同轴射流天然气扩散火焰特性研究

【摘要】： 天然气作为一种清洁能源,在我国随着“西气东输”工程的进展和对环境保护的重视,其开发和利用得到了快速发展。天然气扩散燃烧在工业上有广泛的应用,为了提高燃烧效率,减少污染物排放,有必要对天然气扩散火焰进行进一步的研究。 本文以天然气为燃料,采用数值模拟和实验相结合的方法,研究了中心射流为燃气,外围环状射流为空气的同轴射流扩散火焰的若干特性。数值模拟采用计算流体力学软件FLUENT进行计算,模型的网格为非结构化网格,建立由连续性方程、动量方程、k ?ε双方程及能量方程组成的封闭微分方程组,使用涡耗散组分传输燃烧模型,定义带化学组分混合与反应的湍流流动。计算空间为二维轴对称空间,降低了计算量,采用分离求解器进行求解。最后得出同一燃气射流速度,不同空气射流速度下同轴射流天然气扩散火焰的温度分布、氮氧化物浓度分布、甲烷浓度、氧气浓度、流场分布等数值模拟结果,并对这些模拟结果作了简要的分析。 为了获是更加真实可靠的结果,本文还对同轴射流天然气扩散火焰进行了实验研究,实验中燃气管径保持不变,空气套管采用了大小两种套管,以使燃气射流和空气射流在射流出口处保持不同的距离。实验发现,当燃气射流和空气射流在喷嘴处保持一个适当间距的时候,有利于火焰的稳定性。在实验中,大套管实验工况的火焰稳定性比小套管要好。鉴于此,本文以大套管的实验工况为基础,研究了不同燃气射流速度和不同空气射流速度时火焰长度、火焰温度、火焰热辐射、氮氧化物排放情况、一氧化碳排放情况。得出了这些参数随空气射流速度增加时表现出的变化趋势,并对这些实验现象及结果作了简要的分析。 【关键词】：同轴射流 扩散火焰 数值模拟 火焰特性 污染物排放
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TK16
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 1 绪论9-17
• 1.1 课题研究背景及意义9-13
• 1.1.1 概述9
• 1.1.2 我国天然气工业状况9-11
• 1.1.3 天然气对环境保护的贡献11-13
• 1.2 国内外相关研究进展13-15
• 1.3 本文的研究内容和研究方法15-17
• 1.3.1 研究内容15-16
• 1.3.2 研究方法16-17
• 2 数值模拟相关理论17-34
• 2.1 计算流体动力学与数值模拟简介17-21
• 2.1.1 计算流体力学的形成与发展17
• 2.1.2 数值模拟的过程17-19
• 2.1.3 FLUENT 软件简介19-21
• 2.2 流体控制方程21-25
• 2.2.1 质量守恒方程21-22
• 2.2.2 动量守恒方程22-23
• 2.2.3 能量守恒方程23-25
• 2.2.4 组分质量守恒方程25
• 2.3 湍流模型25-29
• 2.3.1 湍流数值模拟方法的分类26
• 2.3.2 直接数值模拟和大涡模拟26-27
• 2.3.3 Reynolds 平均法27-28
• 2.3.4 FLUENT 提供的几种湍流模型28-29
• 2.4 传热模型29-32
• 2.4.1 导热和对流换热29-30
• 2.4.2 辐射换热30-32
• 2.5 污染物生成模型32-34
• 2.5.1 热力型NOX 生成机理32
• 2.5.2 燃料型NOX 生成机理32-33
• 2.5.3 快速型NOX 生成机理33-34
• 3 几何建模及计算设置34-45
• 3.1 引言34
• 3.2 计算空间的确定及网格划分34-38
• 3.2.1 实验用喷管的设计尺寸34-35
• 3.2.2 计算空间的确定35-36
• 3.2.3 网格划分36-38
• 3.3 边界条件的设置38-40
• 3.3.1 边界类型的确定38-39
• 3.3.2 组分的设置39-40
• 3.3.3 湍流参数设置40
• 3.4 求解模型40-45
• 3.4.1 分离求解方法41
• 3.4.2 方程的线性化41-42
• 3.4.3 火焰辐射模型及吸收系数42-45
• 4 模拟结果及分析45-55
• 4.1 小套管同轴射流45-49
• 4.1.1 温度分布45-46
• 4.1.2 NOX 分布46-47
• 4.1.3 CH_4 浓度分布47-48
• 4.1.4 O_2浓度分布48-49
• 4.2 大套管同轴射流49-53
• 4.2.1 温度分布49-50
• 4.2.2 NOX 分布50-51
• 4.2.3 CH_4 浓度分布51-52
• 4.2.4 O_2 浓度分布52-53
• 4.3 模拟结果分析53-55
• 4.3.1 温度分布特性53
• 4.3.2 NOX 分布特性53
• 4.3.3 甲烷浓度分布特性53-54
• 4.3.4 氧气浓度分布特性54-55
• 5 实验设计及结果分析55-72
• 5.1 实验系统55-60
• 5.1.1 实验的总体设计55-56
• 5.1.2 实验各参数的测量56-60
• 5.2 实验结果分析60-72
• 5.2.1 火焰稳定性60-64
• 5.2.2 火焰长度64-65
• 5.2.3 火焰温度65-66
• 5.2.4 火焰热辐射66-67
• 5.2.5 NOX 排放67-69
• 5.2.6 CO 排放69-70
• 5.2.7 温度与辐射的分析70-72
• 6 结论和展望72-74
• 6.1 结论72-73
• 6.2 展望73-74
• 致谢74-75
• 参考文献75-78
• 附录78

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