【摘 要】
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针对天然气等高热值气体在多孔介质中燃烧时氮氧化物排放量高和多孔介质烧蚀问题,设计开发了变孔隙多孔介质燃烧试验系统,在燃烧室布置孔隙结构多维变化的泡沫陶瓷,研究变孔隙泡沫陶瓷燃烧室的高温流动传热特性,获得燃烧室多孔介质孔隙结构变化对热流密度的影响规律,有助于加深对多孔介质燃烧理论的认识与理解。为了深入研究变孔隙多孔介质燃烧室的高温流动传热特性及燃烧机理,在当量比Φ=0.9、冷却水流量为1.2～3.6
【基金项目】
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河北省自然科学基金（批准号:E2019202451）；
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针对天然气等高热值气体在多孔介质中燃烧时氮氧化物排放量高和多孔介质烧蚀问题,设计开发了变孔隙多孔介质燃烧试验系统,在燃烧室布置孔隙结构多维变化的泡沫陶瓷,研究变孔隙泡沫陶瓷燃烧室的高温流动传热特性,获得燃烧室多孔介质孔隙结构变化对热流密度的影响规律,有助于加深对多孔介质燃烧理论的认识与理解。为了深入研究变孔隙多孔介质燃烧室的高温流动传热特性及燃烧机理,在当量比Φ=0.9、冷却水流量为1.2～3.6 L/min和燃烧强度为208.3～625.0 k W/m~2的条件下,在特定的变孔隙结构T30-25-20-15（-5）型中进行甲烷/空气预混燃烧试验,研究了冷却边界下变孔隙泡沫陶瓷燃烧的温度分布特性、冷却水侧吸热量、燃烧室与冷却水室间换热壁面的平均传热系数及冷却率和污染物排放特性。结果表明:随着燃烧强度的增加,燃烧室内的整体温度逐渐升高,多孔介质燃烧室核心高温区到冷却水侧的温差最大达到了901℃,沿纵向的整体平均温度也提升了609℃,换热壁面的平均传热系数先增加后减小,冷却率降低;CO排放降低,NO排放增加;随着冷却水流量的增加,冷却水室内的吸热量由0.640 k W增大到0.657 k W;换热壁面的平均传热系数增大,冷却率提升3.5%,CO排放增加,NO排放减少。目前关于燃烧室内垂直与气流方向的横截面上孔隙结构变化的研究较少,因此本课题设计了八种孔密度从燃烧室中心截面处沿横向和纵向变化的燃烧室内芯孔隙结构,在当量比为Φ=0.9、冷却水流量为1.2 L/min及燃烧强度为312.5 k W/m~2的条件下进行甲烷/空气预混燃烧试验,通过改变燃烧室内孔隙结构的排列方式,探究孔隙结构排布对燃烧室壁面的高温流动传热特性及燃烧特性的影响规律。结果表明:孔隙结构从燃烧室中心截面处沿横向孔密度阶梯式地递增排布或平均孔密度增大的排布均不利于热量沿燃烧核心高温区向冷却边界方向的迁移;对于横向孔密度变化率相同,沿燃烧室纵向从上游到下游多孔介质孔密度阶梯式地递减比递增更有利于热量沿横向传递给冷却边界;优化结构应采用孔密度变化率多变型且沿横向先阶梯式地增加10PPI再减小5 PPI和10 PPI排布的T15-25-20-10（+5）型结构,其整体温度最低,多孔介质气固相沿冷却水边界传递的热量最多,温升速率最小(16.206℃·min-1),冷却水室壁面的平均传热系数最大(870.7 W·m-2·℃-1),冷却率最高（95.2%）。利用FLUENT软件对变孔隙多孔介质燃烧器进行三维数值模拟,研究了T30-25-20-15（-5）型多孔介质燃烧室的传热特性,对不同孔隙结构条件下多孔介质燃烧室内高温流动传热特性进行了机理探索,探究了不同多孔介质孔隙结构下燃烧室内的温度分布特性及辐射热流密度分布特性,换热壁面的热流密度分布特性及孔隙结构对燃烧室内平均传热系数及污染物排放的影响,并获得了变孔隙多孔介质燃烧室换热区高温流动条件下的热量传递规律,通过试验和模拟的相互印证,得出T15-25-20-10（+5）型孔隙结构为高热值燃气高效燃烧和低污染排放的优化结构,其结构下燃烧室中心处的局部高温范围最小,换热面沿横向的热流密度分布均匀,热量沿横向传递最充分。
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