惰性多孔介質(zhì)內(nèi)的液霧燃燒.pdf

1、針對日益突出的能源和環(huán)境問題，為發(fā)展清潔低能耗的燃燒技術(shù)，本文用數(shù)值模擬的方法研究了燃料液霧在惰性多孔介質(zhì)內(nèi)的流動燃燒過程，分析其燃燒特性。在多孔介質(zhì)內(nèi)組織燃燒可以提高燃燒系統(tǒng)的效率，同時(shí)降低污染。多孔介質(zhì)燃燒器有其獨(dú)有的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，超絕熱火焰溫度，拓寬的貧燃極限，低污染，燃燒過程更易控制等。 對文獻(xiàn)資料中出現(xiàn)的有關(guān)多孔介質(zhì)的幾何結(jié)構(gòu)和其中發(fā)生的輸運(yùn)過程的研究成果做了系統(tǒng)整理，以便對多孔介質(zhì)的性質(zhì)有個(gè)準(zhǔn)確把握，為建立準(zhǔn)確的數(shù)

2、學(xué)模型奠定基礎(chǔ)。介紹了孔隙率、比面、彎曲率、相關(guān)函數(shù)、孔徑分布、逾滲概率等幾何結(jié)構(gòu)特征參數(shù)和毛細(xì)管模型、隙縫模型、顆粒模型、孔隙網(wǎng)絡(luò)模型、逾滲模型等幾何結(jié)構(gòu)模型；介紹了比流量、滲透率、流體動力彌散等流體力學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)，界面張力、濕潤性、毛細(xì)壓力等界面屬性和傳熱傳質(zhì)輸運(yùn)特性。 闡明了模擬多相多尺度問題的連續(xù)介質(zhì)方法的基本思想和表征體元、孔隙率等基本概念，介紹了連續(xù)介質(zhì)方法中的唯象方法和上升尺度方法。詳細(xì)介紹了經(jīng)典混合物理論和經(jīng)典不可

3、逆熱力學(xué)。對唯象方法中的不溶混混合物理論，上升尺度方法中的平均理論作了簡要介紹。 應(yīng)用上升尺度方法中的雜化混合物理論和經(jīng)典不可逆熱力學(xué)原理，推導(dǎo)得出了存在化學(xué)反應(yīng)多相混合物體系的較為嚴(yán)格的雜化混合物理論模型。宏觀守恒方程是將微觀守恒方程在表征體元上體積平均得到，將微觀熱力學(xué)第二定律的熵不等式和微觀Gibbs方程等狀態(tài)函數(shù)之間的熱力學(xué)關(guān)系也在表征體元上體積平均，得到宏觀熵不等式和宏觀熱力學(xué)關(guān)系。用Lagrange乘子將宏觀熵不等式

4、、守恒方程、熱力學(xué)關(guān)系組合成增廣熵不等式，選取Lagrange乘子削去增廣熵不等式中的物質(zhì)導(dǎo)數(shù)項(xiàng)，確認(rèn)出熵流部分和熵產(chǎn)部分。依據(jù)經(jīng)典不可逆熱力學(xué)的一般原則，將熱力學(xué)流表示成熱力學(xué)力的函數(shù)式，即找出本構(gòu)關(guān)系，完成方程組的封閉。 數(shù)值工作首先從較為簡單的零維模擬開始，采用詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，應(yīng)用零維情形的雜化混合物理論模型，模擬了微小空腔內(nèi)氣體的預(yù)混燃燒，通過有無填充多孔介質(zhì)的對比，分析了多孔介質(zhì)在微小尺度燃燒領(lǐng)域的應(yīng)用前景。研究了填

5、充多孔介質(zhì)對微小型化學(xué)推進(jìn)器性能的影響。微小尺度下系統(tǒng)內(nèi)部很容易達(dá)到熱平衡，體現(xiàn)不出多孔介質(zhì)的回?zé)嶙饔茫坏嗫捉橘|(zhì)的大熱容量卻能保證系統(tǒng)具有良好的熱穩(wěn)定性。通過用詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理研究定容條件下正庚烷液霧在多孔介質(zhì)中的瞬態(tài)著火過程，模擬了液體燃料在內(nèi)燃機(jī)中的點(diǎn)火過程。多孔介質(zhì)內(nèi)燃機(jī)的點(diǎn)火延遲期會比傳統(tǒng)柴油機(jī)顯著縮短，而且受工況影響很小，有利于內(nèi)燃機(jī)的點(diǎn)火控制。將雜化混合物理論模型具體應(yīng)用于正庚烷液霧在惰性多孔介質(zhì)中的流動、蒸發(fā)、燃燒過程。

6、作一維假定，考慮了液霧與氣體之間的對流換熱過程、液霧與多孔介質(zhì)固體骨架之間的碰撞接觸傳熱過程、多孔介質(zhì)對液霧的輻射加熱過程。采用了自適應(yīng)網(wǎng)格的Eluer-Lagrange數(shù)值解法，輻射傳遞方程采用離散坐標(biāo)法求解。對程序代碼進(jìn)行了較系統(tǒng)地檢驗(yàn)?？疾炝说^程中殘差的下降程度，確定了迭代收斂判據(jù)。通過在經(jīng)由系統(tǒng)加密的網(wǎng)格上進(jìn)行計(jì)算，分析了單調(diào)收斂、收斂階數(shù)、網(wǎng)格無關(guān)性等離散誤差特征，應(yīng)用Richardson外插對離散誤差作了定性地估計(jì)。計(jì)算