富氧燃烧中气体辐射模型对燃烧与换热数值模拟的影响

富氧燃烧过程中,由于使用再循环烟气代替空气中N₂作为稀释剂,烟气中存在大量CO₂和H₂O。CO₂和H₂O作为非极性三原子分子,具有N₂没有的辐射能力,导致富氧燃烧中气体辐射特性发生变化。在数值模拟过程中,气体辐射模型是一个重要的子模型。前人提出多种修改后适用于富氧燃烧的气体辐射模型,但不同气体辐射模型在不同富氧燃烧工况数值模拟中的影响尚未有统一研究。为了研究不同炉型下,气体燃烧和煤粉燃烧中气体辐射模型对燃烧换热模拟结果的影响,通过编程,将一种考虑CO影响的气体辐射模型以及文献中的6种典型气体辐射模型耦合入数值模拟计算。结果表明,在气体富氧燃烧中,气体辐射模型影响了火焰结构。同时,燃烧温度分布有所变化,不同模型结果之间差别最高可到500 K。气体与壁面之间的辐射换热受到影响。气体辐射模型对炉膛中心火焰区域影响较大,而对非火焰区域影响较小。在煤粉富氧燃烧过程中,当有效辐射层厚度在0.3 m左右时,如在100 kW下行炉中,气体辐射模型对煤粉燃烧数值模拟结果几乎没有影响。这可能是由于颗粒辐射在辐射换热计算中占主导地位。而当有效辐射层厚度在16 m左右时,如1000 MW塔式炉中,气体辐射模型对炉内切圆燃烧火焰温度以及组分浓度影响较大,温度差别可到100 K左右。而气体辐射模型对炉膛中心模拟结果没有影响。     

喷孔直径对燃气加热炉内流动和燃烧过程的影响

利用数值模拟方法,选用标准的K-ε湍流模型、PDF扩散燃烧模型、离散坐标辐射传热模型,研究了喷嘴直径对燃气常压炉内燃烧状况的影响,主要考察了炉内速度场、温度场和火焰形状的变化.研究结果表明,喷孔直径越小,喷孔出口速度越大,速度峰值也越大,射流的影响区域越大,加剧了燃料与空气的混合和燃烧速率,燃烧的火焰越短、越窄,但这不利于传热过程.因此,在立式加热炉的实际操作过程中,为使炉管受热均匀,避免高温区域温度过高,区域过小,应尽量设计长焰型燃烧器.从优化传热的角度,立管式加热炉中火焰长度为炉管长度的2/5-1/2为合适,卧管式加热炉则为1/5-1/4合适.     

基于机器视觉的发光体断面温度辐射测量方法

研究了弥散介质下高温发光体断面温度的辐射测量方法,在线监控高炉回旋区煤粉燃烧工况,对单波长和双波长辐射图像灰度和温度模型进行了理论和实验研究.提出的摄像机快门控制模型解决了面阵电子耦合器件在高温测试中信号输出过饱和导致的"图像发白"现象,提高了辐射测温动态范围.通过不同波长、不同快门时间和光圈条件下辐射测温实验,得出了不同测量条件的比色测温曲线和比色测温误差,实现了高炉风口燃烧带喷射火焰实时温度测量和回旋区工况监控.     

空气助燃与全氧燃烧玻璃熔窑热工特性的对比分析

依据燃料燃烧理论和窑内辐射传热原理,应用改进的火焰空间传热模型,从理论角度对空气助燃与全氧燃烧玻璃熔窑的热工特性进行了初步的对比计算分析.计算结果表明,对燃甲烷天然气玻璃熔窑,全氧燃烧产生的烟气量仅为空气助燃时的三分之一,而理论燃烧温度远高于空气助燃时的温度,在相同的火焰温度要求下,全氧燃烧可大大节约燃料,减少烟气带走的热量;全氧燃烧时,烟气中二氧化碳和水蒸汽的含量约为空气助燃时的3.5倍,由此而导致火焰黑度大幅提高,约为空气助燃时的2.3倍,火焰辐射给玻璃料液面的热量增加35%;火焰温度升高,火焰黑度略有下降,火焰辐射给玻璃料液面的热量增大;胸墙增高,气层有效厚度增大,火焰黑度增加,火焰辐射给玻璃料液面的热量也增大.     

高压下不同n(H_2)∶n(CO)合成气燃烧的NO生成机理

针对H_2/CO合成气同向扩散火焰展开研究,考察了合成气燃烧生成NO的情况,使用Fluent软件对燃烧实验进行了1∶1的数值模拟研究.耦合了详细化学动力学模型以考察燃烧过程中的NO生成机理,研究不同压力与不同n(H_2)∶n(CO)比条件下合成气燃烧特性与污染物排放特性,为实际燃烧设备的设计和优化提供理论指导.结果表明,随着压力的增加,H_2/CO合成气同向扩散火焰的峰值温度单调增加,压力越高增加趋势越平缓.同时主要的污染物NO生成量也随着压力的增加而显著增加,其中热力型NO占主导地位.此外,随着H_2/CO合成气同向扩散火焰中氢气体积分数的增加,合成气同向火焰中产生的NO污染物和火焰峰值温度也有明显的增加.     

全氧燃烧玻璃熔窑火焰空间的数值模拟

采用基于k-e湍流模型、非预混化学反应模型、DO辐射传热模型的数值模拟方法,研究全氧燃烧玻璃熔窑火焰空间的温度场与流场分布。研究表明:火焰长度约为燃烧空间长度的2/3,其最高温度为2602℃,燃烧空间非火焰区平均温度为1290℃,辐射传热效率高。燃烧空间主要存在3个回流,其中流经火焰上下部空间的高温气体回流有效地与玻璃液面进行对流换热。在辐射与对流换热的综合作用下,玻璃液面上均匀分布5个高温区,玻璃液面平均温度约为1255℃,综合平均温差最大值约为5℃,温度分布非常均匀。烧嘴对面及烟道口附近的墙体温度约为1320℃,热冲侵蚀严重,其它燃烧空间的墙体温度约为1265℃。     

基于光学分层层析成像原理的火焰测温法

燃烧火焰温度场的测量无论对研究火焰的结构及生成机理、燃料的混合和燃烧方式,还是对燃烧设备的稳定运行和控制都具有重要的意义。介绍了一种利用高速分层摄像控制系统重建火焰温度场的方法。连续的三维发光体可以看成若干个互相平行的二维发光断层的组合,对发光体某断层进行聚焦摄像,得到的图像是该断层的像和其他断层的离焦像的叠加像。对不同断层分别快速聚焦摄像,得到一组辐射图像,采用图像反演算法,可以重建各断层的原始图像。根据图像灰度和火焰温度之间的关系,可建立火焰的三维温度场。通过蜡烛火焰实验,验证了该方法的可行性。实验结果在一定程度上揭示了火焰内部的辐射分布、温度分布和燃烧结构,反映了火焰的三维燃烧特性。该方法可作为一种新的测量和诊断方法,应用于燃烧火焰三维场参数和其他两相流三维场参数的测量中。     

扩散过滤燃烧火焰特性

扩散过滤燃烧是新的燃烧技术,具有扩散燃烧和预混过滤燃烧的某些特性。通过二维双温模型,使用单步总包反应,数值研究氮气稀释的甲烷和氧气同轴同平板扩散过滤燃烧特性。模型中考虑热弥散和组分弥散效应。研究小球直径、气体混合物速度和甲烷质量分数对火焰高度和火焰形态的影响。结果表明,与预混过滤燃烧不同,气体和固体高温区存在于燃烧器的不同位置;而在高温区域之外,气体和多孔介质固体的温差很小。当填充床小球直径从6.66 mm减小到2.02 mm,火焰高度从0.048 m增大到0.12 m。增大混合物速度,甲烷的质量分数导致火焰变宽,火焰高度增大。数值模型的有效性得到了实验验证。     

布朗工艺一段转化炉的模拟计算

在建立炉膛燃烧传热模型和管内气固相催化反应模型的基础上对布朗工艺合成氨装置一段炉辐射段进行模拟计算.炉膛燃烧传热过程采用Hottle区域法建立三维辐射换热模型,与管内的气固相催化反应动力学模型迭代求解,得出了炉膛三维温度分布以及管内温度、压力、组成随高度的分布.计算结果与实测值基本吻合.由于炉膛燃烧传热模型采用三维模型,与传统的一维和二维模型比较,计算结果更为精确.计算方法和结果对于节能降耗以及设备的改进等都有非常重要的意义.     

弯管对阻火器管网内火焰传播过程影响的数值模拟研究

针对乙烯-空气爆燃火焰在弯管阻火器中的传播与淬熄过程进行了数值模拟研究,采用了标准模型来描述爆炸中出现的湍流,选用EBU-Arrhenius燃烧模型来描述燃烧过程中湍流燃烧速率的变化,采用PISO算法对速度和压力耦合方程组进行解耦。模拟结果显示,在经过弯管时,火焰传播振荡加速,速度最高值达到43m/s。随后火焰传播速度逐渐减小,在到达阻火单元附近时产生了淬熄现象,火焰传播速度趋近于0 m/s。     

Experimental and computational study of a lifted,non-premixed turbulent free jet flame

The results of an experimental and modelling study of a lifted, non-premixed methane turbulent free jet flame issuing into still air are presented. Detailed in-flame measurements, including the gas temperature, oxygen and NO concentration distributions, are made. In a parallel computational study, a radiative mixedness–reactedness flamelet combustion model is employed to simulate the experimental flame. A comprehensive radiation heat transfer model based on the discrete transfer method of solution of the radiative transport equation, together with the wide-band model for gas absorption coefficients, was used. The NO formation and emission was also calculated using a post-processing approach. Validation of the numerical results against the experimental data shows generally good quality combustion predictions in the near burner region. However, predictive difficulties are encountered in the downstream region, particularly for the oxygen concentration. The NO predictions reveal discrepancies when compared with measurements in the fuel rich part of the flame. The in-flame experimental data, with the aid of the predictions, has provided an enhanced understanding of combustion and NO characteristics of the lifted, non-premixed turbulent free jet flame.     

Effects of non-gray thermal radiation on the heating of a methane laminar flow at high temperature

The effects of the non-gray thermal radiation on the heating of a methane/argon laminar flow at high temperature are investigated. The preheating zone of a tubular reactor is studied, where the thermal decomposition of methane does not occur. The laminar flow is simulated with the commercial Fluent code in an axisymmetric geometry. The discrete ordinates method is applied to the numerical simulation of radiative heat transfer. The non-gray gas radiative model used is the absorption distribution function (ADF) using high temperature methane radiative properties which were recently published. Several thermal entrance regions of tubular reactors are compared and the influence of methane participation in radiative heat transfer is studied. The results show that the temperature field is significantly influenced by radiation due to methane absorption. Furthermore, the average flow temperature increases when the wall temperature, the tube diameter or the methane mole fraction increases. Due to intense absorption bands of methane, it is shown that the influence of methane non-gray thermal radiation should be included in simulations of such reactors.     

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。     

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。     

德士古渣油气化炉的数值模拟

渣油在德士古气化炉中发生非常复杂的不完全燃烧反应,它生成了工业生产合成氨所需的原料气。文中建立了这一过程的数值模拟模型,采用κ-εRNG模型来模拟湍流流动,简化的PDF模型来模拟湍流燃烧过程,辐射传热采用离散坐标模型,得到符合生产实验的燃料模型。     

天然气部分氧化炉的数值模拟

采用CFD模拟计算高温高压下天然气部分氧化炉。通过冷态模拟计算喷嘴端部区域的回流情况,并以此作为确定喷嘴结构的判据之一;通过热态模拟计算研究天然气部分氧化炉内的速度、温度、组分浓度分布,其出口气体组成和温度与通用过程模拟软件AspenPlus的模拟结果吻合。说明模拟结果是准确的,可用于辅助解决实际工程问题。     

非线性偏最小二乘法及可视化火焰检测系统的燃煤锅炉NOx排放特性的研究

为了研究燃煤电站锅炉NOx排放特性,利用可视化火焰检测系统对燃煤锅炉燃烧火焰和温度场进行了测试研究。通过测量,由双色测温法计算得到了炉内温度场,采用数字图像处理技术提取了火焰图像特征参数,进而借助非线性偏最小二乘法建立了由炉内燃烧温度场及火焰图像特征参数来预测NOx排放量的模型。结果表明,所建模型预测值与实测值具有一致性,从而为燃煤锅炉通过燃烧调整,以降低NOx排放和提高锅炉效率提供了有效手段。     

气流床煤气化辐射废锅内多相流动与传热

采用多相流动与传热模型耦合的数值方法,对气流床煤气化辐射废锅内多相流场与传热过程进行了数值模拟。在Euler坐标系中采用组分输运模型计算气体组分扩散过程,并通过realizable k-ε湍流模型计算炉内流场,煤渣颗粒运动轨迹在Lagrange坐标系中计算,并考虑了气固相间双向耦合。利用灰气体加权和模型与离散坐标法相结合,计算了炉内辐射传热过程,并考虑了煤渣颗粒的热辐射特性。结果表明：炉体入口存在张角约为10°的中心射流区,其流速和温度均较高,且周围存在明显回流区,回流区内部分颗粒富集;大部分颗粒直接落入渣池,且粒径越大落入渣池时温度越高;炉内温度分布除中心射流区,整体分布均匀,且随壁面灰渣厚度的增加而升高;计算结果与实验测量结果及文献值基本一致。     

Chebyshev配置点谱方法直接求解离散坐标辐射传递方程

针对三维长方形炉内具有吸收-发射介质的辐射换热,基于Chebyshev配置点谱方法和Schur分解开发了直接求解辐射离散坐标方程的求解器。针对离散后所得到的三维矩阵方程,分别用两种方法进行求解,一种是用张量积将三维转变成二维然后直接用Schur分解求解;另一种是自行开发三维Schur分解直接求解。数值实验表明,在相同的输入参数下,新求解器具有很好的精度,尤其相比于标准离散坐标法,新求解器能节省大量计算时间。特别是基于三维Schur分解的直接求解器,在相同的输入参数下,计算时间只有标准离散坐标法的10%～1%。     

密闭空间内聚乙烯粉尘爆炸火焰传播特性的实验研究

采用竖直、可视粉尘爆炸火焰传播实验平台,结合粒子图像测速PIV技术测得喷粉的冷态流场分布,研究聚乙烯粉尘在密闭容器内的爆炸火焰传播特性,探讨火焰结构与锋面位置的动态变化、火焰传播速度等参数的变化规律。结果表明,在200～1000 g/m³浓度范围内,低浓度聚乙烯粉尘爆炸火焰呈不连续片羽状结构,火焰锋面呈离散的星点状。粉尘浓度增加,火焰连续性及亮度增强,锋面呈齿状,并在400 g/m³火焰最明亮,火焰平均传播速度均随粉尘浓度的增加先增大后减小。采用均方根湍流速度量化体系整体脉动幅度,浓度接近最佳爆炸浓度400 g/m³时,均方根湍流速度为3.21 m/s。