高溫空氣燃燒過程流動(dòng)、混合、燃燒、傳熱和no,x生成的數(shù)值模擬

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1、東北大學(xué)博士學(xué)位論文摘要高溫空氣燃燒過程流動(dòng)混合燃燒傳熱和NO。生成的數(shù)值模擬摘要提高燃料的燃燒熱效率，降低燃燒過程產(chǎn)生的污染物是當(dāng)前能源與環(huán)境研究中的重要課題。高溫空氣低氧燃燒(簡(jiǎn)稱高溫空氣燃燒，HiTAC)是一種高效節(jié)能并能顯著降低污染物排放的新燃燒技術(shù)。開發(fā)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高溫空氣燃燒新技術(shù)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益。高溫空氣燃燒過程包括三維湍流流動(dòng)、混合、燃燒化學(xué)反應(yīng)、耦合輻射傳熱和氮氧化物等燃燒污染物的湍流生成等多種物理和化學(xué)過程，它們同時(shí)發(fā)生而又相互作用，使采用經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2、研究難以滿足要求。燃燒的數(shù)值模擬以計(jì)算流體力學(xué)(CFD)、數(shù)值傳熱學(xué)(NHT)、計(jì)算燃燒學(xué)(CCD)等學(xué)科的交叉為核，tl,，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，針對(duì)高溫空氣燃燒過程進(jìn)行數(shù)值模擬。本文應(yīng)用燃燒的基礎(chǔ)理論和數(shù)學(xué)模型，對(duì)高溫空氣燃燒過程進(jìn)行了理論分析和數(shù)學(xué)建摸。針對(duì)以燃料直接噴射(FDI)為代表的高溫空氣燃燒技術(shù)關(guān)鍵，以FORTRAN語言為編程工具，用自行編制的計(jì)算程序，分別對(duì)高溫空氣燃燒過程的三維湍流流動(dòng)、湍流混合、湍流燃燒、耦合輻射傳熱過程和氮氧化物污染物NO。的湍流生成進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬計(jì)算結(jié)果與

3、相似實(shí)驗(yàn)條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合，變化規(guī)律一致。用自行編制的高溫空氣燃燒三維湍流流場(chǎng)計(jì)算程序，對(duì)多種操作條件和幾何條件下高溫空氣燃燒湍流流動(dòng)的三維速度場(chǎng)和流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析。結(jié)果表明，當(dāng)燃?xì)猓諝獾纳淞魉俣缺燃s為i、燃?xì)鈬娚湮挥谥醒肟諝鈬娮旌捅诿娴闹虚g位置、燃?xì)饽嫦驀娚?、沿周向均勻布置較多的燃?xì)鈬娮鞎r(shí)，高溫空氣燃燒的湍流流動(dòng)產(chǎn)生穿透型流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，有利于流場(chǎng)的合理組織和低氧條件的有效利用。回流區(qū)的形成能夠?qū)崿F(xiàn)燃燒產(chǎn)物的循環(huán)而產(chǎn)生低氧條件并被燃?xì)馍淞饔行Ю?。用自行編制的高溫空氣燃燒過程三維湍流燃燒場(chǎng)

4、計(jì)算程序，對(duì)高溫空氣燃燒的湍流混合過程及其脈動(dòng)的影響、湍流燃燒過程的燃燒場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明，當(dāng)其它條件不變時(shí)，提高高溫空氣的預(yù)熱溫度，高溫空氣燃燒的混合及其脈動(dòng)、反應(yīng)物濃度的三維空間分布范圍內(nèi)明顯增大?；鹧嫒莘e和長(zhǎng)度相應(yīng)增大。燃燒II—東北大學(xué)博士學(xué)位論文摘要產(chǎn)物如C02的分布范圍較大、濃度較低說明燃燒產(chǎn)物在回流循環(huán)過程中起到了稀釋助燃空氣中氧濃度的作用；與此同時(shí)，自身的生成濃度降低。溫度梯度減小，溫度場(chǎng)具有更均勻的分布特性，熱能利用更趨合理。高溫空氣預(yù)熱是實(shí)現(xiàn)高溫空氣燃燒重要條件之一。用輻射

5、傳熱的離散坐標(biāo)(DOM)模擬計(jì)算方法，與能量方程耦合求解，編制了高溫空氣燃燒三維耦合輻射傳熱過程的數(shù)值計(jì)算程序。用該計(jì)算程序?qū)Ω邷乜諝馊紵^程的三維溫度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明：當(dāng)高溫空氣預(yù)熱溫度提高時(shí)，火焰區(qū)的溫度分布值增大、溫度梯度減小，火焰容積和長(zhǎng)度增加，熱能利用更為有效。高溫空氣燃燒的火焰容積和長(zhǎng)度變化受空氣過量系數(shù)變化(1～1．2)的影響不明顯，可以通過調(diào)節(jié)高溫空氣的預(yù)熱溫度進(jìn)行控制。在相似的實(shí)驗(yàn)條件下，數(shù)值預(yù)報(bào)的結(jié)果和規(guī)律與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合；當(dāng)改變計(jì)算條件時(shí)，計(jì)算結(jié)果均得到了符合規(guī)律的響應(yīng)。

6、用自行編制的高溫空氣燃燒過程氨氧化物污染物NO。的湍流生成計(jì)算程序，數(shù)值模擬了高溫空氣燃燒過程熱力NO的生成和排放規(guī)律。結(jié)果表明：高溫空氣燃燒過程的熱力NO排放濃度約為非高溫空氣燃燒的1／10。對(duì)高溫空氣的預(yù)熱溫度變化影響熱力NO的生成規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，隨著空氣預(yù)熱溫度從800℃增大到1000。C，熱力型NO的排放濃度在20～40ppm范圍內(nèi)略有增大。以上這些結(jié)果與相似實(shí)驗(yàn)條件下的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本相符合。關(guān)鍵詞高溫空氣燃燒數(shù)值模擬湍流流動(dòng)湍流混合湍流燃燒輻射傳熱速度場(chǎng)濃度場(chǎng)燃燒場(chǎng)溫度場(chǎng)氮氧化物

7、生成東北大學(xué)博士學(xué)位論文ABSTRACTNumericalSimulationsofFlow,Mixing，Combustion，HeatTransferandNoxFormationinHighTemperatureAirCombustionProcessAbstractToincreasethermalenergyutilizationefficiencyandtodecreasecombustionpollutantformationaretheimportantresearchtasksintll

8、ecurrentenergyandenvironmentsituations．Hi曲TemperatureAirCombustion(HiTAC)isanewcombustiontechnologyofmoreefficientenergysavingandlowerpollutantrelease．DevelopingHiTACtechnologywithindependentknow-howpropertyrightiso