微型热光电系统多孔介质燃烧器的数学模拟

针对微型热光电（TPV）系统多孔介质燃烧器进行了数学模拟，探讨了有关多孔介质的质量守恒方程、动量方程、能量方程、组分方程和状态方程等基本控制方程，由数值计算得到了多孔介质燃烧器壁面的温度分布，并与实验数据进行比较。     

微型热光电系统燃烧器结构对燃烧过程的影响

强化微燃烧器内部燃烧过程,对提高微型热光电系统能量输出和实现较低排放有重要的意义,为实现这一目的,本文进行了不同结构尺寸的微燃烧器的燃烧试验。研究结果表明:改变微燃烧器形状,能够改善燃烧器内部燃烧反应过程,从而提高微型燃烧器的外壁面温度和辐射强度,并且能够降低排放;在试验的燃烧器结构中,平板1型具有较高壁面平均温度和较低的CO、HC排放。     

多孔介质催化燃烧特性的数值分析

采用Deutschman甲烷/空气/铂氧化表面反应机理,气相反应采用GRI3.0机理,基于体积平均的双温度模型,对Pt催化的甲烷/空气在多孔介质燃烧器内的预混燃烧进行一维数值模拟,并与惰性多孔介质内预混燃烧结果进行比较.数值研究结果表明,有催化时,多孔介质内火焰面前移,且随着进口质量流率增大,火焰面前移更明显.催化使得多孔介质内温度分布更均匀,反应区内的最高温度亦低于惰性多孔介质过滤燃烧的最高值.催化剂的引入还可缩小燃烧器尺寸,有效降低污染物的排放.     

固体氧化物燃料电池尾气在多孔介质中的燃烧特性

通过配置不同组分和温度的混合气体来模拟固体氧化物燃料电池(SOFC)阴极和阳极尾气,并通过搭建双层多孔介质燃烧器实验台来研究SOFC模拟尾气的燃烧特性.结果表明:设计的多孔介质燃烧器可实现SOFC过渡和稳定阶段阳极尾气的稳定燃烧,但启动阶段的阳极尾气容易发生回火,燃烧器内烟气温度随SOFC工作阶段变化不大;阳极尾气中可...     

多孔介质内预混合超绝热燃烧的排放特性

通过实验探讨了多孔介质内燃气和空气预混合超绝热燃烧降低NO、CO排放的机理.对多孔介质内预混合气体单向流动和往复流动两种情况下燃烧排放的NO、CO体积分数进行了测试,并系统地研究了预混合气体的当量比、流速、往复半周期对往复流动燃烧(RSCP)排放特性的影响.结果表明,相对于单向流动,往复流动有更好的燃烧排放效果.往复流动燃烧半周期内CO排放量体积分数明显受当量比、流速、往复半周期的影响;而平均NO排放体积分数可达很低水平,通常保持在10×10-6以下.     

预混合燃烧系统中多孔介质作用数值研究

根据气固两相局部非热平衡假设,建立了混合气在惰性多孔介质中预混合燃烧的一维数学模型,研究了不同情况下甲烷-空气的预混合气在多孔介质中燃烧时的温度分布和燃烧速率,并与自由空间中相应的值进行比较．结果表明,多孔介质的存在可以扩展混合气的燃烧极限,明显改善了燃烧室的换热性能,强化了对新鲜混合气的预热,降低了热量损失;在多孔介质中混合气的燃烧温度和燃烧室的温度明显升高,反应区厚度和燃烧速率显著增大．数值结果与其他研究者的实验结果是一致的．     

非均匀多孔介质中导热过程

采用控制容积法和界面调和平均导热系数以及图形处理方法,对典型非均匀多孔介质Sierpinski地毯中的导热过程进行分析与模拟计算.结果表明:实际多孔介质中温度与热流分布是不均匀和不连续的,内部结构是影响温度分布和热量传递的主要因素,其影响程度与骨架和孔隙的导热系数、孔隙的大小和分布有关;温度梯度在孔隙中明显变大与孔隙处导热系数很小相对应;热流在孔隙和骨架交界处的局部区域中明显变大,尤其是在方形孔隙的角部出现热流峰值,这与温度发生突变的位置点相对应.研究结果可以推广到更为复杂的非均匀多孔介质的场合,可以进一步认识非均匀多孔介质中的导热规律,为工程计算提供更精确的计算方法.     

内置多孔介质Swiss-roll燃烧器的启动和贫燃特性

在常规尺度Swiss-roll燃烧器的中心区填充多孔介质,并对其进行实验研究.通过监测燃烧器的温度和燃烧产物的变化,分析了燃烧器在不同条件下的点火启动过程特性,并得到了燃烧器的贫燃极限.结果表明:相比于在入口处点火,在中心区点火启动时达到充分燃烧的时间更短,多孔介质的温度分布更均匀;多孔介质材料性质和预混气流量对启动特性影响很大;在中心区温度为950～1200K时,可处理1.3%的天然气/空气预混气.说明该燃烧器能显著拓展燃料的贫燃极限,对低热值气体具有良好的适用性.     

双层多孔介质燃烧器表面辐射特性的实验和数值研究

对双层多孔介质燃烧器表面辐射特性进行了实验和数值研究.实验通过改变当量比、预混气质量流量等条件,研究了影响多孔介质燃烧器辐射输出效率的因素;数值模拟采用一维模型和较为详细的化学反应机理,分析了燃烧器内温度分布及辐射通量.实验测得的表面辐射效率在22%左右,同时结果表明,实现贫燃料低流速燃烧可以有效提高表面辐射效率,缩短稳定燃烧区多孔介质也可提高对外辐射效率.     

双重分形多孔介质孔隙率的研究

根据双重分形多孔介质孔隙分布分形维数D与孔隙迂曲分形维数DT的定义和计算公式,推导了多孔介质孔隙率的计算公式.通过孔隙率计算公式的函数图像分析了双重分形维数D和DT的变化对孔隙率的影响,分析结果表明孔隙率随多孔介质双重分形维数D和DT的增加而增大;多孔介质最大孔隙直径越大孔隙率增加的就越慢;当D DT＜3时,多孔介质最大孔隙直径越大孔隙率就越大,但当D DT＞3时则相反,多孔介质最大孔隙直径越大孔隙率反而越小,D DT=3是特殊点,令D DT→3时的孔隙率极限值为它的孔隙率.     

多孔介质中活性流体的边界层

讨论了多孔介质中活性流体的边界性质，利用内、外解的摄动方法分析了孔隙度变化引起浓度、压强变化时，边界层法向速度、法向梯度、扩散梯度、渗透梯度和曲率的线性关系，从理论上得到了描述中心边界的扩散方程．     

基于文丘里的预混气体多孔介质燃烧特性

多孔介质燃烧技术是一种新型的清洁燃烧技术,被广泛应用于预混燃烧领域。燃烧过程中,燃料与空气的预混非均匀性是影响预混气体燃烧特性的重要因素。结合工业预混领域应用广泛的文丘里混合器,采用预混不均匀度(spatial mixing deficiency, SMD)对经文丘里混合的CH₄/air预混气体的非均匀性进行评估。在入口速度为0.8 m/s,过量空气系数1.4条件下,研究了预混不均匀度SMD对多孔介质燃烧稳定性的影响。结果表明：SMD小于2.5%对多孔介质燃烧火焰的稳定性影响较小;随着SMD的增大,燃烧高温区域面积进一步变大,最高温度随着SMD的增加呈线性增加;稳燃范围随着SMD的增大逐渐减小。     

预混气体在多孔介质中燃烧火焰面倾斜的演变

为研究多孔介质中火焰面倾斜演变及出现倾斜演变的原因,建立了二维碳化硅堆积小球的多孔介质燃烧器双温模型,对预混气体在燃烧器内的流动、传热和燃烧进行模拟.分析火焰面倾斜演变,并从温度场、气体流速场、压力场三个方面对火焰面出现倾斜演变现象进行分析.结果表明:给定初始倾斜角的火焰面会持续发展,出现更严重的倾斜现象;温度场、气体流速场、动压场通过影响燃烧化学反应速度、气体流动方向、壁面散热等间接影响火焰面的倾斜演变,导致火焰面倾斜的持续发展.     

多孔介质内预混气体燃烧稳定操作范围的研究

为优化多孔介质燃烧器设计,考察了多孔介质的物性参数对稳定燃烧速度极限的影响.建立了甲烷/空气预混气体在多孔介质内燃烧的二维数学模型,在FLUENT软件中加入自定义编程,用求解瞬态控制方程的方法对多孔介质内的稳定燃烧进行计算,考察了当量比、多孔介质的辐射衰减系数及导热系数对速度极限的影响.结果表明,当量比从0.55增加到0.9时,速度的最小和最大极限值有明显增加,稳定燃烧的最大与最小速度极限差从0.12增加到0.72;与参考算例相比,当下游区域导热系数增加5倍而上游导热系数保持不变时,稳定燃烧最大与最小速度极限差增加到0.47;上游多孔介质的辐射衰减系数增加而下游辐射衰减系数保持不变,可以达到相对最大的稳定操作范围.     

沙砾油层的着火与燃烧特性

通过实验和有关分析研究了火烧油层采油技术中所涉及的多孔介质油层着火与燃烧特性．在进行火烧油层实验的基础上，测得了油层中7个测点的温度变化，利用红外CCD拍摄了4个顺序时刻的辐射图像．结果表明，散热条件及油层的透气性等条件影响了油层的着火和燃烧区域的走向，燃烧区域向保温条件好和透气条件好的方向移动，油层的着火特性与点火器的功率有直接的关系，提高燃烧器功率可以促进着火的成功率．对实验测得的燃烧温度做Hurst指数分析，得出油层燃烧的分数维近似为1，结果表明油层的燃烧不同于流化床燃烧等常规的火焰燃烧，燃烧的紊乱程度明显低于常规的燃烧，其热量传递方式主要以辐射和导热为主，对流作用很少，提高燃烧温度对燃烧的稳定和平稳推进影响很大．     

泡沫在孔隙介质中的微观流动特征研究

泡沫在孔隙中的流动行为影响波及范围和驱油效率,对提高采收率起到重要作用。首先,建立单毛管模型,利用Level-set方法研究了泡沫在单毛管内流动的影响因素,分析了泡沫通孔隙介质中运移产生的贾敏效应、聚并机理和微观选择性运移机理,评价了不同类型泡沫的封堵性能;然后,通过XB油田岩芯的CT图像构建了真实的孔隙介质微观数值模型,研究了泡沫在其中的运移特点。结果表明,泡沫变形程度随管径比的增大而减小,润湿壁接触角对毛细管内泡沫的流变性无影响,半径1.2μm的N₂泡沫破裂时的液相流速临界值为64 mm/s;泡沫通过孔道时所受压力与其表面张力成正比,泡沫具有优先通过大孔道的微观运移特征;N₂泡沫稳定性强,封堵性能好,较适合高含水期的低渗油田进行调驱,为现场采用气液分散体系进行调驱并提高采收率提供有益启示。     

多孔介质控制整装式含能液体燃烧稳定性的研究

设计了整装式含能液体燃烧推进模拟实验装置,采用可燃性多孔介质填充于液体发射药燃烧室中,开展了整装式舍能液体燃烧推进试验研究.结果表明:多孔介质可以控制整装式含能液体的燃烧稳定性,但与液体发射药的装填密度有关.当液体发射药的装填密度约0.52 g/cm3时,燃烧过程稳定,p-t曲线光滑;当液体发射药的装填密度大干O.58 g/cm'时,可观察到明显的压力振荡现象,且装填密度越大,压力振荡越强.     

基于随机孔模型下的单颗粒多孔焦炭富氧燃烧特性

针对多孔焦炭颗粒富氧气氛中燃烧时,反应气体在颗粒孔结构中的扩散传质,内外表面上氧化还原的化学反应,孔隙结构变化等这些过程的分析,建立了以改进的随机孔模型为基础的物理和数学模型。研究了在不同浓度、温度下焦炭颗粒燃烧时,孔内化学反应速率、反应气体内扩散浓度和颗粒转化率等参数随内径的变化特性。结果表明,在研究工况的过渡控制区(1 200 K),氧化反应速率比还原反应速率高达3个数量级,随着氧浓度的增加,颗粒内部转化率变化率的拐点内移。     

多孔介质中稠油的非线性渗流特征实验与分析

针对多孔介质中稠油的渗流规律及稠油启动压力的测定方法展开研究,利用质量守恒原理及修正的达西定律建立了一维多孔介质中稠油的不稳定渗流压力变化规律数学模型,提出了一种多孔介质中稠油启动压力的不稳定测定方法。在此基础上,利用室内实验完成了3种渗透率及3种原油黏度组合时的稠油启动压力测定;并预测了这几种组合条件下稠油的拐点温度。研究结果表明:同一介质内,随温度增加稠油的启动压力逐渐降低,原油黏度的增大,拐点温度呈指数递增;同一种原油,随渗透率的增大,原油拐点温度逐渐降低。井楼一区III8-9层高温度拐点主要分布于油藏北部以及中部,原油流动能力较差。油藏东部温度拐点相对较低,稠油在地层内的流动能力强。     

高浓卤水在多孔介质中的运移

与淡水溶液不同，高浓卤水在多孔介质中的运移是一个受多因素影响的、复杂的物理、化学作用过程。本文在系统分析卤水运移基本特征的基础上，综述了高浓卤水在多孔介质中运移所遵循的基本规律及其相应的数值模拟方法。