基于文丘里混合的多孔介质燃烧火焰数值模拟研究

燃料/空气文丘里混合器在工业预混燃烧领域应用广泛，混合气体的均匀性对燃烧性能影响较大。为研究非均匀混合气体在多孔介质内的燃烧特点，本文对甲烷/空气经文丘里混合后预混不均匀度(spatial mixing deficiency, SMD)约为2%的非均匀预混气体在双层多孔介质燃烧器内的燃烧火焰进行了模拟。研究结果表明：受混合不均匀的影响，非完全预混气体在多孔介质内点火燃烧时容易产生局部高温而降低燃烧器的使用寿命；而达到稳定燃烧时，预混不均匀使得燃烧火焰稳定性降低。

与传统的燃烧技术相比，多孔介质燃烧技术具有结构简单紧凑、功率调节范围大、燃烧稳定性好、燃烧效率高和污染物排放低等优点[1]。

学者们针对多孔介质燃烧特性已开展了大量的研究。Filho 和Pimenta [2]通过数值模拟的方法分别模拟双层多孔介质中上游预热区和下游燃烧区多孔介质材料物性对燃烧过程中CO 排放的影响，发现上游多孔介质物性影响较小而下游多孔介质影响较大。Shi 等[3]通过实验和数值模拟的方法研究了CH4 预混气体在由3 mm 氧化铝小球填充多孔介质燃烧器中的贫燃特性。研究发现当量比对燃烧火焰前端的倾斜和破碎有重要影响。Hashemi 和Hashemi [4]模拟研究了不同当量比条件下CH4 预混气体浸没燃烧的稳燃范围， 发现当量比较低时燃烧稳定性变差。Liu 等[5]模拟研究了入口速度、当量比、多孔介质消光系数、导热系数等因素对CH4 预混气体分别在以氧化锆和氧化铝填充的双层多孔介质中的燃烧特性的影响。

Bubnovich 等[6]模拟了氧化铝小球填充的单层和双层多孔介质燃烧器的燃烧特性， 并考虑了Zeldovich 路线中高温对NOx 的形成机理， 发现双层多孔介质燃烧器NOx 排放更低。

Nemoda 等[7]利用数值模拟的方法研究比较了双层多孔介质浸没燃烧和单层多孔介质表面燃烧的燃烧特性，揭示了双层多孔介质燃烧时预热区固体可预热气体， 燃烧区气体加热固体以降低燃烧温度的独特燃烧特性。

Brenner 等[8]基于局部热平衡假设对二维燃烧模型进行了模拟，并考虑了详细化学反应机理，对燃烧器中CO、OH 等组分在燃烧器中的分布进行了预测。

Barra 等[9]对双层多孔介质燃烧的稳定性进行数值模拟发现：上层多孔介质应具有更低的导热系数和孔隙率以防止回火，而下游则应该增大导热系数以使得更多的热量流向上游。郑成航等[10]模拟研究了CH4 气体在单层氧化铝小球填充的燃烧器中浸没燃烧的火焰特性，并分析了不同入口速度下的火焰形状，发现在速度比较低时火焰轮廓比较平整，而随着入口速度的增大火焰轮廓呈抛物线形状。

总之，多孔介质作为目前燃烧技术中的热点，很多学者都对多孔介质燃烧技术进行了研究。但从已