当量比对甲烷微燃烧影响的数值研究

中国工程热物理学会传热传质学学术会议论文编号：103539 当量比对甲烷微燃烧影响的数值研究

李艳霞，刘中良*，冯亮，桑丽霞

(传热强化与过程节能教育部重点实验室及传热与能源利用北京市重点实验室北京工业大学环能学院

北京 100124)

(Tel:139********；E-mail:liuzl@https://www.wendangku.net/doc/ff6548341.html,)

摘要：本文利用通用CFD商业软件Fluent对微通道内的甲烷预混燃烧反应及其传热进行了数值计算，研究了燃料不同的当量比对燃烧性能的影响。结果表明，燃料当量比在0.8-1.2范围内，火焰可以稳定的维持在通道内的某一个位置。随着当量比的增大，火焰位置和温度没有发生明显变化，但最高反应速率却是逐渐降低的。当量比为0.6时，火焰不能稳定在某一位置，而是在一定的范围内周期性的来回震荡、反复减弱增强。

关键词：当量比微燃烧数值研究

0前言

利用碳氢燃料燃烧提供动力/能量的微型能量系统，以其重量轻、环保、能持续供能等优点备受人们的青睐。尤其微型能量系统所提供的能量密度约为常规锂离子电池的几十倍乃至上百倍，具有广阔的发展前景。微燃烧器是微型能量系统最重要的组成部分。燃料在微尺度空间内的稳定燃烧这一问题的解决直接关系着今后微型能量系统的实际应用。

数值计算方法不仅可以对微燃烧的试验起到指导作用，还可以帮助研究者分析微燃烧的反应机理。国内外学者对微通道内烷烃类气体和空气的预混燃烧进行大量的数值研究。钟北京等[1-5]联合使用Fluent和Detchem软件对甲烷/空气预混气在扁平微通道内的催化燃烧进行了模拟计算，他们采用详细化学反应机理，研究了燃料的熄火极限并分析了熄火原因，探讨了导热壁，空间反应和入口速度等条件对甲烷催化反应转化率的影响。空间反应、当量比、温度和有无壁面的情况对甲烷转化率的影响，以及燃烧可燃极限的变化规律。Maruta等人[6]对直径1mm石英玻璃管内甲烷和空气混合物的催化燃烧进行了计算研究，模型采用24步表面反应机理，分析了熄火极限随着混合物入口速度的变化。他们的研究都是基于催化反应的基础上。Kim等人[7]模拟研究了甲烷/空气预混气体火焰形状和结构随初始和边界条件的变化。Norton等[8-9]首先对矩形单通道内甲烷/空气和丙烷/空气预混气体的均相反应做了计算研究，他们采用一步反映机理，研究重点是燃烧室壁面材料、厚度和散热损失对燃烧性能的影响。随后他们又对二维有逆流换热的双U型通道反应器中丙烷/空气预混气体的均相反应进行了计算研究[10]。Bendetto等人[11]研究了微通道横截面的几何形状对微尺度下丙烷催化燃烧性能的影响。

燃料组分的构成对稳定、高效燃烧起着重要的影响作用，是了解燃料燃烧极限的一项重要内容。因此，作者对矩形截面微通道内的甲烷预混气体均相燃烧进行了数值研究，在探讨了燃料入口速度、散热损失、通道高度以及壁面的厚度等因素对微燃烧传热传质性能的影响之后[12-13]，又研究了当量比对微燃烧的影响。

1 控制模型

使用Fluent对矩形截面微通道内的甲烷预混燃烧反应及其传热进行了数值计算。模

型选用二维对称截面作为模拟区域，如图1所示。L/H=10，v0=0.5m/s，h=0。壁面选用不锈钢材料。网格划分采用非均匀的结构网格，在入口及壁面处加密。

模型假设忽略微通道内气体对壁面的辐射换热，不考虑体积力和流动过程中耗散作用的影响。甲烷与空气混合物的入口温度为300K。由于在计算范围内流体雷诺数不超过1000，因此选用层流有限速率模型进行计算。

q=h(Tw-T f)

图1 模型计算区域

甲烷在空气中的反应速率根据Arrhenius公式确定[14]，

R=Aexp(-E/RT)[CH4]m[O2]n

其中R—甲烷/空气的化学反应速率，kmol/(m3·s)；

A—指前因子，取值2.119×1011(m1.5(kmol)-0.5s-1)；

E—活化能，取值2.025×108 (J/kmol)；

R—通用气体常数，8314J/(kmol·K)；

[CH4]—甲烷的浓度，kmol/m3；

[O2]—氧气的浓度，kmol/m3；

m—甲烷的浓度指数，取值0.2；

n—氧气的浓度指数，取值1.3。

2 模型验证

为了获得准确的数值模拟计算结果，首先对模型网格不断加密，直到计算结果基本不随网格数量的增加而变化，最后确定一个60×250（宽度×总长方向，且两个方向网格间隔比均为1.016）的网格。

为了进一步验证模型和计算方法的准确性，将本文计算结果同文献结果[8]进行对比，两种情况中除了壁面材料不一致以外（文献[8]中壁面热传导系数为7.5W/(m·K)，本文不锈钢热传导系数为16.7W/(m·K)），其他工况及通道尺寸都完全相同。对比结果显示温度及反应速率曲线的变化趋势非常相似。充分证明了本文中的数值模型和计算方法的正确性。

3计算结果与分析

在数值模型和计算方法得到充分验证的基础上，本文选择四种工况进行计算，当量比分别为0.6，0.8，1.0和1.2。当量比是实际发生反应的燃空比与恰好完全反应时燃空比的比值。

当量比在0.8-1.2范围内，火焰可以稳定的维持在通道内的某一个位置。随着当量比的增大，火焰位置基本没有发生变化，流体温度和壁面温度变化也不是很明显，如图1-2所示。说明燃料组分的构成在可燃范围之内，而随着当量比的增大，可燃组分的含量逐渐增加，燃烧放热量增多，导致燃烧后阶段的气体温度和壁面温度都相应的稍微升高。

C e n t e r l i n e T e m p e r a t u r e (K )

Axial Displacement (mm)

1200

13001400150016001700

1800

W a l l T e m p e r a t u r e (K )

Axial Displacement (mm)

图1中心线混合物温度沿长度方向变化

图2壁面温度沿长度方向变化

R e a c t i o n R a t e (k g m o l /(m 3

·

s ))

Axial Displacement (mm)

M a s s f r a c t i o n o f C H 4

Axial Displacement (mm)

图3反应速率沿通道中心线长度方向变化图4反应速率沿通道中心线长度方向变化

但甲烷的反应速率却有明显不同，如图3所示。当量比为1.2时的反应速率最低，当量比为0.8时的反应速率反而高于完全反应时的速率。图4中显示可燃物的转化率都接近100%，尤其以当量比为0.8时的反应最充分，原因是适度的过量空气有助于提高燃料的反应速率。

M e t h a n e m a s s f r a c t i o n

Axial Distance (mm)

R e a c t i o n R a t e (k g m o l /(m 3

·s ))

Axial Distance (mm)

图5中心甲烷质量分数随时间的变化 图6中心反应速率随时间变化

燃料组分的构成对稳定、高效的燃烧起着重要的影响作用，为了探讨甲烷的燃烧极

限的下限，本文又对当量比为0.6的情况进行了计算。结果显示，虽然可燃物都反应殆尽，但火焰并不是稳定在某一位置，而是在一定的范围内来回震荡、反复减弱增强。图5显示的是通道中心线处甲烷质量分数在一段时间内的变化，它反映的是一个周期的变化规律。图6显示的是同一时间段内通道中心线处反应速率随时间的变化，因为随着时 间的增加，此时反应物的反应速率是不断提高的，所以相对应的甲烷的质量消耗速度也是越来越快的，在甲烷质量分数变化图中显示的就是质量分数曲线逐渐向纵坐标靠拢。由于此段时间内（16.3秒至17.2秒）消耗的燃料逐渐增多，必然导致火焰温度的逐步升高，这一趋势在图7-a 中可以明显地看出。

T e m p e r a t u r e (K )

Time (s)

M a x i m u m T e m p e r a t u r e (K )

Axial Distance (mm)

a 火焰最高温度随反应时间的变化

b 火焰最高温度在微通道中位置的变化

42.0

42.543.043.544.044.545.045.5

P r e s s u r e a t t h e f l a m e c e n t e r (P a )

Time (s)

42.0

42.543.043.544.044.545.045.5

P r e s s u r e a t t h e f l a m e c e n t e r (P a )

Axial Distance (mm)

c 火焰中心压力随时间的变化

d 火焰中心压力的位置变化

4.2

4.44.64.8

5.0

5.25.4

V e l o c i t y (m /s )

time (s)

V e l o c i t y a t t h e f l a m e c e n t e r (m /s )

Axial Distance (mm)

e 火焰中心速度随时间的变化

f 火焰中心速度的位置变化

图7 火焰中心的温度、速度及压力变化

图7所示为火焰中心最高温度及相应位置处的压力、速度变化曲线。可以看出，三者的变化规律一致。随着时间的延长，温度、压力和速度的量值在一定的数值范围内呈现有规律的波形变化，火焰虽然没有完全熄灭，但也没有稳定的传播，呈现出时强时弱的现象。在一个变化周期内，火焰向气流下游移动时伴随着强度的减弱，而向气流上游移动时则不断的增强。Maruta 等人[15]曾在丙烷的微燃烧实验中发现了类似的现象，当燃气混合物的流速或者当量比在一定的数值范围内时，火焰会出现周期性的震荡，表现为火焰的位置随时间变化成波形分布。这与本文的计算结果非常相似，如图8、9所示。造成此现象的原因还没有形成理论，仍然需要进一步的研究和分析。

A x i a l D i s t a n c e (m m )

Time (s)

图8 火焰中心的位置随时间的变化 图9 文献[15]中震荡火焰

3 结论

利用碳氢燃料燃烧提供动力/能量的微型能量系统，以其重量轻、环保、能持续供能等优点备受人们的青睐。微燃烧器是微型能量系统最重要的组成部分。燃料在微尺度空间内的稳定燃烧这一问题的解决直接关系着今后微型能量系统的实际应用。本文利用通用CFD 商业软件Fluent 对微通道内的甲烷预混燃烧反应及其传热进行了数值计算，研究了燃料不同的当量比对燃烧性能的影响。模型选用二维对称截面作为模拟区域，壁面

选用不锈钢材料。网格划分采用非均匀的结构网格，在入口及壁面处加密。

结果表明，在燃料当量比在0.8-1.2范围内，火焰可以稳定的维持在通道内的某一个位置。随着当量比的增大，火焰位置和温度没有发生明显变化，但最高反应速率却是逐渐降低的。当量比为0.6时，火焰不能稳定在某一位置，而是在一定的范围内周期性的来回震荡、反复减弱增强。

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