摘 要

近年来我国能源的消耗日益增加，可燃物的燃烧是人们所使用能源的主要来源，清洁燃料天然气逐渐得到人们的重视。作为常见的燃烧现象，层流预混燃烧是燃烧领域不可忽视的一部分，研究甲烷-空气层流预混火焰传播速度对社会的安全和节能减排有着重要的意义。目前，操作简便的本生灯火焰法是测量层流火焰传播速度最常用的方法。然而，与数值模拟相比，实验测量易受到人为因素的干扰，而且耗费时间。

本文基于FLUENT 19.0软件建立了本生灯二维层流计算模型，对甲烷-空气层流预混火焰进行数值模拟。模拟时采用层流有限速率模型，化学反应机理采用软件提供的甲烷-空气单步反应机理和两步反应机理，通过基于压力的求解器，计算常温常压不同当量比下甲烷-空气层流预混火焰传播速度，并将模拟得到的结果与文献的试验数据对比分析。研究结果表明，这两种机理计算得到的模拟值和试验值基本吻合，能够正确反映火焰传播速度随当量比变化的规律，其中当量比小于1.22时，采用甲烷-空气两步化学反应机理模拟得到的层流预混火焰传播速度更准确，平均相对误差为6.62%。但是通过两种机理得到的层流预混火焰传播速度的峰值均向富燃区移动，而且当量比大于1.22时误差较大，最小误差超过40%。

关键词：层流预混火焰；本生灯；数值模拟

Abstract

In recent years, China's energy consumption has been increasing. The energy used by people mainly comes from the burning of combustible materials. As a clean fuel, natural gas has gradually attracted people's attention. As a common combustion phenomenon, laminar premixed combustion is an important part of combustion field. It is of great significance to study the propagation speed of methane-air laminar premixed flame for social safety and energy conservation. At present, with the simple operation, Bunsen burner flame method is the most frequently used method to obtain the laminar flame propagation speed. However, in comparison with the numerical simulation, the experiment is easy to be interfered by human factors, and time-consuming.

A two-dimensional laminar flow calculation model of the Bunsen burner was constructed by FLUENT 19.0 software in this study to numerically simulate the methane-air laminar premixed flame. The Laminar Finite-Rate model, the methane-air single-step reaction mechanism and the two-step reaction mechanism provided by the software were used for simulation. Based on the pressure solver, the propagation velocity of methane air laminar premixed flame under different equivalence ratio of normal temperature and pressure was calculated, and the simulation results were compared with the experimental data in the literature. The results show that the simulation values calculated by the two mechanisms agree well with the experimental values, which can correctly reflect the law of the flame propagation speed changing with the equivalence ratio. When the equivalence ratio is less than 1.22, the laminar premixed flame propagation speed simulated by the methane air two-step chemical reaction mechanism is more accurate, with an average relative error of 6.62%. However, the peak value of laminar premixed flame propagation velocity moves to the fuel-rich zone, and when the equivalence ratio exceeds 1.22, the error is larger with the minimum error exceeding 40%.

Key Words: laminar premixed flame; Bunsen burner; numerical simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与目的 1

1.2 研究意义 1

1.3 国内外研究现状 2

1.4 主要研究内容及技术路线 3

第2章 本生灯法 4

2.1 本生灯法原理 4

2.2 火焰传播速度的主要影响因素 5

第3章 软件及模型简介 7

3.1 CFD软件简介 7

3.2 数学模型 8

3.2.1 基本模型 8

3.2.2 化学动力学机理 8

3.2.3 燃烧模型 9

3.2.4 当量比 11

3.2.5 材料 11

第4章 数值模拟 12

4.1 物理模型及边界条件 12

4.2 求解方法 13

4.3 判定收敛的标准 13

4.4 网格生成及独立性检验 14

第5章 结果与讨论 17

5.1 模拟计算结果 17

5.2 误差分析 18

第6章 结论 20

参考文献 21

致谢 23

绪论

研究背景与目的

可燃物的燃烧在人们生活的方方面面和工业生产中都应用十分广泛，是人类所使用能源的主要来源。虽然燃烧产生的能量促进了社会的发展，但是在这个过程中也会产生污染物，甚至燃烧失控时会造成巨大的损失。其中，层流预混燃烧是常见的燃烧现象。通过研究层流火焰的形态、影响层流燃烧的各种因素等等，人们可以了解层流预混燃烧的机理和性质，而且由于实际燃烧装置中的大多数气流是湍流的，从相对简单的层流燃烧出发有助于对困难的湍流燃烧进行理论推导和实验测定，从而提出相应的理论。因此研究层流燃烧现象不仅对社会的安全和节能减排有着重要的意义，而且显而易见是燃烧领域不可忽视的一部分。

近年来，我国经济迅速发展，能源的消耗日益增加。随着天然气工业的高度发展，天然气作为清洁能源和经济实惠的优质燃料有良好发展前景，其需求量也越来越大，如何有效地利用天然气资源也逐渐得到人们的重视。由于天然气的主要成分为甲烷，研究甲烷-空气层流预混火焰传播速度有助于安全高效且合理地利用燃料，从而减少对环境的污染与破坏。层流预混火焰传播速度反映了燃料燃烧时的化学反应速度、活化能等，不仅是研究预混气体燃烧特性的重要参数，也是研究燃烧反应的一个基础，可以为气体的利用提供依据。目前，层流火焰传播速度的定义已经很明确，通过实验获得的途径很多，主要有球弹法、本生灯火焰法等等。其中，本生灯火焰法操作简便，而且有研究对本生灯测量方法的精度进行改善，因此是试验中测量层流火焰传播速度最常用的方法。

本文的目的就是基于FLUENT软件，构建本生灯计算模型，通过两种化学反应机理模拟甲烷与空气在不同混合比下的燃烧过程并计算其层流预混火焰传播速度。

研究意义

如今，由于计算流体力学的进步，相关的数值模拟软件也日趋成熟，逐渐得到了广泛的认可。相比以往通过实验进行研究的方法，数值模拟能够节省时间以及费用。层流预混燃烧是研究燃烧现象的一个重要方向，本文利用数值模拟工具对甲烷-空气层流预混火焰模拟计算，并求解层流预混火焰传播速度，最后将模拟得到的结果与相关文献数据进行了比较。一方面通过数值模拟可以了解火焰形态和其他特性，为层流火焰的燃烧机理的研究提供定性和定量分析，了解层流火焰的燃烧机理，为研究火焰稳定性以及湍流预混燃烧提供了有力的理论支撑。另一方面，传统本生灯火焰法测定层流预混火焰传播速度时，火焰高度的测定易受到人为因素的干扰，影响结果的准确性。构建本生灯计算模型可以实时、安全、准确地得到层流预混火焰传播速度。

国内外研究现状

本文的研究内容主要围绕着层流预混火焰和数值模拟展开。基于本文的研究，通过查阅资料发现国内学者通过实验研究了火焰的相关的参数、回火特性和稳定特性等等性质，并通过模拟预测相关参数。马增益等通过图像处理技术直接获取本生灯火焰前沿面积，从而计算火焰传播速度并设计了火焰传播速度在线实时测量系统，测量的结果与锥形法计算结果基本一致^[1]。付敏等通过MATLAB图像处理技术，提升了火焰外表面积的计算精度，测得的不同当量比下甲烷火焰速度与前人结果的相比在贫燃侧相近，而在富燃侧略低^[2]。翁武斌等在常温常压下通过热流量炉方法对甲烷空气预混层流火焰速度进行了测量并在Chemkin中结合GRI-mech 3.0机理来模拟，然后将测量值、模拟值、前人的实验值一起对比，可以看出三者非常接近而且随当量比的变化趋势也一致^[3]。戴文元利用Fluent软件通过k-ε模型和甲烷-空气六步反应模型，模拟了在二维光滑管道中甲烷-空气预混火焰的形状、结构和表面积以及不同阻塞比和间距的障碍物对火焰在管道中的传播的影响^[4]。吴泽俊等分别采用Smooke-46反应机理和单步化学反应机理，模拟甲烷-空气预混火焰并预测了层流回火极限，发现通过Smooke-46反应机理预测比较准确^[5]。在燃烧混合物方面，除了空气还加入了水蒸气、氢气、惰性气体。魏胜基于本生灯火焰测试，研究了氢气、惰性气体N₂、CO₂、燃气当量比和燃烧器参数对甲烷-空气预混气体火焰极限、燃烧稳定区间的影响^[6]。胡贤忠通过本生灯法和GRI 3.0机理获得CH₄/O₂/CO₂混合气在不同化学当量比和温度下的层流火焰传播速度，提出并证明有20种组分和56个基元反应的机理能较好地预测点火延迟时间、组分浓度、温度分布、层流火焰传播速度等^[7]。在数值模拟中采用的化学反应机理方面，刘合等提出14种组分、18个基元反应的甲烷-空气简化机理，能够较好地预测预混燃烧的点火延迟时间和产物的摩尔分数^[8]。李宇红等使用六步燃烧机理来模拟甲烷预混燃烧火焰，可以准确地预测其动态和定常特性以及污染物的生成情况^[9]。董清丽等提出由17个组分、24步基元反应组成的甲烷燃烧简化机理，从而提高了其层流火焰速度的精度^[10]。董刚等提出了由79步基元反应和32个组分组成、灵活可靠的甲烷-空气化学反应机理，并采用该半详细机理模拟计算298K、常压、当量比在0.6到1.5范围内变化时的火焰传播速度^[11]。