摘 要

随着世界经济迅速发展，人口数量不断增加，能源消费量不断增长，温室气体和各种有害物质排放量快速增长，化石燃料的短缺和排放法规的日益严格，国内外开展了大量的替代燃料燃烧机理的研究，具有优良燃烧特性、清洁且热值高的天然气能源受到更多的重视。国内外对甲烷燃烧已经开展了一些研究，实验测定的甲烷-空气预混合气体层流火焰燃烧速度受重力、辐射等多种因素影响，三维球形火焰的模拟可以提取诸如定容弹壁面和辐射等因素对火焰传播过程的影响的信息，对层流火焰燃烧的研究具有重要意义。

本文借助CFD软件CONVERGE对在直径为176mm的定容燃烧弹中甲烷-空气预混合气体的燃烧进行了三维模拟。论文主要研究了以甲烷-空气混合气为研究对象，通过对外传播球形火焰法测量层流燃烧速度。利用CONVERGE软件，建立定容燃烧弹三维几何模型，模拟甲烷-空气混合气在定容燃烧弹内燃烧过程。研究结果表明：通过三维模拟甲烷-空气向外传播球形火焰具有可能性，模拟出的甲烷-空气三维球形火焰可以较为准确的反映甲烷-空气向外传播球形火焰的形貌变化。

本文的特色：模拟甲烷-空气三维球形火焰。

关键词：甲烷；球性传播火焰；数值模拟

Abstract

With the rapid development of the world economy, the growing population, the continuous increase in energy consumption, the rapid growth of greenhouse gas emissions and various harmful substances, the increasing shortage of fossil fuels and emission regulations, and the large number of alternative fuels burning at home and abroad. The study of the mechanism, natural gas energy with excellent combustion characteristics, cleanness, and high calorific value received more attention. A number of studies have been conducted on methane combustion both at home and abroad. The laminar flame combustion velocity of methane-air premixed gas measured by experiments is affected by various factors such as gravity and radiation. The simulation of three-dimensional spherical flame can extract, for example, constant volume bomb surface and radiation. The information on the influence of factors on the flame propagation process is of great significance for the study of laminar flame combustion.

In this paper, the CFD software CONVERGE was used to simulate the combustion of methane-air premixed gas in a 176 mm diameter constant-size incendiary gas. The paper mainly studies the methane-air mixture as the research object, and measures the laminar burning velocity through the external propagation spherical flame method. Using CONVERGE software, a three-dimensional geometric model of a constant volume incendiary bomb was established to simulate the combustion process of a methane-air mixture in a constant volume bomb. The results show that the three-dimensional simulation of the outward propagation of methane-air spherical flame has the possibility that the simulated methane-air three-dimensional spherical flame can more accurately reflect the methane-air outward propagation spherical flame morphology changes.

This article features: Simulated methane-air three-dimensional spherical flame.

Key Words：methane；outwardly expanding spherical flames； simulation

目录

第 1 章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的和意义 2

1.3 国内外研究现状 4

1.4 研究内容和技术路线 5

第 2 章 数值模拟方法 7

2.1 Converge软件介绍 7

2.2 几何模型的构建 7

2.2.1模拟流程 7

2.2.2计算网格 7

2.3 物理模型的对比分析与选择 8

2.3.1湍流模型 8

2.3.2燃烧模型 9

2.4 本章小结 10

第 3 章 数据处理方法 12

3.1 Tecplot软件介绍 12

3.2 Origin数据处理软件介绍 12

3.3 火焰面的界定 12

3.4 本章小结 13

第 4 章 当量比对球形火焰传播影响 14

4.1 火焰传播过程分析 14

4.2 当量比对球形火焰传播影响的分析 15

4.3 本章小结 18

第 5 章 总结与展望 19

5.1 总结 19

5.2 展望 19

参考文献 20

致谢 22

绪论

研究背景

近年来，能源短缺和环境污染已成为人类面临的两大难题。据BP能源统计显示统计，在世界一次能源消费结构中，天然气在总能源消费中的占比由1965年的15.7%上升至2017年的24.1%，据估计，天然气将在2035年前后成为世界最大的主体能源。如下表1.1中列出了由BP能源发布的2017年世界主要国家中一次能源消费的构成的统计数据。

表 1.1 2017年世界主要国家中一次能源消费的构成

从表1.1中可以看出，在目前的一次能源消费格局中石油、天然气和煤炭在能源格局中依旧处于主体地位。在一次能源消费中煤炭消费占比为33.3%、天然气消费占比24.1%、煤炭消费占比28.1%。中国作为世界第二大的能源消费国，三者所占比例极不均衡。我国煤炭在一次能源消费中所占比例达61.8%，远高于其他各国煤炭消费所占一次能源消费比例，我国煤炭主要应用于火力发电和钢铁等重化工工业，煤炭燃烧生成SO₂、NO_x等污染物使我国环境污染日益严重，而作为清洁能源的天然气，在我国使用比例仅为6.2%，不仅远低于美国、英国等发达国家，而且还远远落后于24.1%的世界平均水平。随着世界经济的飞速发展，世界人口数量不断增加，能源消耗量不断增长，温室气体和各种有害物质的排放量迅速增加，煤炭、石油等燃料所带来的高污染越来越被人们所注意，人类开发利用更加清洁的能源的愿望越来越强烈，国内外对替代燃料燃烧机理进行了大量的研究，具有良好的燃烧特性、相比于石油和煤炭更加清洁而且具有高热值的天然气能源越来越受到人们的重视，发展天然气工业已成为世界各国改善环境、促进经济可持续发展的最佳选择。天然气的主要组分为甲烷，甲烷含量约占天然气全部化学成分总量的85%～95%。

燃烧是一种快速的化学反应。当混合气体通过电火花点火时，火焰前缘形向未燃烧区域传播。火焰前锋面之后是燃烧的高温燃烧产物。化学反应集中在非常薄的火焰前锋面。在边界处产生极大的温度梯度和组分浓度梯度。这种梯度会导致热量和质量的强烈交换。由于靠近未燃烧的气体混合物的化学反应，这些热量和质量的传递将继续，并且将燃烧由已燃区域不断地向未燃区域进行推进。基础燃烧可分为层流燃烧和湍流燃烧，预混层流燃烧与湍流燃烧密切相关。层流火焰速度是可燃混合气体最基本、最重要的理化特性参数。它是可燃气体混合物体系放热，扩散系数和化学反应速率的综合反应。此外，探究层流火焰速度是发展和验证燃料化学动力学机制的重要手段。

研究目的和意义

层流燃烧速度是体现其燃烧特性的重要参数，是指层流火焰前峰面在其法线方向上相对于未燃预混气体的移动速度。层流燃烧速度是预混火焰最重要的特征参数之一，与可燃混合气扩散和反应速率的性质密切相关。燃料的层流燃烧速度对于化学动力学机理的开发和验证、湍流燃烧过程的模拟、燃烧设备的优化以及燃料闪点和最小点火能量预测模型的建立都具有重要的作用。准确测定燃料的层流燃烧速度对燃料化学动力学机理的开发、验证和完善提供了重要依据。

广泛应用于测量层流燃烧速度的主要方法有以下三种：滞止火焰面法、热通量法和向外传播球形火焰法。如图1.1显示了滞止火焰面法滞止火焰形成的示意图。在燃烧器出口处放置一个平板，由于滞止作用，形成在燃烧器上的火焰相对容易形成滞止面火焰。根据拉伸应变对火焰的影响，然后分析定常火焰的形态结构，可以得到相应的火焰燃烧速率。这种方法可以建立不同的火焰形态。但是，由于提高火焰前表面的平面性，通常会预热未燃烧的气体，因此很难在高压条件下画出清晰的火焰前锋并稳定火焰。因此测量高压条件下的火焰速度具有一定难度。

图 1.1 滞止火焰形成的示意图

通过测量多孔燃烧器上稳定火焰的热损失来测量火焰燃烧速率是热通量法的测量方法。如图1.2所示，认为由于燃烧板非常薄，所以平板上的温度分布只是平板的半径的函数，并且可以通过热线偶方便地测量。在很大程度上，温度分布大约是从火焰到燃烧板的传热。最后，通过求解能量方程推导火焰的层流速度。通过实验方法我们可以看出，绝热层流的火焰速度应该推导为零损失，但是火焰在接近绝热火焰时不稳定甚至熄灭。这就需要额外的工作来确定热损失，并且结果推断为零热损失以获得绝热燃烧速度。

图 1.2 热通量燃烧器及燃烧器孔板示意图

向外传播球形法采用定容燃烧弹实验装置，其通过记录定容燃烧弹内球形火焰的膨胀历程，提取火焰传播速度，然后通过建立火焰拉伸与火焰传播速度之间的关系，进而推导以获得无拉伸层流火焰传播速度等数据，其可以很方便的用来研究当量比、初始燃烧温度压力和点火能量等参数对燃料燃烧的影响规律，且高温高压条件易于实现，其火焰构型简单，对拉伸率的定义清晰明确，实验具有良好的可控性。因此在此次研究中，使用向外传播球形火焰法模拟甲烷-空气预混混合气在不同初始条件下的层流火焰。

表 1.2 常用测量层流火焰速度方法对比

球形火焰层流燃烧速度受重力、辐射多种因素影响，通过实验取得的数据往往存在一定的偏差，通过三维模拟向外传播球形火焰的层流火焰可以较好地解决这个问题。同时，受限于定容燃烧弹的观察窗与观测手段，现有定容燃烧弹大部分只能从三个方向对球形火焰的截面进行观察与图像处理，通过模拟甲烷-空气三维球形火焰在弹内的传播过程可以从不同截面进行层流火焰数值计算，数据更为全面。因此，本文的目的是探索关于模拟甲烷-空气三维球形火焰的可行性并模拟出甲烷-空气三维球形火焰在弹内的传播过程，揭示其形貌变化。

国内外研究现状

甲烷层流燃烧速度测量准确性受多种原因影响。Ronney和Wachman^[1]发现重力所带来的自然对流会对层流火焰速度造成一定影响，在远离可燃极限的预混混合气体中，火焰传播速度较快，此时在这里引起的自然对流对层流火焰速度的影响可以忽略不计，对于缓慢燃烧的近极限预混气体，自然对流引起的气体上升速度与火焰的燃烧速率具有相同的数量级，这就严重影响了地面重力环境中的火焰传播。火焰形状也发生明显变化。他们利用微重力落塔和在圆柱形的定容燃烧弹进行向外传播的球形火焰实验来进行验证重力所带来的自然对流对层流火焰速度所带来的影响，结果表明，实验测量的层流火焰速度与重力有关，在零重力条件下存在额外的火焰传播极限。同时，消除自然对流可以更直接的测量慢燃混合物的近极限燃烧速度。Zheng Chen^[2]等人注意到不同人员使用相同的恒压球形火焰法测量的甲烷-空气混合气的层流火焰速度和马克斯坦长度存在巨大的差异，通过研究发现这种误差是受压缩性效应及辐射影响的，于是提出一种拉伸火焰速度随拉伸速率线性变化的线性模型和两种拉伸火焰速度随拉伸速率非线性变化的非线性模型，同时对何种混合物应使用何种模型进行了说明。辐射对层流火焰速度测量准确性的影响也有广泛的研究，Hao Yu^[3]等发现在球形火焰实验中，燃烧气体区域的H₂O和CO₂辐射会影响火焰传播的速度，所以使用向外传播球形火焰法测量的所有层流火焰速度数据均受到辐射的影响，并给出了修正辐射影响的方法和公式。Chae Hoon Sohnd^[4]等发现辐射对层流火焰速度的影响第一个效应是辐射引起的负燃烧气体速度变化，第二个效应是辐射引起的密度比变化。并提出一种修正方法来考虑这些影响。

由此可以看出，由于通过实验测量预混混合气体层流燃烧速度的准确性受重力、辐射等诸多因素影响，造成不同实验测量向外传播球形火焰的层流火焰速度存在一定的数值偏差。但通过软件三维模拟层流火焰则可以很好地解决这个问题。

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