基于跃阶孔隙多孔介质燃烧器的火焰分布行为及火焰稳定性研究

Combustion technology in foam porous media has the advantages of high combustion rate, energy saving, and limited pollutant discharge, etc. The porous media burner (PMB for short) can be widely adopted in industrial and domestic fields. As far as the flame instability phenomenon of PMBs is concerned, we propose a novel PMB with gradually varied distribution for axial pores and jump distribution for radial pores. This structure can improve the distribution of flame, disperse the high temperature region, and reduce the radial temperature difference, then reduce the pore blocking and the possibility of structural damage, further increase the stability of PMBs. In this project, the flame stability mechanism in porous media burner will be studied using the experimental, theoretical, and numerical methods. Aiming at building an optimized PMB with gradually varied distribution for axial pores and jump distribution for radial pores, we will study the distribution regularities, the influencing factors, and the instability criterion of flames. We will explore the chemical reaction kinetics mechanism of the flame instability, and analyze the relationships between flow and chemical reaction to perfect theoretical system of porous media combustion technology. Finally, the theoretical system of porous media combustion will be improved. The objectives of the project are controlling flame instability in porous media, improving the temperature distribution, and optimizing the structure of PMBs. It has important theoretical significance and application prospect.

泡沫多孔介质燃烧技术在燃烧速率、节能以及污染物排放等方面体现出传统燃烧不可比拟的优势，在工业及民用领域有着重要的应用前景。针对现有泡沫多孔介质燃烧器内火焰不稳定的现象，提出轴向渐变、径向阶跃的孔隙分布方式，以改善火焰分布，分散局部高温区，减少径向温差，进而减少孔隙堵塞和结构破坏的可能性，改善燃烧器，尤其是大型泡沫多孔介质燃烧器的火焰分布和火焰稳定性。本课题拟通过实验结合数值模拟、理论分析对多孔介质燃烧器火焰分布行为及火焰稳定性进行研究。探明火焰在孔隙阶跃分布多孔介质内的分布规律；研究多孔介质燃烧火焰分布的影响因素以及火焰不稳定性发生的判定准则；此外，探索火焰失稳的化学反应动力学机理，分析流体力学与化学反应的相互作用关系，完善多孔介质燃烧技术的理论体系。本项目的研究为改善多孔介质燃烧器截面温度分布、控制多孔介质燃烧火焰失稳、优化多孔介质燃烧器设计奠定科学依据，具有重要的理论意义和应用背景。

多孔介质内燃烧火焰分布的各项影响因素，包括多孔介质结构、多孔介质材料及热物性、燃烧器特征尺寸、当量比、气体流速、燃料特性、化学反应速度等参数中，多孔介质孔隙结构及分布是起主导作用的参数之一。针对火焰失稳的改进方式，本课题首次提出一种径向阶跃+轴向渐变式孔隙分布燃烧器。径向孔隙阶跃分布的多孔介质可以通过空间结构的突变来实现气体在径向某一位置稳定燃烧，本课题改善径向截面火焰的分布不均，增强径向截面火焰的稳定性，并推动多孔介质燃烧技术的应用，具有重要的科学意义和广泛的应用前景。.经过三年的项目建设，我们良好完成本项目预期研究目标：搭建了由碳化硅（SiC）组成的两段式泡沫陶瓷多孔介质燃烧器实验平台，进行了甲烷和空气在不同燃烧区厚度和燃烧区径向孔径分布的多孔介质燃烧器中的燃烧实验，测量了温度和污染物排放等燃烧特性。在实验研究的基础上，建立了两段式多孔介质燃烧器二维瞬态双温度数学物理模型，数值模拟了燃烧区厚度和燃烧区径向孔径变化对多孔介质内的稳定燃烧范围、污染物排放和辐射热效率等燃烧特性的影响，并与实验进行对比，得到：燃烧区径向孔径变化多孔介质模型能有效的解决了火焰面倾斜的问题；相同工况下，燃烧区径向孔径变化的两种加密的多孔介质模型都能扩大了稳定燃烧区间，且有效提高燃烧器整体温度水平，使燃烧器内的温度分布更均匀。内部加密的多孔介质模型的出口温度最均匀，在实际生产应用中，对于需要均匀的加热物体的工序，内部加密多介质模型是最好的选择；燃烧区径向孔径变化的两种加密的多孔介质模型均能提高燃烧器的辐射热效率。.项目负责人为第一作者或第一完成人的成果如下：在国外SCI期刊发表并录用论文4篇；申请发明专利7项，已授权1项；撰写专著1本；培养硕士研究生3 名。此外，项目组还提出了进一步研究计划。