静止纯碳颗粒在空气中燃烧的数值模拟..doc

静止纯碳颗粒在空气中燃烧的数值模拟 (浙江大学能源清洁利用国家重点实验室，杭州，310027) 易富兴 李德波 卢树强 罗坤 樊建人 摘要： 以下条件经筛选，允许进行碳燃烧数字模拟。即七种碳颗粒直径范围从0.006—16mm；三种空气的温度，从1000—1800K；四种空气环境下的速度，即0 m/s，0.5 m/s，5 m/s和50m/s。数字模拟静态纯碳颗粒在空气中燃烧的方法被采用。碳粒子位于计算区域中心保持静止，一个统一的计算网格 关键词：煤的燃烧 单膜模型 双膜模型 煤焦燃烧形式 简介 自上个世纪已经从实验和数值方面研究表明煤燃烧中碳燃烧起着重要作用。经典理论将碳的燃烧分为三种形式，即动力燃烧、动力扩撒燃烧和扩散燃烧。Tetal把一个直径25mm的悬浮液刷碳放到一个57mm的热风炉管中测定碳的燃烧速率，并且连续称重。结果发现，当气体温度不够高，即1173K以下，碳燃烧主要是动力燃烧形式；然而，当气体温度升高时，即1273~1473K之间，碳燃烧是扩散燃烧。单膜模型是Nusselt提出的，是最受欢迎模拟动力燃烧形式的实用模型。另一方面，Hottel和Parker发现当25mm的悬浮液刷碳的温度达到1273K时，在碳表面氧气浓度几乎接近零，这将导致在碳表面一氧化碳被氧燃烧。在这种情况下，碳粒周围的氧气浓度可以视为零。首先由Burke和Schuman提出的双膜模型是处理此类限制的代替模型。但应注意，单膜模型只考虑三种异构反应（I）、（II）、（III）和均相反应（IV），双膜模型只考虑异构反应（III）和均相反应（IV），一个连续膜模型认为非均相反应（I）、（III）均相反应（IV）与实验数据更相吻合。然而，连续膜模型有些复杂，不适用于使用计算机模拟工业煤粉火焰。 另一方面，单碳的二维模拟燃烧已被少数的研究者研究。Lee用随时间变化的二维程序揭示低雷诺兹对点火和火焰结构发展的影响。Higuera在气体中利用二维稳态程序模拟一个单一的碳粒子，研究碳粒子的大小和速度以及温度的影响和气体成分的变化。 术语解释： BA, EA—C + O2 →CO2反应的动力学参数，(I) (m/s, J/mol)； BB, EB—2C + O2 →2CO反应的动力学参数，(I) (m/s, J/mol) BC, EC—C + CO2 →2CO反应的动力学参数，(I) (m/s, J/mol)； B—传递系数； Cp, Cv—在恒定压力和体积下的热容量，(J/ (kg K), J/ (kg K))； Cc—碳粒子的比热，(J/ (kg K))； D0, d—起始时和瞬时碳粒径，(m)； Hc—碳表面反应相关的热，(J/kg)； —反应（I）、（II）、（III）碳表面反应速率，(kg/s)； —C、O2、CO2、CO在碳表面的反应速率，(kg/s)； Nu—碳粒的努塞尔数； P—压力，(kg/ms2)； Qrad, Q—在碳和气体热辐射、热传导时的热交换数值，(J/kg)； R—通用气体常数，(J/ (g-mole K))； Re—碳粒子的雷诺兹数； t—时间，（S）； T—温度，（K）； u—速度，(m/s)； △V—均匀网格的体积，（m3）； Vg—进气时，气体速度的大小，(m/s)； W—分子量，(kg/mol)； X—坐标点的直角坐标，（m）； Y—质量分数； 下标含义： p,g,s—在碳表面，碳颗粒的相； O2、CO、CO2—与O2、CO、CO2相关的参数； i,j—组成直角坐标系的相关希腊字母； 希腊符号含义： —与碳表面反应有关的化学计量比； —密度，(kg/ m3)； —导热系数，黏度，(W/ (m K), m2 /s)； ε—碳粒表面发射率； σ—斯特凡-玻尔兹曼常数， W/( m2 K4)； 碳的燃烧形式是碳燃烧的一个非常重要的因素。Mulcahy认为，如果一个10um的碳粒子在1000K或以上温度的空气中燃烧时，燃烧的主要形式是扩散燃烧。Burke认为，在1000-1300℃或空气温度更高时，碳表面的反应完全是还原反应控制的。然而，Field认为，对于小直径碳颗粒来说，氧气可以到达碳的表面，所以小直径碳颗粒表面反应完全是还原反应的说法是要被怀疑的。Niksa做了一个单颗粒谈燃烧实验，在实验中，碳的直径、温度和气流速度范围分别为0.12-0.24mm，1150-1950K,50-300cm/s。结果表明，当气体温度高达1450K时，碳温度可能比燃气温度高几百度。Smith做了另一个类似的实验，气体温度范围从1200-2270K，碳粒的直径范围从几微米到几十微米的实验。结果表明，燃烧速率比限制氧扩散率时颗粒的燃烧速率更小，而且通常是小的越来越多。通过以上可以总结，虽然许多实验研究了煤的燃烧形式，但并没有区