相对于以自由火焰为特征的传统燃烧方式来说,多孔介质中的预混燃烧是一项新型、洁净、主动有效的技术。它能够实现低热值,甚至超低热值气体的稳定燃烧,具有燃烧稳定、燃烧速率高、可燃极限宽和污染物排放低等显著优点。这项燃烧技术在提高燃烧效率、扩展可燃极限、节约燃料、改善环境及处理各类垃圾和废弃物方面具有优越性,可广泛应用于冶金、化工能源、建材、食品加工等各种领域。这是一种与传统燃烧完全不同,且新颖独特的燃烧方式。本研究是与多孔介质材料相关的燃烧、流动、传热之基础与应用研究。本研究以气体燃料在多孔介质燃烧器中的预混燃烧为主线,以多孔介质燃烧器的实际应用为最终目的,进行实验和数值模拟研究。实验方面：1.自行设计并搭建实验台,采用在液化气中加入氮气的方法,进行气体在多孔介质内的预混燃烧实验。实验过程中比较不同形状截面多孔介质内燃烧的特性,并根据燃烧情况对多孔介质燃烧器的结构进行了改善。改造过的燃烧器结构(燃烧器内径为100mm)可在燃气流量为1.122 m3·h-1,燃烧强度为1345 kW·m-2的条件下稳定燃烧。经过多次实验得出,在当前的多孔介质材料条件下,也就是大孔介质孔分布为10 PPI (Pores Per Inch,每英寸的孔数),小孔材料孔分布为50～60 PPI,实验能够在燃烧强度不高于1200 kW·m-2的工况下进行长时间稳定燃烧,此时多孔介质辐射面温度不高于1200℃。2.进行多孔介质燃烧器的工业应用模拟实验,并与类似情况下的自由火焰燃烧进行对比。对惰性多孔介质内的气体燃烧规律进行研究,其中包括多孔介质中的预混火焰的传播和稳定性,多孔介质内燃烧效率和污染物排放。为燃烧器的实际工业应用提供了操作参数参考值,并进一步指导多孔介质燃烧器的设计和实际应用,对接下来的数值模拟结果起到对比验证作用。数值模拟方面：1.建立一维层流预混燃烧模型,以高炉煤气为研究对象,通过分析温度对反应速率的敏感度系数,以及高炉煤气主要组分在基元反应中对燃烧速率的影响,得到高炉煤气燃烧的基干机理。用详细反应机理计算高炉煤气燃烧反应的时间为18秒钟,而简化反应机理的计算时间则不到1秒钟,充分显示了简化反应机理在计算上的优势。将化学反应简化机理与详细机理的计算结果进行对比,主要组分的浓度差值均不超过0.4%,验证了简化机理的可靠性。2.使用简化的化学反应机理,对比了甲烷／空气在多孔介质燃烧器与传统燃烧器的燃烧温度和组分分布,在给定的模拟条件下,多孔介质燃烧器出口温差比传统燃烧器高300K左右,燃烧过程中多孔介质中CO的含量大约是自由空间CO含量的一半。对比结果充分显示多孔介质燃烧器在燃烧温度和燃烧程度上的优势。3.建立两段式多孔介质燃烧器的二维模型,在FLUENT软件的基础上经过二次开发,用C语言自定义编程,对甲烷／空气的预混气体在多孔介质中燃烧进行了数值模拟,得到了燃烧温度和压力场的二维,并考查了当量比、多孔介质辐射衰减系数及导热系数,对燃烧温度和压力分布的影响。模拟结果可以看出：多孔介质燃烧中的压力分布不仅受到当量比、多孔介质辐射衰减系数和导热系数的影响,而且与燃烧温度及燃烧区域有着密切的相互关系；辐射衰减系数的改变使反应区域有明显的改变,同时使燃烧温度和压力分布发生相应的变化,温度峰值和压力梯度突变处互相对应。4.将速度极限范围的模拟结果与实验结果及Barra的模拟结果进行了对比,可以得出：本次研究的入口速度极限结果比实验结果偏高,比Barra的模拟结果偏低,原因在于在数值模拟中忽略了热损失,且本研究中采取的热弥散系数与Barra的不同,而稳定燃烧极限值受弥散系数影响比较大。5.进一步考查当量比、多孔介质辐射衰减系数和导热系数对速度极限的影响,模拟结果表明,当入口速度为最低极限值时,火焰稳定在界面的上游区域；当入口速度为最高极限值时,火焰稳定在界面的下游区域；当量比越大,稳定燃烧的速度范围越宽,且速度的最小和最大极限值都变大；与参考算例相比,下游区域导热系数增加5倍,上游导热系数保持不变时,稳定燃烧速度范围增加到0.47 m·s-1；上游多孔介质的辐射传热系数增加而下游保持不变,可以达到相对最大的稳定操作范围。因此在实际应用中,应综合参考多孔介质各个特性的参数值对速度极限的影响,从而得到更大的稳定操作范围。