预混气体在不同多孔介质材料下燃烧的数值模拟

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。

关键词：多孔介质；过滤燃烧；火焰特性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.22.003

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。火焰面宽度能达到50mm左右，这与Zhdanok[3] 等实验现象较为相符。在整个燃烧过程中，火焰面区域的最高温度没有幅度较大的变化出现，高温区呈现向下游移动的趋势，这与文献[4]的实验结果比较吻合。在初期火焰面宽度比较窄，火焰面上游比较平滑，随着反应的进行，该平面逐渐弯曲，呈现出二维抛物面形状。这主要是在忽略边壁热损失的条件下，边壁粘性阻力的存在是该处气流速度较低，相应的中间位置气流速度较高，燃料供应量多的化学反应快，区域温升快。

选取其中氧化铝小球堆积床模型模拟结果与文献[3]的实验结果做比较。比较结果如图1所示，当当量比和入口速度取值相近时，模拟的结果与实验的结果能够很好的吻合。模拟结果能够基本准确得预测预混气体在氧化铝堆积床内燃烧的火焰传播速度值，以及速度变化趋势。本次建立模型能有效的反映出小球堆积床内火焰面移动速度特性。

图2所示，是在不同物性参数材料下，不同的入口速度和当量比下火焰传播速度图像。即便是在不同的材料下，火焰面速度随着当量比的增加，又降低的趋势，这主要是因为，当量比的增大，相当于混合气体中燃料量的增大，使得在多孔介质材料内，燃烧的化学反应进行的更加充分，过滤燃烧更加稳定，在一定程度上，减缓了火焰面的传播速度。

三种物性参数下的多孔介质材料，火焰面在氧化锆材料下传播速度是对快的，在碳化硅材料下传播速度是最慢的，这两者之间的差值最大能达到0.1754mm/s，而氧化铝材料下速度介于两者之间。这主要是由于氧化锆材料导热系数与气体导热系数之间差值在三者之间是最小，火焰面传播阻力最小。

3 结论

论文利用FLUNENT软件，对长为440mm，直径为90mm不同物性参数的堆积床，进行甲烷/空气的预混合燃烧数值模拟，得到如下结论：

（1）火焰在堆积床内燃烧具有明显的过滤燃烧特性，火焰燃烧波波面呈现明显的二维抛物线形状。火焰传播速度的数量级维持在10-4m/s；

（2）火焰的传播特性受到多孔介质物性参数的影响较大，在氧化铝材料下火焰传播最稳定，导热系数小氧化锆材料下火焰传播速度最快，辐射率大的碳化硅材料下火焰传播过程中最高温度变化幅度最大；

（3）在不同的物性参数下，火焰传播速度与入口速度呈正比，与当量比呈反比。

参考文献：

[1]KAMAL M M，MOHAMAD A A，ABDULLAH M Z， et al. combustion in porous media： a review [J].a review [J].Journal of Power and Energy， 2006， 220（1）： 487-508.

[2]MUJEFBU M A， ABDULLAH M Z， ABUBAKAD A A， et al. Combustion in porous media and its applications-a comprehensive survey[J].Journal of Environmental Management，2009，90（3）：2287-2312.

[3]Zhdanok S A，Kennedy L A，Koester G，Superadiabatic combustion of methane air mixtures under filtration in a packed bed [J].Combustion and Flame，1995，100（1/2）：221-231.

[4]史俊瑞，谢茂昭，刘吉堂等.稀预混气体低速过滤燃烧的实验研究[J].大连海事大学学报，2008，34（02）：69-72.