富氧对甲烷空气火焰影响的数值研究.doc

《富氧对甲烷空气火焰影响的数值研究.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、富氧对甲烷/空气火焰影响的数值研究摘要在这项研究屮，我们在0到0.79的较宽范围的富集比率下，数值模拟了在0.7,1.0和1.2时的甲烷/空气富氧预混层火焰当量比。通过比较CO牛产、火焰动力学和全局热展性来研究富氧对火焰特性的影晌。随着氧气含量的增加，火焰温度梯度、内层温度和平均热释放速率也将会不断增加，而火焰厚度却减小。根据对NO排放的预测，添加少量的氧时会増加N0牛成，而大量的氧被加入时会减少NO排放。此外，我们经由火焰动力学分析的火焰反应路线来探讨富氧动力学效应。富氧在从CH4到CH3的热解反应和同等促进相关反应效果

2、都不是很明显。CH3氧化过程屮存在明显不同是有O,OH和H的参加反应吋效果有显著提升°由反应进度速率变化的分析，我们发现了影响甲烷/空气火焰氧化路径的主要因素。R38和R84在甲烷氧化屮起着核心作用，通过加氧促进，推动了富氧火焰的全局反应的速率。关键词：富氧；热性能；排放指标；氧化路线；火焰动力学1、简介燃烧过程一般在大气条件下进行，大气中的空气大约由21%的氧气和79%的氮气组成，而其屮只有氧气能作为氧化剂。为了提高燃烧效率，一种利用高浓度的氧作为氧化剂的富氧燃烧（OEC）被广泛应用，与平常的空气作为氧化剂相比，它更受青

3、睐。WU和他的同事⑴研究了天然气燃烧屮氧浓度对温度、燃烧产物和燃料用量的影响，发现燃料和辐射热随混合物屮氧浓度的增加而增加，在30%的氧气浓度下的燃料消耗要比21%的氧浓度下少26.1%。邱和海登⑵燃气燃烧辐射实验表明，氧浓度的增加，无形屮节约T22%-28%的天然气的消耗。Prieler等人⑶研究了不同氧浓度下的天然气的燃烧，发现燃气在纯氧屮获得67%的燃烧效率，而在25%的氧气浓度的空气下才有44%。据报到，氧气含量的增加有利于提高火焰的稳定性。Lietal.14］研究CH4/CCh混合物与高温O2/CO2逆流火焰拉伸

4、消光限制屮，发现富氧火焰的消光限制影响效果显loMerloetal.［5］研究了富氧紊流甲烷火焰的燃烧特性，发现火焰的稳定性和NOx排放物随氧的加入明显增加。层流火焰速率是影响全局火焰反应的重要参数对富氧火焰的层流富氧火焰速度进行了实验和广泛的模拟研究Cardona和Amell⑹发现，沼气火焰的层流火焰速度随空气屮的氧气的浓度的增大而增大。dePersis和他的同事冏数值模拟和实验研究CH4/N2/CO2/O2混合物的层流火焰速度，表明该层流的火焰速度与02/(O2+N2)的比例正相关。与层流火焰速度相比，热释放速率是火焰

5、的另i个关键属性。在热释放上的细微差别可能导致火焰结构的重大变化。Lafayetal/101通过热释放分析手段，研究氢对甲烷/空气混合物的火焰厚度的影响。Huetal.Z和Lietal.1121计算的火焰反应对火焰热的贡献率，并找到了主导反应。在以往的研究屮，甲烷/空气火焰的氧富集效果研究一般集屮在宏观特性方面，如机械性能和火焰速率，但是几乎没有人火焰的热特性。于是我们展开了甲烷/空气火焰的热特性的数值预测研究。分别估算了在火焰温度梯度，内层火焰温度，火焰的厚度，热释放速率方面火焰的热结构并且也预测了NO的产量。然后比较具

6、有富氧的甲烷/空气火焰的热性能和贫氧的甲烷/空气火焰的热性能。最后根据这些，对富氧火焰动力学作出了分析和探讨。我们通过探索火焰反应路径分析富氧的动力学作用。富氧的存在能提高O、OH和H的后继反应。通过对反应途径的分析和反应的进展速率的变化找到关键反应。这项工作的H的是提供一些富氧火焰的全局热性能的重要数据和找到一些澄清对富氧燃烧推广的FI前有用分析。2、火焰建模甲烷/空气富氧火焰的火焰模拟通过一•维自由传播预混火焰的守恒方程CHEMKINII〔①预编码求解。一维自由传播预混层流火焰完全被理想化的和充分发展无热损失的。火焰传

7、播一般是通过燃料氧化剂混合物的性能制约，这常常在特定条件下建模火焰特性使用。仿真在0.1兆帕的压力P的大气条件下和300°K的初始温度To和富氧比为0〜0.79下开始。富氧比，Q定义为空气中的氧的额外体积分数：5&=亠一0・21(1)%这里的％和％.分别表示氧气和空气的体积分数。nair=%+知,，％是氮气的体积分数。0.21是氧气在大气条件下空气屮的体积分数。显然对于a=0.79的火焰，燃烧发牛在纯氧环境屮。火焰当量比0定义为：这里的々比是甲烷的初始未燃混合物的体积分数；皿尺诚是燃料在化学计量比条件卜的空气体积比和已给定

8、的(7+0.21_2-采用混合时问积分和牛顿迭代法进行求解稳态预编码的质量，通过计算物种和预混层流火焰的能量守恒方程和应用一种在火焰口适应网格技术，来确保快速收敛〔⑵。初始计算网格被定义为10并II将允许最大网格数量为500的梯度和曲率都设定为0.1,以控制口适应精度。所采用的动力学反应机理GRI3.0