本文關(guān)鍵詞：結(jié)合擴(kuò)展小火焰模型的甲烷及合成氣射流火焰的大渦模擬與化學(xué)反應(yīng)機(jī)理簡(jiǎn)化

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【摘要】：隨著近年來(lái)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,我國(guó)對(duì)能源的需求急劇增加。煤炭是我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中比重最大的部分,其燃燒利用為我國(guó)快速發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn),但同時(shí)也造成了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。采用煤基多聯(lián)產(chǎn)對(duì)煤炭資源進(jìn)行分級(jí)利用是解決上述問(wèn)題的良策,產(chǎn)出的合成氣進(jìn)行燃燒發(fā)電更加清潔高效,并且結(jié)合富氧燃燒技術(shù)可實(shí)現(xiàn)碳捕集,從而緩解溫室效應(yīng)。采用大渦模擬對(duì)湍流燃燒過(guò)程進(jìn)行研究已得到廣泛認(rèn)可與應(yīng)用,本文從控制方程組出發(fā),引入低馬赫數(shù)假設(shè),并結(jié)合動(dòng)態(tài)亞網(wǎng)格模型與帶反應(yīng)進(jìn)程描述的小火焰模型,構(gòu)建了適用于湍流燃燒過(guò)程模擬計(jì)算的大渦模擬程序。對(duì)發(fā)展的大渦模擬程序進(jìn)行了詳細(xì)的驗(yàn)證,其中包括無(wú)模型的人工數(shù)值解驗(yàn)證、冷態(tài)丙烷大空間射流驗(yàn)證與非預(yù)混甲烷自由射流火焰驗(yàn)證。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的詳細(xì)對(duì)比,說(shuō)明大渦模擬比雷諾平均模擬更為準(zhǔn)確,本文所發(fā)展的大渦模擬程序能夠?qū)ν牧魅紵^(guò)程進(jìn)行良好的描述。分析了湍流與燃燒的相互作用,結(jié)果表明湍流流動(dòng)能夠通過(guò)增加燃料與氧化劑的接觸面積達(dá)到強(qiáng)化燃燒的目的,燃燒對(duì)于湍流的強(qiáng)化作用帶有一定的滯后性。此外,與Ansys Fluent中的LES模塊相比,本文的大渦模擬程序能夠在冷態(tài)射流工況下節(jié)省35%的計(jì)算時(shí)間,在射流火焰工況下節(jié)省55%的計(jì)算時(shí)間,并且有著更好的魯棒性。采用大渦模擬程序針對(duì)典型稀釋合成氣的燃燒過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值研究,并著重研究了中心射流管壁厚度對(duì)于火焰根部燃燒穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明,管壁厚度通過(guò)改變火焰根部附近軸向速度的空間分布影響火焰根部的穩(wěn)定性,適當(dāng)增加管壁厚度能夠在不改變火焰結(jié)構(gòu)的情況下增強(qiáng)火焰根部穩(wěn)定性。綜合考慮流動(dòng)條件、燃料理化特性,提出無(wú)量綱數(shù)對(duì)火焰根部穩(wěn)定性進(jìn)行判定,并對(duì)該判定方法進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果表明本文所提出的判定方法能夠?qū)鹧娓糠�(wěn)定行進(jìn)行判定。采用大渦模擬程序?qū)Ω邏喝紵覂?nèi)的甲烷燃燒過(guò)程進(jìn)行了大渦模擬,研究了壓力對(duì)于燃燒過(guò)程的影響,同時(shí)研究了不同氧濃度的富氧工況對(duì)于燃燒過(guò)程的影響,采用不同的富氧改造方案對(duì)燃燒室進(jìn)行改造,分析了各改造方案的優(yōu)劣,而后研究了伴流溫度對(duì)于燃燒過(guò)程的影響。結(jié)果表明壓力對(duì)于燃燒過(guò)程的影響不大,02/CO2=30/70時(shí)富氧火焰與空氣火焰的分布最為接近,進(jìn)行富氧改造時(shí)必須著重考慮伴流對(duì)于燃燒室內(nèi)壁的保護(hù)作用,伴流溫度對(duì)反應(yīng)強(qiáng)度有較大影響,但對(duì)于有限空間內(nèi)的燃燒過(guò)程而言,影響的最大因素為全局當(dāng)量比系數(shù)。隨著研究者對(duì)于燃燒過(guò)程認(rèn)識(shí)的加深,詳細(xì)機(jī)理的規(guī)模越來(lái)越龐大。本文結(jié)合帶誤差傳遞的直接關(guān)系圖法、敏感性分析、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)分析,詳細(xì)給出了反應(yīng)機(jī)理簡(jiǎn)化方法,并利用添加臭氧的甲烷燃燒反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了實(shí)例示范,最終構(gòu)建了22種物質(zhì)、18步總包反應(yīng)機(jī)理。通過(guò)與原詳細(xì)機(jī)理的預(yù)測(cè)對(duì)比,證明了簡(jiǎn)化方法的可行性。對(duì)比了原詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理、框架機(jī)理與總包機(jī)理的計(jì)算消耗,結(jié)果表明總包反應(yīng)能夠節(jié)約72%左右的計(jì)算時(shí)間。
【關(guān)鍵詞】：低馬赫數(shù) 大渦模擬 合成氣 甲烷富氧燃燒 機(jī)理簡(jiǎn)化
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK16
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-20
• 1 緒論20-36
• 1.1 引言20-21
• 1.2 煤炭資源的高效清潔化利用21-25
• 1.3 湍流流動(dòng)及燃燒過(guò)程的大渦模擬25-34
• 1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容34-36
• 2 控制方程組、模型與數(shù)值方法36-68
• 2.1 控制方程組36-41
• 2.1.1 原始控制方程組36-38
• 2.1.2 簡(jiǎn)化假設(shè)38-40
• 2.1.3 本文所采用的控制方程組40-41
• 2.2 湍流與化學(xué)反應(yīng)模型41-55
• 2.2.1 大渦濾波后的控制方程組41-42
• 2.2.2 亞網(wǎng)格模型42-47
• 2.2.3 化學(xué)反應(yīng)模型47-55
• 2.3 數(shù)值方法55-65
• 2.3.1 時(shí)空交錯(cuò)網(wǎng)格55-57
• 2.3.2 半隱式迭代方法57-59
• 2.3.3 標(biāo)量方程的離散59-62
• 2.3.4 邊界條件62-65
• 2.4 程序結(jié)構(gòu)與軟硬件環(huán)境65-68
• 2.4.1 程序流程65-67
• 2.4.2 軟硬件環(huán)境67-68
• 3 低馬赫數(shù)不可壓變密度大渦模擬數(shù)值方法及模型的驗(yàn)證68-117
• 3.1 人工數(shù)值解驗(yàn)證68-76
• 3.1.1 人工數(shù)值解簡(jiǎn)介68-69
• 3.1.2 人工數(shù)值解方法69-71
• 3.1.3 驗(yàn)證結(jié)果與討論71-75
• 3.1.4 小結(jié)75-76
• 3.2 丙烷大空間自由射流的大渦模擬76-89
• 3.2.1 計(jì)算工況介紹76-77
• 3.2.2 計(jì)算工況設(shè)置77-78
• 3.2.3 計(jì)算結(jié)果與討論78-89
• 3.2.4 小結(jié)89
• 3.3 非預(yù)混甲烷自由射流火焰的大渦模擬89-115
• 3.3.1 計(jì)算工況介紹89-90
• 3.3.2 計(jì)算工況設(shè)置90-92
• 3.3.3 計(jì)算結(jié)果與討論92-115
• 3.3.4 小結(jié)115
• 3.4 計(jì)算性能評(píng)估115-116
• 3.5 本章小結(jié)116-117
• 4 非預(yù)混稀釋合成氣直流射流火焰的大渦模擬117-138
• 4.1 計(jì)算工況介紹117-118
• 4.2 計(jì)算工況設(shè)置118-119
• 4.3 化學(xué)反應(yīng)機(jī)理119-121
• 4.4 計(jì)算結(jié)果與討論121-137
• 4.4.1 非預(yù)混稀釋合成氣的火焰形態(tài)121-126
• 4.4.2 管壁厚度的影響126-135
• 4.4.3 非預(yù)混自由空間射流火焰根部穩(wěn)定性分析135-137
• 4.5 本章小結(jié)137-138
• 5 非預(yù)混有限空間甲烷火焰的大渦模擬138-162
• 5.1 計(jì)算工況介紹138-139
• 5.2 計(jì)算工況設(shè)置139-141
• 5.3 計(jì)算結(jié)果與討論141-160
• 5.3.1 高壓下甲烷火焰的特性141-145
• 5.3.2 壓力對(duì)于燃燒過(guò)程的影響145-148
• 5.3.3 富氧工況下不同氧氣濃度的選擇148-150
• 5.3.4 燃燒器的富氧工況改造150-155
• 5.3.5 伴流溫度對(duì)于燃燒過(guò)程的影響155-160
• 5.4 本章小結(jié)160-162
• 6 化學(xué)反應(yīng)機(jī)理簡(jiǎn)化162-190
• 6.1 化學(xué)反應(yīng)機(jī)理簡(jiǎn)化的意義162-163
• 6.2 化學(xué)反應(yīng)機(jī)理簡(jiǎn)化的方法與步驟163-170
• 6.2.1 化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的類型163-164
• 6.2.2 化學(xué)反應(yīng)機(jī)理簡(jiǎn)化方法概述164-166
• 6.2.3 本文所采用的方法及步驟166-170
• 6.3 機(jī)理簡(jiǎn)化過(guò)程中所用到的軟件工具170-171
• 6.4 機(jī)理簡(jiǎn)化實(shí)例分析——添加臭氧的甲烷燃燒機(jī)理171-188
• 6.4.1 初步搭建框架機(jī)理——DRGEP方法172-175
• 6.4.2 進(jìn)一步簡(jiǎn)化框架機(jī)理——SA方法175-181
• 6.4.3 構(gòu)建總包反應(yīng)——QSSA方法181-188
• 6.5 本章小結(jié)188-190
• 7 全文總結(jié)與展望190-194
• 7.1 本文主要結(jié)論190-192
• 7.2 本文的創(chuàng)新之處192-193
• 7.3 對(duì)今后工作的展望193-194
• 參考文獻(xiàn)194-209
• 作者簡(jiǎn)歷209

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本文編號(hào)：856501