多孔介质燃烧中气态及颗粒污染物生成与演化的实验及数值模拟研究

Thermal efficiency and pollutant emissions of the combustion of fossil fuels are two major challenges in the scientific field. Porous media combustion has great advantages over traditional free flame combustion in increasing the thermal efficiency and reducing the pollutant emissions which has attracted a lot of research efforts. Due to the complexity of porous media combustion, it is always necessary to combine both experimental techniques and numerical simulations to reveal its deeper science. However, the comparison and verification between experiments and numerical simulations are extremely difficult. The difficulties generally come from two technical aspects: i) the accuracy of the mathematical models used for describing the underlying physics; ii) the consistency of geometric configurations between the experimental and numerical settings. In this proposed research project, both gaseous and particulate pollutants in porous media combustion will be studied by means of numerical and experimental data simultaneously. On the one hand, high performance computing will be used to simulate the flow, combustion, and aerosol evolution in the porous media. On the other hand, 3D printing techniques will be used to guarantee the consistency of the geometric configurations of the porous media used in the experiments and simulations. The success of this project will enhance the understanding of the pollutant emissions in porous media combustion, both in breadth and in depth. Meanwhile, a new research framework aiming for a better precision in this scientific field will be established.

化石燃料燃烧的两个主要问题是效率以及污染物排放。多孔介质燃烧相对传统自由空间燃烧，在提高燃烧效率及降低污染物排放两方面都有极大优势，是非常重要与热门的研究方向。因为多孔介质燃烧问题的复杂性，常需实验与数值模拟双方面的共同研究来提示其问题本质。然而，实验与模拟结果相互比较验证非常困难。这种困难主要来源于两方面：一是模拟中采用的数学物理模型的精度；二是实验与模拟中两者几何边界的对应性。本项目将紧密结合实验及数值模拟来研究多孔介质燃烧过程中的气态及颗粒污染物的生成与演化问题。一方面，采用大规模高性能计算来模拟多孔介质中的流动，燃烧，直至污染物生成过程，避免使用各种简化模型；另一方面，将借助3D打印技术来确保实验与数值模拟中多孔介质几何构型的高度一致。此项目的成功将为进一步加深对多孔介质烧烧过程中污染物生成机理的理解；同时，也为相关领域研究提供一种旨在于更高精度的全新模式以供借鉴。

随着化石能源储备的日益枯竭及人们对环保的日益关注，减少和抑制燃烧污染物排放，提高燃烧效率越来越受到重视。本项目围绕“多孔介质燃烧中气态及颗粒污染物生成与演化的实验及数值模拟研究”这一研究课题，从实验和数值模拟角度进行了深入研究。开发了直接作用力浸没边界层直接数值模拟方法（DF-IBM），用于处理多孔介质流动。建立了适用于模拟微纳颗粒复杂动力学过程新型Monte Carlo数值模拟方法，并将新型Monte Carlo数值模拟方法与碳烟生成模型结合起来， 建立了基于Monte Carlo方法的新型碳烟生成与演化数值模拟方法。研究了预混火焰和扩散火焰中碳烟生成和演化的动力学特性，为碳烟生成和演化机理及其涉及的不同动力学过程之间的竞争机制提供了更深的认识。通过实验和数值模拟研究，揭示了多孔介质燃烧过程中气相和颗粒污染物生成和演化规律。引入和发展了多孔介质燃烧器的新型制备方法，为多孔介质燃烧器加工的进一步优化奠定了基础。研究发现，燃烧器孔隙率对于多孔介质燃烧产生的气相HC排放具有重要影响，但对NOx排放影响不大。本研究中采用较小的孔隙率（36.5%）燃烧器有利于抑制HC排放，原因可能是相比于较大孔隙率（45%）的燃烧器，前者具有更好的混合和传热效果，更有利于碳氢燃料完全燃烧。但NOx的生成主要在火焰高温区，受其影响较小。对于较大孔隙率的燃烧器，存在临界雷诺数 (Rec = 500)，使得该处的碳烟浓度最低，碳烟平均粒径最小。这一发现对于燃烧产生细颗粒污染物排放控制具有重要意义。对于甲烷-乙烯二元混合气体，随着甲烷含量的增加，碳烟浓度和平均粒径均明显下降。随着甲烷含量的上升，加氢对于碳烟生成的抑制作用有所下降。对乙烯燃烧过程，添加含量70%的甲烷即可达到与添加乙烯含量50%的氢气相同的效果。上述研究结果和发现，为气相和颗粒相污染物排放机制提供了更深刻的认识，对于降低燃烧污染物排放，提高碳氢燃料燃烧效率具有重要指导意义及参考，为此建立的数值模拟方法也为碳氢燃料燃烧过程数值模拟提供了强有力的工具。