 形通道反应器 , 计算中采用均匀网络 ( 见图 1) 。反应器长度为 10 mm ,通道宽度为 2 mm ,催化表 面为外径 2 mm 的外圆柱面 , 其上镀上一层 Pt 催化 剂 。催化表面置于燃气和烟气通道的交汇处 , 燃气 在催化表面着火燃烧 。本文联合使用 FLUENT[1 ] 和 DETCHEM[2 ] 数值模拟了甲烷/ 空气混合物在通道宽 度为 2 mm 、 长为 10 mm 、 布置不同催化剂表面微燃烧 器的燃烧过程 。
甲烷燃烧的数值模拟
甲烷燃烧的数值模拟及分析主要分为三个部分，第一部分讲解甲烷在炉膛内燃烧的模型建立的方法；第二部分对甲烷燃烧模型的数值模拟结果进行分析和比较；第三部分为结论。
一、模型建立1、在Gambit中建立计算区域在本例中建立圆柱形炉膛，并研究甲烷和空气在炉膛内的燃烧反应。
物理模型如下：甲烷入口直径为10mm；空气入口直径为50mm；炉膛为直径为500mm；长度为1200mm的圆柱形。
如图1。
图1圆柱形炉膛模型图2、绘制网格图2进口网格分布甲烷和空气进口的网格元素选择四边形网格，如图2。
炉膛表面的网格也是四边形网格，如图3。
图3炉膛表面网格分布图4炉膛表面网格分布图5炉膛出口网格分布图6炉膛内部网格分布3、指定边界条件图7炉膛边界条件Inlet1为甲烷入口，边界条件为速度入口；Inlet2为空去入口，边界条件为速度入口；Outlet为炉膛出口，边界条件为自由流；其他炉膛壁面为墙体，边界条件为墙体。
4、导入fluent具体信息如下：54440mixed cells,zone2,binary.326quadrilateral wall faces,zone3,binary.1900quadrilateral wall faces,zone4,binary.350quadrilateral wall faces,zone5,binary.218quadrilateral outflow faces,zone6,binary.204quadrilateral velocity-inlet faces,zone7,binary.18quadrilateral velocity-inlet faces,zone8,binary. 108880triangular interior faces,zone10,binary.11144nodes,binary.11144node flags,binary.缩放信息如下图：图8缩放信息图5、选择计算模型图9定义求解器图10考虑能量方程图11考虑粘性模型图12考虑辐射模型图12考虑燃料模型图13燃烧物质和炉膛材料6、操作环境的设置图14操作环境（压力场和重力场）7、设置边界条件图15空气入口边界条件空气入口的速度为8m/s，温度为300K，入口空气中氧气的含量为21%。
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第5期
张海军 , 等 : 燃烧模型对甲烷 / 空气非预混数值模拟的影响
485
速氧气环面的喷口沿轴向的流速 u a = 89 m / s, 全局 燃料当量比 !o = 0. 336, 全局燃烧属于贫油燃烧, 可 以减少固体颗粒的形成. 由于燃烧壁面材料是由石 英玻璃和陶瓷组成的 , 可以认为是绝热边界条件, 出 口条件为标准大气压 , 温度为 300 K
标量的条件脉动, 使得条件平均的脉动很小, 因此, 可以采用组分的条件平均浓度值来计算反应速率的 条件平均值 , 即可以在一阶水平上求解, 将流动的非 均匀性和反应的非线性解耦 [ 2] . 在湍流反应流中, 主要预测的是耗散标量的平 均值, 在湍流中这些平均值与瞬时值密切相关. PDF ( probabilit y densit y f unctio n) 模 型将 组 分分 为燃 料、 氧化剂和产物这 3 种. 燃料与氧化剂混合比例符 合某种概率密度函数 ( PDF ) , 采用 - PDF, 而且忽 略了标量耗散变化的影响[ 7] . 1. 2 污染物形成机理 燃烧 过程 中 排放 的氮 氧 化 物主 要 是 NO2 和 NO, 通常将 NO 2 和 NO 通称为 NO x , 燃烧装置排放 NO 比 NO2 含量多, 而且 NO 2 是由 NO 生成的, 因 而 , 在氧化氮数学模型中着重考虑 NO 的生成 . 在层流火焰及微观的湍流火焰中, NO x 有 3 种 不同的化学动力学形成过程 , 温度型 NO x 是燃烧器 中的空气中氮气燃烧氧化形成的; 快速型 NOx 是由 于在火焰前面高速反应形成的; 燃料型 NO x 是燃料 中含有氮化物氧化生成的 . 在非预混模型中的层流 小火焰模型是温度型 NOx , 采用预测[ O] 和 [ OH ] 的 方法描述 NOx 的形成. 在化学平衡模型中采用快速 型 NO x 的 [ O ] 和 [ OH ] 和 温度型 N Ox 方法分 别计 算[ 5 , 6, 8, 9] . 在 CM C 模型中采用温度型 NO x , NO x 概 率密度分布与 CH 浓度分布有很大的联系 , 在火焰 基部 NOx 主要是通过 CH 反应形成的 1. 3 数值方法
2 燃烧器物理模型
本文模拟的燃烧器原型结构如图 1 所示. H 为 石英玻璃管长度, 中心喷 口的直径为 10 mm, 燃烧 器表面材料为陶瓷. 燃烧器表面环形喷口的内径为 50 m m, 外径为 50. 8 m m, 套管是长度为 80 m m 和 直径为 61 m m 的石英玻璃材料制成. 与文献[ 4] 的 燃烧器相同, 模拟的火焰条件 与文献 [ 4] 的火焰 B 相同, 中心喷口的燃料局部当量比 !j = 4, 在中心喷 口处属于富油燃烧 , 沿轴向的流速 u j = 9. 3 m/ s, 高
上海理工大学学 报
2009 年 第 31 卷
实际燃烧现象大部分都是湍流燃烧, 因此 , 国内外对 湍流燃烧模拟进行了深入的研究. 在湍流燃烧中不但 要处理脉动标量的输运方程, 而且要求解时间平均的 化学反应方程 . 由于不同的燃烧模拟采用不同的方法 进行耦合, 导致目前湍流燃烧的模拟方法很多, 主要 有大涡模拟、 随机涡模拟、 概率密度函数输运方程模 拟、 条件矩模型、 简化概率密度函数模型、 关联矩模型 及基于简单物理概念的一些唯象模型等[ 2] . 本文分别采用非预混燃烧中化学平衡模型和层 流小 火 焰 模 型 . 文 献 [ 3, 4] 提 出 的 条 件 矩 封 闭 ( CMC) 模型也是一种常用的方法, 本文对条件矩封 闭模型也进行了分析和比较.
[ 5, 10, 11]
1 燃烧模型
甲烷- 空气的混合燃烧和烟气的流动都属于湍 流流动, 本文和文献[ 3, 4] 都采用标准 - 两方程模 型, 在模型中 , 是两个基本未知量, 为湍动能, 为 湍流脉动动能耗散率. 引入这两个量后, 控制方程组 增加了关于 , 方程, 使得控制方程组封闭 . 1. 1 燃烧模型和概率密度函数 化学平衡模型假设火焰在层流流动中假设反应 物和产物达到化学平衡, 用混合物的质量分数来表 示各个热力学参数的燃烧模型 , 在化学平衡火焰中 使用富油燃烧的极限 ( rich f lam mabilit y lim it , 简称 RF L) 选项, 当混合物分数大于富油极限值时, 不采 用平衡法计算, 可以节约运算量; 当小于富油极限 , 采用平衡法计算 [ 5] . 层流稳定小火焰模型将湍流火焰看成嵌入湍流 流场内的局部具有一维结构的薄的层流火焰的一个 系统 . 在该模型中化学反应的时间尺度与湍流燃烧 的 Kolmogrov 时间尺度相比要小 . 因此, 湍流燃烧的 层流小火焰模型是一种基于快速反应假设的模型, 在 火焰面以内 , 以分子扩散和输运过程为主 . 通常混合 物化学性质由混合物的质量分数和标量耗散来描述. 为了较准确地预测燃烧化学反应, 本文采用 GRI( gas research institute)
200093) ( 上海理工大学 能源与动力工程学院 , 上海
摘要: 对甲烷 - 空气的钝体燃烧进行了数值模拟 , 考虑了流体的湍流流动和扩散火焰燃烧的相互 作用. 模拟分别采用化学平衡模型和 GRI - Mech 3. 0 反应机理的非预混燃烧稳定层流小火焰模 型. 通过与文献实验数据的比较, 分析了上述两种模型的模拟结果和 M obini 等人的条件矩平衡封 闭模型的模拟结果的准确性. 研究表明, 上述 3 种燃烧模型的计算结果与实验结果均存在不同程度 的误差, 说明现有的燃烧模型尚需进一步完善 . 关键词: 钝体 ; 非预混燃烧模型 ; 层流小火焰模型 ; 化学平衡模型; 条件矩封闭模型 ; 数值模拟 中图分类号 : V 231. 2 文献标志码: A
Abstract: Bluff body combustion of methane and air was numerically investigated, taking into ac count the interaction between turbulent fluctuation and flame diffusion. The equilibrium flame mod el and the steady flamelet model with GRI - Mech 3 . 0 were chosen to evaluate the validity of com bustion models. Numerical results of the above two models, together with those of the conditional momentum closure modeling conducted by Mobini et al, were compared with some published exper imental data. Deviations from the experimental results were found for each of the three modeling methods. Obviously, it needs to work further to improve the existing combustion models. Key words: bl uf f body ; non pr em ix ed com bust ion m odel ; st eady f la m elet m odel ; chem ical equ il ibr i um m odel ; con dit iona l m om ent cl osur e m odel ; n um er i ca l si m ul a t ion 火焰稳定性是燃烧器设计过程必须考虑的重要 问题 , 钝体燃烧器是一种比较容易实现稳定火焰的 燃烧装置 . 形成钝体燃烧的条件是必须形成逆压梯 度, 环流速度必须远大于中心喷流 , 中心喷流滞止点 比环流喷流滞止点离喷口距离要近 . 环流速度越大 , 越容易形成回流. 钝体燃烧改变了流场的结构, 在钝 体燃烧内产生了回流区 , 回流区内有稳定火焰的作 用 . 影响火焰稳定的因素包括燃料进口速度和空气 环流速度及钝体的直径与中心直径的比例 [ 1] . 数值模拟已广泛应用于燃烧领域 . 工程中遇到的
反应机理, 该机理由 53 种物质和
325 个基元反应所组成. GRI- Mech 是一系列元素的 基元反应以及相关速率常数表达式. GRI 是一个优 化、 详细的化学反应机理, 在模拟天然气的燃烧火焰 和点火等过程方面是目前最准确的反应机理. CM C 模型假设在扩散燃烧中大多数组分浓度 和温度等标量的脉动量只与当地的混合分数的脉动 有关 . 由于基于混合分数的条件平均抑制了大多数
Evalution on combustion models used in CH 4 / air non premixed combustion simulation
ZHANG Ha i jun, CHEN Yung cheng , GUO Xue yan ( School of En er gy &P ow er Engin eer ing , Un iver sity of Sha n gha i for Scien ce a nd T echnology , Sha ngha i 200093 , Chin a )
第 31 卷
第 5期
J. University of Shanghai for Science and Technology
上海理工大学学报
Vol. 31
No. 5 2009
文章编号 : 1007- 6735(2009)05- 0483- 05
燃烧模型对甲烷/ 空气非预混数值模拟的影响
张海军, 陈永辰, 郭雪岩
[ 6] [ 6]
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本文采用 F LU ENT 6. 3 软件在联想深腾 1800 并行机上进行并行计算 , 采用基于压力的求解器 , 速 度场与压力场的耦合采用 SIM PL E 方法 . 动量、 组 分、 湍动能和湍流耗散率的离散格式均采用一阶迎 风差分格式 , 为了减少运算量, 采用了二维轴对称计 算域, 燃烧器的壁面采用标准壁面函数方法处理 .