旋转流中预混合火焰的高速传播现象——I.稳燃特性及燃烧效率的提高

旋转流中预混合火焰高速传播特性的研究为强化低热值燃气的稳定燃烧提供了新的开发思路.针对圆管内强制涡作用下的甲烷/空气预混合火焰,本工作采用数值模拟方法分析了混合气的进口速度和旋转角速度对预混合火焰稳定燃烧的影响.结果表明,在不同当量比条件下,使火焰稳定的混合气进口速度和旋转角速度之间存在线性关系,但随着旋转角速度的增大,火焰半径变小,燃烧效率减小.改变混合气进口速度的分布形式是提高燃烧效率的有效方法.研究结果为实际的稳燃燃烧器设计提供了理论指导.     

旋转流中预混合火焰高速传播现象-II. 点火位置与燃烧过程

在前期关于Vortex-bursting旋流式预混燃烧器的燃烧效率及其进口混合气速度分布对燃烧效率的影响实验基础上，围绕燃烧器的点火特性，对旋流场中的点火位置和稳定火焰形成进行了数值分析. 结果表明，不适当的点火位置会影响稳定火焰的形成，在相同的燃烧工况下，在流场中点火位置不同，火焰的发展出现不同的趋势. 在靠近中心轴附近的低速区点火时，火焰能够稳定；在靠近管壁的高速区点火时，撤离点火源后，火焰吹熄. 本结果对于强化预混合燃烧的稳定性具有理论和工程指导意义.     

旋转流中预混合火焰高速传播现象—II.点火位置与燃烧过程

在前期关于Vortex-bursting旋流式预混燃烧器的燃烧效率及其进口混合气速度分布对燃烧效率的影响实验基础上,围绕燃烧器的点火特性,对旋流场中的点火位置和稳定火焰形成进行了数值分析.结果表明,不适当的点火位置会影响稳定火焰的形成,在相同的燃烧工况下,在流场中点火位置不同,火焰的发展出现不同的趋势.在靠近中心轴附近的低速区点火时,火焰能够稳定;在靠近管壁的高速区点火时,撤离点火源后,火焰吹熄.本结果对于强化预混合燃烧的稳定性具有理论和工程指导意义.     

凹槽稳焰的超音速燃烧室内混合和燃烧特性分析

采用数值计算方法分析超声速气流流过安装凹槽稳定器的燃烧室气动机理和边界层对混合和燃烧的影响。复杂的激波、膨胀波结构和激波边界层的作用有利于气流混合;同时,凹槽内的低速回流区不断和主流气体发生质量动量交换,可以起到点火和火焰稳定的作用。     

全氧燃烧玻璃窑炉火焰空间的数值模拟

利用CFD软件FLUENT,通过加载k-ε湍流模型、渦耗散反应模型与DO辐射模型,采用数值模拟的方法对一座全氧燃烧玻璃窑炉的火焰空间进行计算,从而获得了实际工况下火焰空间的温度场、速度场及压力场.分析表明,喷枪口的错排有利于火焰空间温度场的均匀分布,适当抬高火焰空间碹顶的高度可以降低烟气对碹顶的冲刷.同时,降低火焰空间水蒸气的浓度,可以有效延长窑炉的使用寿命.     

全氧燃烧玻璃纤维窑炉火焰空间的数值模拟

以研究和优化玻璃纤维窑炉的燃烧制度和火焰空间喷枪排列为目的,借助CFD软件FLUENT,建立了全氧燃烧玻璃纤维窑炉火焰空间的三维数学模型,针对现有燃烧制度的不足,利用模拟的方式进行改进。结果表明,碹顶处模拟值与实测值的平均相对偏差为8．70％,玻璃液面处模拟值与实测值的平均相对偏差为2．32％;第3、4对喷枪处气流分布不均匀,导致对应的碹顶处热负荷较高;改进后的火焰空间可以在保持温度场分布合理的情况下,有效的降低碹顶的热负荷,改善火焰空间的气流场分布。     

不同三维微通道中被动混合特性的研究

Based on the transport phenomena theory, the passive mixing of water and ethanol in different three-dimensional microchannels is simulated numerically. The average variance of water volume fraction is used to index the mixing efficiency in the cases with different Reynolds number and different fabricated mixers. The results show that the efficiency of liquid mixing is progressively dependent on the convective transport as the Reynolds number increases. The efficiency of serpentine microchannel decreases with the increasing Reynolds number in the laminar regime. Altering the aspect ratio of channel inlet section has no significant effect on the mixing efficiency. Increasing the area of channel inlet section will cause the decrease of the mixing efficiency. The mixing in serpentine channels is the most efficient among three different mixers because of the existence of second flow introduced by its special structure.     

氨气/甲烷贫预混旋转湍流火焰稳定性及NO生成

为了研究氨气/甲烷掺混燃气在贫预混旋转湍流状态下的火焰稳定性及NO的排放特性,设计建造了一个可视化的旋转湍流燃烧装置,开展了一系列的实验测量研究。研究表明：随着当量比增大,氨气火焰稳定燃烧的范围有所扩大,但当氨气掺混比大于0.60时火焰出现上下振荡现象,继续增加将导致火焰吹熄;NO的排放水平随当量比增加而提高;但在相同的当量比下,NO的排放随氨气掺混比的增加先升高再下降。此外,分别采用化学反应器网络（CRN）方法和一维层流预混火焰计算方法,对相应的火焰状态进行了数值计算分析,虽然计算结果与实验结果误差较大,但其预测的NO排放特性随氨气掺混比、当量比的变化趋势是一致的,对三者之间误差的来源进行了分析。     

同轴管甲烷逆流燃烧器中火焰结构与燃烧稳定性

用骨架反应机理对同轴管甲烷逆流燃烧器进行分析能够很好地了解火焰结构与燃烧器内的温度分布,并得到各处的火焰拉伸率及相关参数。随着空气流量（Q_A）的增加,火焰形状由扁平型变化为弯曲型,并逐渐将内管管口包覆,火焰厚度逐渐减小。当量比（ER）较大时,火焰附近温度与物质的分布较为稀疏,而ER较小时,其分布较为紧密。内管壁面上热通量H_f随着的Q_A增加而逐渐加强;总的传热量H在Q_A=2540 ml·min^-1达到最大。当ER≥3.00时,火焰拉伸率κ开始时缓慢变化,在越过燃烧器内管边缘后快速增加,但最终不大于65 s^-1。在ER<1.00时,火焰呈弯曲状,长度较长,κ值变化剧烈,最大可以达到638 s^-1,并在火焰末端κ值变为负数,最小值为-262 s^-1。     

氨气/甲烷贫预混旋转湍流火焰稳定性及NO生成

为了研究氨气/甲烷掺混燃气在贫预混旋转湍流状态下的火焰稳定性及NO的排放特性,设计建造了一个可视化的旋转湍流燃烧装置,开展了一系列的实验测量研究。研究表明：随着当量比增大,氨气火焰稳定燃烧的范围有所扩大,但当氨气掺混比大于0.60时火焰出现上下振荡现象,继续增加将导致火焰吹熄;NO的排放水平随当量比增加而提高;但在相同的当量比下,NO的排放随氨气掺混比的增加先升高再下降。此外,分别采用化学反应器网络（CRN）方法和一维层流预混火焰计算方法,对相应的火焰状态进行了数值计算分析,虽然计算结果与实验结果误差较大,但其预测的NO排放特性随氨气掺混比、当量比的变化趋势是一致的,对三者之间误差的来源进行了分析。     

高碹顶玻璃熔窑全氧燃烧火焰空间的三维数值模拟

以优化玻璃熔窑结构,提高全氧燃烧玻璃熔窑寿命为目的,建立了高碹顶玻璃熔窑全氧燃烧火焰空间中燃烧过程的三维数学模型。从模拟结果可以看出,与普通碹顶全氧燃烧玻璃熔窑相比,高碹顶熔窑改善了窑内气体流动与温度分布,碹顶温度低且分布均匀,窑内烟气环流多、在窑内停留时间长,热效率高,减少了碹顶水蒸气浓度,很好地保护了窑墙和碹顶耐火材料,延长了全氧燃烧玻璃熔窑的使用寿命;有利于促进全氧燃烧技术在玻璃工业上广泛应用。     

双锥燃烧器燃用污泥水煤浆的燃烧特性和数值模拟

为促进城市污泥的资源化利用,解决污泥物理处置中存在的二次污染问题,以及传统污泥干化焚烧中干燥成本高的问题,提出了将污泥浆与煤粉掺混制备污泥水煤浆,利用具有强化燃烧功能的中心逆喷双锥燃烧器燃烧的技术思路。通过热重分析试验对比了煤粉、水煤浆、污泥水煤浆的燃烧特性,并利用数值模拟研究污泥水煤浆在双锥燃烧器上的燃烧特性,通过降低二次风量、提高二次风旋流强度及二次风温度等强化燃烧的措施,研究污泥水煤浆在双锥燃烧器上应用的可行性。污泥水煤浆的基础燃烧特性试验结果表明,水煤浆中水分超过35%,除影响燃料热值外,水蒸发吸热是影响污泥水煤浆燃烧过程着火和燃尽的关键因素。由于水分的存在,水煤浆起始着火温度高于煤粉11. 3℃,燃尽温度低于煤粉13. 6℃,其最大吸热速率为0. 504 k W/kg,占水煤浆最大放热速率的56. 05%,总吸热量为1. 917 MJ/kg,占燃烧放热量的9. 94%;掺烧20%污泥时,污泥水煤浆起始着火温度高于水煤浆12. 3℃,燃尽温度低59. 1℃,水蒸发吸热量为0. 546 kW/kg,比水煤浆燃烧高8. 4%,总放热量为16. 88 MJ/kg,比水煤浆燃烧低12. 5%。通过采用双DPM的离散相数值模拟模型,充分考虑污泥水煤浆燃烧时水蒸发过程的影响,对污泥水煤浆燃烧的数值模拟更接近实际结果。14 MW双锥燃烧器的污泥水煤浆燃烧模拟结果表明,直接使用现有双锥燃烧器无法实现污泥水煤浆的稳定燃烧,仅可燃烧水含量为25%左右的污泥水煤浆。污泥水煤浆中水含量由0增至35%时,平均每提高1%水含量,燃烧器出口温度下降7. 95℃,燃烧器内平均温度下降7. 69℃;水含量为35%时,燃烧器内平均温度降低269℃,燃烧器出口平均温度降低278℃。污泥水煤浆在双锥燃烧器内的燃烧,可通过降低二次风量、增加二次风旋流强度、提高二次风温度等强化燃烧措施实现。二次风旋流强度由1变为2时,燃烧器出口平均温度提高20℃,二次风量减少为理论空气量的0. 6,燃烧出口平均温度提高203℃,综合使用降低二次风量、增加旋流强度和提高二次风温的措施后,燃烧器出口平均温度提高289℃,基本接近该燃烧器燃用煤粉时的燃烧条件,双锥燃烧器基本可达到稳定燃烧污泥水煤浆的目的。     

燃天然气横焰玻璃熔窑火焰燃烧及玻璃液流动的三维CFD耦合分析

本文在全面考虑火焰空间的燃烧与玻璃液传热、流动的耦合的基础上,建立了燃天然气横焰玻璃熔窑火焰空间和玻璃液传热、流动过程的三维数学模型.然后以某燃天然气连通式横焰玻璃熔窑为对象,利用商用CFD软件进行了火焰燃烧和玻璃液传热、流动的耦合数值模拟,研究了该熔窖燃烧空间内气体流动和温度梯度分布以及熔池内玻璃液的流动和温度梯度分布,为提高玻璃窑炉的运行与设计水平提供理论依据,从而指导实际生产和玻璃熔窖设计.     

甲烷/乙烷/空气预混火焰层流燃烧速度与火焰稳定性的数值研究(英文)

A numerical study on premixed methane/ethylene/air flames with various ethylene fractions and equivalence ratios was conducted at room temperature and atmospheric pressure. The effects of ethylene addition on laminar burning velocity, flame structure and flame stability under the condition of lean burning were investigated. The results show that the laminar burning velocity increases with ethylene fraction, especially at a large equivalence ratio. More ethylene addition gives rise to higher concentrations of H, O and OH radicals in the flame, which significantly promotes chemical reactions, and a linear correlation exists between the laminar burning velocity and the maximum H + OH concentration in the reaction zone. With the increase of ethylene fraction, the adiabatic flame temperature is raised, while the inner layer temperature becomes lower, contributing to the enhancement of combustion. Markstein length and Markstein number, representative of the flame stability, increase as more ethylene is added, indicating the tendency of flame stability to improve with ethylene addition.     

含氨燃料预混火焰的层流火焰速度及NO排放特性

将甲烷或氢气与氨气共燃可以克服NH₃火焰的点火能量高、燃烧速度慢的缺点。为了解NH₃作为燃料的燃烧特性,对含NH₃燃料进行一维层流预混火焰数值模拟,研究其层流火焰速度及NO排放特性。采用文献中5个简化反应机理进行数值计算,发现Okafor机理模拟NH₃/CH₄/air火焰精度更高;Xiao机理模拟NH₃/H₂/air、NH₃/air精度适中,计算时间较短。此外,开展了当量比、燃料混合物组分比例、压力等参数对含NH₃燃料燃烧时烟气中NO浓度影响的研究。研究发现：含NH₃燃料燃烧时NO主要通过OH、H、O自由基和O₂分子的消耗而生成,主要通过与NH_i（i=0, 1, 2）自由基反应消耗;含NH₃燃料在富燃状态下燃烧可有效减少NO排放,但富燃燃烧效率低,可采用富燃-贫燃分级燃烧技术来提高燃烧效率,同时保持NO的低排放;掺有较多NH₃的含NH₃燃料在中高压下燃烧时可有效减少NO排放。     

铁矿石烧结中混合料特性对火焰烽面与烧结性能的影响机理研究

通过中试规模烧结杯试验和综合烧结模型,将返矿平衡和非平衡条件相结合,研究了混合料特性（烧结碱度、焦炭和水分添加量）对火焰烽面特性和烧结性能的影响机理。模拟研究涉及多种烧结条件下的125个烧结杯工况。为揭示火焰烽面区域中熔体生成与凝固行为,使用FactSage软件进行化学热力学模拟并建立了更完善的熔化和凝固子模型。模拟与试验研究表明,随着碱度和焦炭添加量的变化,火焰烽面速度、成品率、焦比和利用系数会出现局部最大或最小值。在本文烧结条件下,最大利用系数工况为碱度2.0、水分7.7%、焦炭6.4%。最小焦比工况为碱度2.0、水分6.5%、焦炭6.4%。最小焦比和最大利用系数的条件并不相同,而最终烧结操作取决于每个烧结厂的控制目标。     

同步转子密炼机混合效率的数值模拟研究

利用CFD软件Polyflow对banbury转子和roller转子的两种密炼机内熔体流场进行二维数值模拟.利用粒子跟踪法对两种类型转子密炼机的分散混合性能、分布混合性能、线拉伸以及混合效率进行了统计和比较.结果表明,由于roller转子截面的棱数多于banbury转子,在相同周期内,roller转子密炼机对熔体的剪切与拉伸作用次数多于banbury转子密炼机,因而提高了拉伸速率和剪切速率,roller转子密炼机具有较高的分散性和分布性混合效率.     

旋转床内微观混合与反应过程的特性

对旋转床内微观混合的研究有助于建立其内部微观尺度上的混合与反应机制。在以往研究工作的基础上,依据数值模拟与实验结果的对比,间接确定了旋转床内的液膜厚度范围;对液膜速度模拟进行合理修正,通过流体流动、传质及反应过程的数值模拟,得到离集指数、湍流耗散率、停留时间以及微观混合时间的变化。实验结果和数值模拟表明：不同转速下的离集指数、混合时间、湍流动能耗散率等均表现出一定的多尺度现象。研究结果丰富了旋转床内微观混合与反应的认识,将为后续研究提供坚实的基础。     

反应结晶过程中产物粒子粒度分布的模拟 Ⅰ.混合特性的影响

运用湍流理论及流体力学原理，分析了微观混合、湍流扩散、宏观返混的作用机理，并提出用两个无量纲准数为描述这三者之间的作用强弱，通过模型模拟，研究了它们对反应结晶过程中产物粒子的粒度分布的影响规律。结果发现：混合特性的影响具有多峰态特征。所得结果为过程优化提供了依据。     

异形喷嘴撞击流混合器涡特性及混合性能数值模拟

为了研究撞击流混合器不同形状喷嘴的流场涡特性及混合效果,利用数值模拟方法对不同工况下的流场进行分析,得到不同喷嘴撞击流混合器的速度场、涡量场、涡结构以及浓度变异系数的变化规律,揭示不同形状喷嘴对撞击流混合器混合效果的影响。结果表明：喷嘴出口截面为圆形、等边三角形和正方形的撞击流混合器轴向速度为“V”形分布;喷嘴截面为圆形和正方形的撞击流混合器径向速度为“M”形分布。等边三角形截面喷嘴的撞击流混合器产生的流向涡数量多、强度大并且产生的涡旋结构的连续性更高,分布范围更广。相同工况下等边三角形截面喷嘴的撞击流混合器混合效果明显优于圆形喷嘴和正方形喷嘴混合器,最快达到混合均匀。