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甲烷燃烧的数值模拟 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) (TelE-mail:liuzl@) 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-Tf) v0 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 3 其中 R—甲烷/空气的化学反应速率，kmol/(ms)； 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/(kmolK)； [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