高温空气燃烧过程流动、混合、燃烧、传热和NO生成的数值模拟

摘要

该文应用燃烧的基础理论和数学模型,对高温空气燃烧过程进行了理论分析和数学建摸.针对以燃料直接喷射(FDI)为代表的高温空气燃烧技术关键,以FORTRAN语言为编程工具,用自行编制的计算程序,分别对高温空气燃烧过程的三维湍流流动、湍流混合、湍流燃烧、耦合辐射传热过程和氮氧化物污染物NO<,x>的湍流生成进行了数值模拟,模拟计算结果与相似实验条件下的实验结果基本符合,变化规律一致.用自行编制的高温空气燃烧三维湍流流场计算程序,对多种操作条件和几何条件下高温空气燃烧湍流流动的三维速度场和流动特性进行了数值模拟和分析.结果表明,当燃气/空气的射流速度比约为1、燃气喷射位于中央空气喷嘴和壁面的中间位置、燃气逆向喷射、沿周向均匀布置较多的燃气喷嘴时,高温空气燃烧的湍流流动产生穿透型流场结构,有利于流场的合理组织和低氧条件的有效利用.回流区的形成能够实现燃烧产物的循环而产生低氧条件并被燃气射流有效利用.用自行编制的高温空气燃烧过程氮氧化物污染物NO<,x>的湍流生成计算程序,数值模拟了高温空气燃烧过程热力NO的生成和排放规律.结果表明:高温空气燃烧过程的热力NO排放浓度约为非高温空气燃烧的1/10.对高温空气的预热温度变化影响热力NO的生成规律进行了数值模拟,结果表明,随着空气预热温度从800℃增大到1000℃,热力型NO的排放浓度在20~40ppm范围内略有增大.以上这些结果与相似实验条件下的实验统计结果基本相符合.

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1燃烧科学的发展、应用和研究方法

1.1.1燃烧科学的发展

1.1.2燃烧科学的应用

1.1.3燃烧技术的研究方法

1.2燃烧过程的数值模拟

1.2.1燃烧数值模拟的步骤

1.2.2燃烧数值模拟的功能

1.3能源、环境面临的挑战与高温空气燃烧技术的发展

1.3.1 工业炉的能耗现状

1.3.2工业炉的污染状况

1.4高温空气燃烧技术的发展综述

1.4.1高温预热空气助燃和工业炉的节能

1.4.2高温预热空气助燃和污染物的生成

1.4.3高温预热空气助燃和NOx的抑制

1.4.4高温空气燃烧技术(HiTAC)

1.5论文研究的背景、意义、目标和内容

1.5.1高温空气燃烧的背景和意义

1.5.2论文研究的目的和内容

1.6本章结论

第二章高温空气燃烧的基础理论和数学模型

2.1引言

2.2高温空气燃烧的稳定特性分析

2.3高温空气燃烧的化学热力学和化学动力学基础

2.3.1简单化学反应系统SCRS

2.3.2守恒量混合份数

2.3.3 SCRS的理论燃烧温度

2.4高温空气燃烧过程的相似理论

2.5湍流控制方程与湍流模型

2.5.1雷诺方程

2.5.2湍流模型

2.5.3壁面函数

2.6气体燃料湍流燃烧的数学模型

2.6.1湍流扩散燃烧模型

2.6.2湍流预混燃烧模型

2.7辐射换热的数学模型

2.7.1热流法(Heat Flux Method)

2.7.2区域法(Zone Method)

2.7.3蒙特卡罗法(Monte Carlo Method)

2.8辐射换热的离散坐标法(Discrete Ordinate Method)

2.8.1引言

2.8.2离散坐标方程

2.8.3离散方向和数值积分格式的选取

2.8.4直角坐标系中离散坐标方程的数值解法

2.8.5射线效应和假散射(Rays Effects and False Scattering)

2.9氮氧化物NOx的生成机理

2.9.1热力型NOx(Thermal NOx)

2.9.2瞬发型NOx(PromptNOx)

2.9.3燃料型NOx(FuelNOx)

2.10 NOx的抑制方法

2.10.1热力型NOx的基本抑制方法

2.10.2瞬发型NOx的基本抑制方法

2.11NOx生成的数学模型

2.11.1湍流脉动影响的关联矩模型

2.11.2概率密度函数PDF反应速率模型

2.11.3 EBU-Arrhenius联合模型

2.12本章结论

第三章高温空气燃烧三维湍流流动的数值模拟

3.1引言

3.2高温空气燃烧过程的湍流控制方程

3.3计算区域和控制方程的离散化

3.3.1计算区域离散化

3.3.2建立离散方程的控制容积法

3.4流场求解的关键问题和求解方法

3.4.1交错网格和动量方程的离散

3.4.2动量方程的压力、速度修正算法

3.4.3代数方程组的求解方法

3.5计算用物理模型及边界条件

3.5.1计算用模型实验炉及参数

3.5.2边界条件

3.6计算程序设计

3.7计算结果及分析

3.7.1喷射速度比影响HiTAC流动特性的数值分析

3.7.2燃气喷射位置影响HiTAC湍流流动的数值分析

3.7.3燃气喷嘴布置方式影响HiTAC流场的数值分析

3.7.4燃气喷射方式影响HiTAC流场的数值分析

3.8本章结论

第四章高温空气燃烧湍流混合、燃烧过程的数值模拟

4.1引言

4.2高温空气燃烧湍流混合过程的数值模拟

4.2.1高温空气燃烧湍流混合过程的控制方程

4.2.2高温空气燃烧湍流混合过程的数值解法

4.2.3计算程序设计

4.3高温空气燃烧湍流混合过程的计算结果与分析

4.4高温空气燃烧过程燃烧场的数值模拟结果与分析

4.5本章结论

第五章高温空气燃烧耦合辐射传热过程的数值模拟

5.1引言

5.2高温空气燃烧耦合辐射传热过程的数值模拟

5.2.1高温空气燃烧耦合传热过程的控制方程

5.2.2高温空气燃烧耦合传热过程的数值解法

5.2.3计算程序设计

5.3计算结果与分析

5.4本章结论

第六章高温空气燃烧污染物NOx湍流生成的数值模拟

6.1引言

6.2高温空气燃烧NOx湍流生成的数值模拟

6.2.1高温空气燃烧NOx湍流生成的控制方程

6.2.2高温空气燃烧NOx三维浓度场的数值解法及程序设计

6.3计算结果与分析

6.3.1高温空气燃烧降低NO湍流生成的数值模拟

6.3.2预热空气温对NO湍流生成的影响

6.4本章结论

第七章结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表论文目录