【摘 要】
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多孔介质燃烧技术相比于传统的自由空间火焰燃烧,是一种高效、清洁的新型燃烧技术。但由于多孔介质燃烧具有“超焓”特性,会使得燃烧温度远远高于常规的自由火焰温度,造成氮氧化物排放量高和多孔介质材料烧蚀的问题。本文通过试验和数值模拟相结合的方法,对冷却边界下积木型泡沫陶瓷中的燃烧和换热特性进行研究,并总结出一种使燃烧放热量有效向外迁移的孔隙结构优化方案,达到控制热流的目的,实现了高热值气体高效燃烧和低污染
【基金项目】
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河北省自然科学基金资助项目（批准号:E2019202451）；
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多孔介质燃烧技术相比于传统的自由空间火焰燃烧,是一种高效、清洁的新型燃烧技术。但由于多孔介质燃烧具有“超焓”特性,会使得燃烧温度远远高于常规的自由火焰温度,造成氮氧化物排放量高和多孔介质材料烧蚀的问题。本文通过试验和数值模拟相结合的方法,对冷却边界下积木型泡沫陶瓷中的燃烧和换热特性进行研究,并总结出一种使燃烧放热量有效向外迁移的孔隙结构优化方案,达到控制热流的目的,实现了高热值气体高效燃烧和低污染排放的目标。通过建立冷却边界下积木型泡沫陶瓷燃烧试验系统,在孔隙结构为15-25-20-10型的积木型多孔介质燃烧换热器中完成了甲烷/空气预混燃烧试验,研究了稳定燃烧时的温度分布特性、冷却水室壁面换热特性和污染物排放特性随燃烧强度和冷却边界条件的变化。在当量比为0.9、燃烧强度为208.3～625.0 k W/m~2和冷却水流量为1.2～3.6L/min的条件下,冷却率可达到86%～98%,冷却水室壁面平均换热系数为606.2～800.3W·m-2·℃-1,CO排放为20～75 mg/m~3,NO排放为13～24 mg/m~3。随着燃烧强度增大,燃烧室中心处的局部高温区范围增大,最高温度提升850℃,冷却率降低,冷却水室壁面平均换热系数先增加后减小,CO排放降低,NO排放增加;随着冷却水流量的增加,燃烧室整体温度降低,最高温度降低80℃,冷却率增加3%,平均换热系数增大,CO排放增加,NO排放降低。针对横向和双向孔密度变化的10种类型的具有冷却边界的燃烧室内芯结构进行了甲烷/空气预混燃烧试验,研究了在当量比为0.9、燃烧强度为312.5 k W/m~2和冷却水流量为1.2 L/min条件下稳定燃烧时的温度分布、温升速率、冷却水室壁面换热特性及污染物排放特性。结果表明:对于横向孔密度的变化,沿横向孔密度阶跃递增排列或增大平均孔密度都不利于热量的传递;对于沿双向孔密度变化率方向单一变化的结构,横向孔密度变化率相同,沿纵向孔密度阶跃递减排列相比于阶跃递增和均匀排列更有利于热量沿横向传递;优化结构应采用沿双向孔密度变化率方向多变型并且沿双向孔密度均阶跃递减5 PPI排列的T30-25-20-15型,其整体温度最低,温升速率最小(13.9℃·min-1),冷却水室壁面的平均换热系数最大(747.1 W·m-2·℃-1),冷却率最高（接近100%）,NO排放最低（14 mg/m~3）。针对三种泡沫陶瓷长度的孔隙结构为15-25-20-10型的多孔介质燃烧换热器进行了甲烷/空气预混燃烧试验,研究了在当量比为0.9、燃烧强度为208.3～520.8 k W/m~2和冷却水流量为1.2～3.6 L/min的条件下稳定燃烧时的温度分布、壁面换热特性及污染物排放特性。结果表明:泡沫陶瓷长度由140 mm增至180 mm,多孔介质中整体温度上升,出口烟气温度降低,冷却率增加（6%～14%）,CO排放降低,NO排放增加。为了对试验章节进行补充和印证,通过建立三维多孔介质燃烧换热器模型,数值模拟研究了冷却边界下不同孔隙结构多孔介质中燃烧温度分布特性、辐射热流密度分布及换热面总的热流密度分布特性。结果得出在所有孔密度变化型结构中,优化型结构T30-25-20-15型在燃烧室中心处的高温范围最小,沿横向的辐射热流密度更加均匀,换热面上总的热流密度最大。
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