(上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093)

近年來，我國環(huán)保力度不斷加大。作為能源消費大國，開發(fā)高效低污染的燃料燃燒技術(shù)，并利用這些先進(jìn)燃燒技術(shù)治理揮發(fā)性有機(jī)物污染等重大環(huán)境問題，對社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

多孔介質(zhì)燃燒(Porous Media Combustion)，是一種在燃燒裝置中填充多孔介質(zhì)的高效低污染的新型燃燒方式[1-9]，也稱為“過濾燃燒” (Filtration Combustion)[10-14]。根據(jù)多孔介質(zhì)在燃燒中所起的作用，多孔介質(zhì)燃燒可以分為惰性多孔介質(zhì)燃燒和多孔介質(zhì)催化燃燒[15-16]。本文重點介紹預(yù)混氣體燃料在惰性多孔介質(zhì)中的燃燒，即多孔介質(zhì)在燃燒中只起強化燃燒、蓄熱和傳熱的作用，不參與反應(yīng)。

1 多孔介質(zhì)燃燒的原理、分類和特點

1.1 多孔介質(zhì)

多孔介質(zhì)是由固體物質(zhì)組成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙所構(gòu)成的物質(zhì)。燃燒器中的多孔介質(zhì)具有適當(dāng)?shù)目紫堵?，耐高溫，耐熱震，蓄熱能力強，傳熱性能好。主要有蜂窩、泡沫、顆粒堆積、纖維、金屬絲網(wǎng)等結(jié)構(gòu)，其材質(zhì)有氧化硅、氧化鋁、耐熱鑄鐵和不銹鋼等[17]。

1.2 惰性多孔介質(zhì)燃燒的分類

1.2.1 單向流動多孔介質(zhì)燃燒

預(yù)混氣體在多孔介質(zhì)中的燃燒十分復(fù)雜，是一個化學(xué)反應(yīng)和傳熱相耦合的過程。如圖1所示，氣體燃料在多孔介質(zhì)燃燒區(qū)域燃燒放熱，熱量向四周傳遞，部分熱量被煙氣攜帶至下游區(qū)域，下游區(qū)域的多孔介質(zhì)吸收高溫?zé)煔鉄崃亢?，又將部分熱量傳遞給燃燒區(qū)域的多孔介質(zhì)；燃燒區(qū)域的多孔介質(zhì)也會直接吸收氣體燃料燃燒放出的熱量，并把部分熱量傳到上游區(qū)域的多孔介質(zhì)，形成熱量回流。下游區(qū)域多孔介質(zhì)和燃燒區(qū)域多孔介質(zhì)之間以導(dǎo)熱和輻射的方式換熱；燃燒區(qū)域中氣體燃料燃燒放出的熱量是以對流和輻射的方式傳給多孔介質(zhì)；燃燒區(qū)域多孔介質(zhì)和上游多孔介質(zhì)之間也是以導(dǎo)熱和輻射的方式換熱。在此過程中，由于部分熱量回流到上游區(qū)域的蓄熱體，當(dāng)回流熱量大于蓄熱體向環(huán)境的散熱損失時，富余的回流熱量就會通過蓄熱體傳遞給流入的預(yù)混氣體，使預(yù)混氣體的溫度不斷升高，到達(dá)燃燒區(qū)域后能夠快速燃燒，并且可達(dá)到比未經(jīng)預(yù)熱的預(yù)混氣體在絕熱條件下的理論燃燒溫度更高的煙氣溫度，實現(xiàn)“超焓”燃燒，也稱“超絕熱燃燒”[17-19]。

1.2.2 往復(fù)流動多孔介質(zhì)燃燒

對于單向流動多孔介質(zhì)燃燒器，如果預(yù)混氣體中燃料的體積分?jǐn)?shù)很低，會產(chǎn)生火焰持續(xù)向下游移動的情況。此時，只有燃燒器中的多孔介質(zhì)無限長，才能使燃燒過程一直持續(xù)下去。在實際過程中，多孔介質(zhì)不可能是無限長，但如果將往復(fù)式流動技術(shù)和多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)相結(jié)合，周期性地切換燃燒器進(jìn)氣和排氣的方向，就可以達(dá)到類似多孔介質(zhì)無限長的效果。往復(fù)流動多孔介質(zhì)燃燒的原理見圖2。燃燒器從冷態(tài)啟動，經(jīng)過一段時間的加熱，燃燒器內(nèi)的多孔介質(zhì)達(dá)到了設(shè)定的預(yù)熱溫度，然后開始通入預(yù)混氣體。在前半周期內(nèi)，氣體燃料從燃燒器左側(cè)進(jìn)入，經(jīng)過多孔介質(zhì)預(yù)熱后著火燃燒，燃燒區(qū)域的部分熱量會通過導(dǎo)熱、對流和輻射的方式傳到燃燒器兩側(cè)的多孔介質(zhì)處，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饫^續(xù)向右流動的過程中，右側(cè)多孔介質(zhì)吸收煙氣的熱量，溫度升高，同時煙氣溫度逐漸降低后從右側(cè)排出，燃燒區(qū)域逐漸右移；同理，在后半周期內(nèi)，氣體燃料從右側(cè)進(jìn)入，經(jīng)過右側(cè)高溫多孔介質(zhì)的預(yù)熱后著火燃燒，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饫^續(xù)向左流動的過程中，左側(cè)多孔介質(zhì)吸收煙氣的熱量，溫度升高，蓄積熱量，同時煙氣溫度逐漸降低后從左側(cè)排出，燃燒區(qū)域逐漸左移。每經(jīng)過半個周期，燃燒器的進(jìn)出口方向就會切換，燃燒區(qū)域也周期性地往復(fù)移動，形成穩(wěn)定的往復(fù)式多孔介質(zhì)燃燒狀態(tài)[19]。

1.3 多孔介質(zhì)燃燒的特點

燃燒速率高。多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣體燃料進(jìn)入多孔介質(zhì)后擾動非常劇烈，氣體的彌散作用增強，且多孔介質(zhì)具有良好的傳熱性能，氣體燃料燃燒產(chǎn)生的熱量可以迅速向四周傳遞，燃燒過程中的傳熱傳質(zhì)增強，燃燒得到強化，燃燒反應(yīng)加快[1,17]。

燃燒區(qū)域?qū)?，溫度分布更均勻。與傳統(tǒng)燃燒方式不同，多孔介質(zhì)燃燒不是發(fā)生在自由空間中的，而是氣體燃料在固體基質(zhì)孔隙中的燃燒，形成的火焰也不是峰面火焰[20]，孔隙中的一個個“小型火焰”，呈現(xiàn)出離散狀態(tài)，而且由于多孔介質(zhì)具有良好的傳熱性能，燃燒區(qū)域的熱量能夠快速地傳到上游去預(yù)熱新的燃料，高溫?zé)煔獾臒崃恳矔幌掠蔚亩嗫捉橘|(zhì)吸收，因而拓寬了燃燒區(qū)域，避免了傳統(tǒng)燃燒中局部溫度過高的情況，溫度分布更均勻[21]。在往復(fù)式多孔介質(zhì)燃燒中，由于氣體進(jìn)出口周期性切換，前半個周期和后半個周期內(nèi)，燃燒發(fā)生在不同的區(qū)域，并作周期性往復(fù)移動，也有利于拓寬燃燒區(qū)域，提高溫度分布的均勻性。

污染物排放低。傳統(tǒng)燃燒過程中排放的污染物主要有CO、NOx和煙黑等。在多孔介質(zhì)燃燒中，由于燃燒區(qū)域變寬，燃料停留時間變長，反應(yīng)更加完全，燃燒效率提高，CO的生成量減少；多孔介質(zhì)燃燒中溫度分布均勻，避免了傳統(tǒng)燃燒中因局部溫度過高而生成大量熱力型NOx的情況[22]。

貧燃極限低。低熱值燃料在進(jìn)入燃燒器后，經(jīng)過燃燒區(qū)域回流熱量的充分預(yù)熱，可將氣流溫度升高到著火點以上，而在燃燒過程中，燃燒區(qū)域分布范圍廣且溫度分布均勻，各部分之間傳熱效果好，有利于低熱值燃料穩(wěn)定燃燒，和不預(yù)熱的燃燒相比，大大拓展了貧燃極限[23]。在往復(fù)流多孔介質(zhì)燃燒中，燃燒器進(jìn)出口周期性切換，多孔介質(zhì)預(yù)熱區(qū)和熱量回收區(qū)就會周期性切換，更大限度地進(jìn)行熱量回收，對新的氣體燃料有了更加充分的預(yù)熱，可進(jìn)一步拓展貧燃極限。Vandadi等人[24]對三維多孔燃燒器中的輻射傳熱進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，通過多孔介質(zhì)內(nèi)部的熱循環(huán)和外部的預(yù)熱，可以有效地拓寬貧燃極限和強化燃燒的穩(wěn)定性。

2 多孔介質(zhì)燃燒中火焰?zhèn)鞑ヌ匦?/h2>

2.1 火焰?zhèn)鞑?/h3>

氣體燃料在多孔介質(zhì)燃燒器中穩(wěn)定燃燒時，火焰會以一定的速度向著上游或者下游移動，此時火焰面的移動速度是穩(wěn)定的，稱為燃燒波波速[25-26]。Babki等人[27-28]根據(jù)燃燒波的波速對多孔介質(zhì)中的燃燒模式的分類見表1。

表1多孔介質(zhì)中氣體的燃燒模式和火焰?zhèn)鞑C(jī)理[27]

燃燒模式波速/m·s-1 火焰?zhèn)鞑C(jī)理低速(Low velocities)0～10-4固體基體導(dǎo)熱,界面熱交換高速(High velocities)0.1～100均勻壓力下的熱對流音速(Sound velocities)100～300壓力梯度作用下氣體對流運動低速爆炸(Low velocity detonation)500～1 000爆震波下的自燃正常爆炸(Normal deto-nation)1 500～2 000熱量和脈沖損失下的爆炸

多孔介質(zhì)燃燒器中，氣體燃料燃燒放熱，熱量以導(dǎo)熱、對流、輻射的方式傳播到燃燒器的上下游區(qū)域，形成熱力學(xué)波，簡稱熱波[29]。研究結(jié)果表明，在一定當(dāng)量比下，多孔介質(zhì)區(qū)域中的熱波和燃燒波會出現(xiàn)疊加現(xiàn)象，燃燒波和熱波相互增強。燃燒效率高，燃燒波穩(wěn)定，燃料燃燒時放出的熱量多，熱波就會穩(wěn)定，對上游區(qū)域預(yù)混氣體的預(yù)熱效果也就越好，越有利于強化燃燒。

當(dāng)燃料燃燒所釋放的熱量低于熱量損失時，燃燒過程就會逐漸衰減，不能形成穩(wěn)定的燃燒波。多孔介質(zhì)燃燒中火焰?zhèn)鞑サ姆€(wěn)定性受速度SL、當(dāng)量孔隙平均直徑dm、混合氣體的比熱容cp、混合氣體的密度ρ、混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)k等參數(shù)的影響。對于層流火焰，判定火焰?zhèn)鞑顟B(tài)的準(zhǔn)則數(shù)為修正佩克萊數(shù)Pe

(1)

對于多孔介質(zhì)中的火焰?zhèn)鞑?，存在臨界佩克萊數(shù)Pe*=65，當(dāng)實際的Pe小于65時，火焰熄滅；當(dāng)Pe大于或等于65時，火焰?zhèn)鞑30]。

2.2 駐定燃燒

多孔介質(zhì)燃燒的理想運行工況是火焰穩(wěn)定在燃燒器內(nèi)的某一特定區(qū)域，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c氣流速度相等，即駐定燃燒[31-32]，這樣不僅可以提高燃燒器的效率，還可以減少CO和NOx的排放。目前有四種實現(xiàn)駐定燃燒的方法[33]：(1)設(shè)計一個兩層的多孔介質(zhì)燃燒器，一層的Pe數(shù)小于65，而另一層的比65稍大；(2)冷卻燃燒區(qū)的后半部分；(3)周期性轉(zhuǎn)換燃燒器的進(jìn)出口，使火焰保持在特定區(qū)域；(4)使用具有變截面面積的多孔介質(zhì)。Bubnovich等[33]通過實驗研究了火焰在雙層氧化鋁小球堆積床內(nèi)的駐定燃燒，研究結(jié)果表明在一定的當(dāng)量比和進(jìn)口氣體速度范圍內(nèi)實現(xiàn)了駐定燃燒，可以拓寬燃燒的穩(wěn)定范圍。史俊瑞等[33]對氣體燃料在兩層多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)的超絕熱燃燒和火焰的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明在兩層多孔介質(zhì)內(nèi)可實現(xiàn)超絕熱燃燒，在一定的流速下火焰穩(wěn)定在兩層多孔介質(zhì)的交界面上。

駐定燃燒中有一種特殊的情況是火焰主體穩(wěn)定在多孔介質(zhì)出口處，稱為表面燃燒[34]。Janvekar等人[35]設(shè)計了一個圓柱形的多孔介質(zhì)燃燒器來研究預(yù)熱層厚度對表面燃燒和浸沒燃燒的影響。該燃燒器分為兩層——上游的預(yù)熱區(qū)和下游的反應(yīng)區(qū)，預(yù)熱區(qū)的材料是陶瓷泡沫，厚度分別為5 mm、10 mm、15 mm，研究結(jié)果表明，在預(yù)熱層為5 mm時，存在表面燃燒。

2.3 火焰?zhèn)鞑サ牟环€(wěn)定現(xiàn)象

預(yù)混氣體多孔介質(zhì)燃燒過程中的火焰?zhèn)鞑?，存在火焰傾斜、回火、脫火、胞室和淬熄等不穩(wěn)定現(xiàn)象。

火焰傾斜主要是指在多孔介質(zhì)燃燒中火焰前沿面垂直于過濾速度初始方向的現(xiàn)象逐漸消失，并產(chǎn)生傾斜等不穩(wěn)定現(xiàn)象，如果不穩(wěn)定現(xiàn)象繼續(xù)發(fā)展，燃燒火焰前沿將出現(xiàn)衰減或破碎?；鹧婷鎯A斜是燃燒中最常見的不穩(wěn)定現(xiàn)象，火焰前沿傾斜會引起不均勻的熱分布，降低燃燒效率，縮短燃燒器的壽命，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的工業(yè)事故，燃燒器尺寸越大，發(fā)生火焰面傾斜的可能性也越大[36-37]?；鹧婷鎯A斜的缺點極大限制了多孔介質(zhì)燃燒器的應(yīng)用和發(fā)展。

多孔介質(zhì)燃燒中，隨著燃燒波的移動，燃燒也會出現(xiàn)一些特殊的情況。當(dāng)燃燒波傳播到燃燒器上游的燃料進(jìn)口時，發(fā)生回火現(xiàn)象，回火可能會導(dǎo)致氣體燃料的爆炸；當(dāng)燃燒波向燃燒器下游區(qū)域移動且穩(wěn)定在末端時，為表面燃燒；當(dāng)燃燒波繼續(xù)向下游傳播，脫離多孔介質(zhì)，發(fā)生脫火現(xiàn)象，出現(xiàn)脫火時，若氣體燃料濃度較高，能夠維持穩(wěn)定燃燒，燃燒將變成自由空間燃燒，若燃料濃度不夠，火焰熄滅[32,38]。無論是在實驗研究還是在工程應(yīng)用中，都應(yīng)該盡力避免回火和脫火的發(fā)生。

胞室，是指熱斑在燃燒器內(nèi)的分布不均勻，各熱斑連結(jié)起來組成的胞狀結(jié)構(gòu)不均勻地駐定在燃燒器內(nèi)。胞室的形成會導(dǎo)致多孔介質(zhì)局部平均溫度升高，而整體溫度逐漸降低，不利于預(yù)混氣體在多孔介質(zhì)中的穩(wěn)定燃燒[39]。

多孔介質(zhì)燃燒中，可燃?xì)怏w分子在與固體骨架的接觸中，由于碰壁效應(yīng)，部分活化分子會銷毀；同時，由于固體介質(zhì)傳熱性好，會帶走氣體攜帶的熱量，導(dǎo)致靠近固體的氣體溫度降低，這種固體對于氣體燃燒反應(yīng)的抑制作用稱為淬熄效應(yīng)[40]。

2.4 火焰?zhèn)鞑サ挠绊懸蛩?/h3>

影響多孔介質(zhì)燃燒火焰?zhèn)鞑サ囊蛩刂饕袣怏w燃料的當(dāng)量比、氣體的進(jìn)口速度、多孔介質(zhì)的材料和孔徑大小等。氣體燃料的當(dāng)量比是火焰?zhèn)鞑サ闹饕绊懸蛩兀瑫绊懟鹧娴膫鞑ニ俣群蛡鞑シ较?，?dāng)量比過大或過小都會引起火焰的不穩(wěn)定性。

浙江大學(xué)的朱茜茜[41]通過實驗研究了甲烷/空氣預(yù)混氣體在泡沫陶瓷多孔介質(zhì)燃燒器中的火焰?zhèn)鞑ヌ匦?。研究結(jié)果表明，存在合適當(dāng)量比火焰可以實現(xiàn)駐定燃燒，例如在PPI(每英寸長度上多孔介質(zhì)的小孔數(shù)目)為10的碳化硅多孔介質(zhì)燃燒器中，氣體進(jìn)口速度為0.3 m/s,當(dāng)量比為0.5左右時，火焰駐定燃燒。當(dāng)量比較大時，火焰向上游傳播，當(dāng)量比過大會引起回火現(xiàn)象；當(dāng)量比較小時，火焰向下游傳播，當(dāng)量比過小會引起脫火現(xiàn)象，而火焰的傳播速度和當(dāng)量比成反比例關(guān)系。進(jìn)口氣體速度對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸?guī)律不明顯，而材料的不同也會改變進(jìn)口氣體速度對火焰?zhèn)鞑サ挠绊懸?guī)律?？讖酱笮∈嵌嗫捉橘|(zhì)材料的一個重要參數(shù)，多孔介質(zhì)孔徑增大時，Pe數(shù)增大，火焰?zhèn)鞑ツ芰訌?，傳播速度增加；孔徑減小，火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小，到達(dá)臨界值時火焰熄滅。材料對火焰?zhèn)鞑サ挠绊懼饕憩F(xiàn)在其熱物性參數(shù)上，通過燃燒器內(nèi)多孔介質(zhì)的傳熱特性影響火焰的傳播，材料的傳熱性能越好，燃燒器內(nèi)的熱量交換越充分，火焰的傳播速度越小。

氣體燃料的當(dāng)量比、氣體進(jìn)口速度和孔徑大小對火焰?zhèn)鞑ミ^程中火焰面的傾斜程度有一定的影響。東北大學(xué)的于春梅[42]研究了甲烷/空氣預(yù)混氣體在多孔介質(zhì)燃燒中的火焰面不穩(wěn)定特性，在給定一個初始的傾斜角后，分別改變?nèi)紵械墓r參數(shù)，觀察傾斜角的變化情況。研究表明，當(dāng)量比越大，火焰傾斜程度越小；氣體進(jìn)口速度越大，火焰傾斜程度越大；孔徑越大，火焰傾斜程度越小。

3 多孔介質(zhì)燃燒的數(shù)值模擬

近年來，許多研究人員通過建立模型來分析多孔介質(zhì)燃燒過程中的傳熱傳質(zhì)過程，預(yù)測其溫度特性、火焰?zhèn)鞑ヌ匦?、污染物的排放等等，并與實驗結(jié)果進(jìn)行對比驗證，對多孔介質(zhì)燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和運行的優(yōu)化有重要的參考意義。

3.1 物理模型

多孔介質(zhì)燃燒器一般可以根據(jù)其形狀分為3種：軸流燃燒器、圓柱形燃燒器和球形燃燒器，其物理模型如圖3所示[43]。

3.2 控制方程

在數(shù)值模擬研究中，為了簡化模型和計算，需要先對模型做出一些假設(shè)，然后通過一系列的控制方程來表示燃燒過程和傳熱過程。通常假設(shè)條件有以下幾點：空氣的熱物理性質(zhì)(密度、熱導(dǎo)率和比熱)被假定為溫度和組分濃度的函數(shù)；多孔介質(zhì)燃燒器中壓降不高，可以忽略其對熱物性的影響；固相的性質(zhì)恒定；固相和氣相之間存在熱不平衡；在給定的當(dāng)量比和溫度條件下，空氣和燃料完全預(yù)混；固相吸收、發(fā)射、散射輻射，忽略氣體輻射。以上述的三種模型為例，多孔介質(zhì)燃燒過程的控制方程如下[43]：

(1)氣相的能量方程

(2)

式中φ——孔隙率;

ρ——密度;

Cp——比熱容;

T——溫度;

ν——速度;

k——導(dǎo)熱系數(shù);

hv——體積傳熱系數(shù);

ΔHc——燃燒焓;

Sfg——單位體積燃料消耗率;

下標(biāo)g——氣體;

下標(biāo)s——多孔介質(zhì)固體。

(2)固相的能量方程

(3)

Cs——固相的比熱。

(3)質(zhì)量守恒方程

(4)

式中mf——燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù);

DAB——擴(kuò)散系數(shù)。

(4)氣相邊界條件

Tg|r=rin=Tin,r=rin

(5)

(6)

式中 下標(biāo)in——進(jìn)口邊界;

下標(biāo)out——出口邊界。

(5)固相邊界條件

(7)

(8)

式中h——固相邊界上與氣體的對流換熱系數(shù);

ε——發(fā)射率。

(6)組分邊界條件

mf=mf,in,r=rin

(9)

(10)

對于球形、圓柱形和軸流燃燒器，上述控制方程中的n值分別為2、1和0。

3.3 反應(yīng)機(jī)理

多孔介質(zhì)燃燒過程中氣固相的界面十分復(fù)雜，很難做出嚴(yán)格的描述，傳熱傳質(zhì)過程也很復(fù)雜，需要通過傳熱和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的耦合來求解。所以在多孔介質(zhì)燃燒的數(shù)值模擬研究中，通常考慮用單步反應(yīng)或多步反應(yīng)機(jī)理來描述反應(yīng)過程。在一般研究中，單步反應(yīng)機(jī)理能夠滿足多孔介質(zhì)燃燒的建模問題，但要對反應(yīng)中污染物的形成有一個較為準(zhǔn)確的預(yù)測，必須加入詳細(xì)的反應(yīng)機(jī)理。

多孔介質(zhì)燃燒研究中，最常見的是對甲烷/空氣預(yù)混氣體燃燒的研究。Zhou和Pereira[44]用四種不同的反應(yīng)機(jī)理模擬了甲烷/空氣在惰性多孔介質(zhì)中的燃燒，并與實驗結(jié)果做了對比分析，比較了采用不同的反應(yīng)機(jī)理時燃燒器燃燒溫度、燃燒速度和污染物排放的差異。四種模型分別為：一步全局反應(yīng)機(jī)理(One-step global mechanism)、四步簡化反應(yīng)機(jī)理(Four-step reduced mechanism)、框架反應(yīng)機(jī)理(Skeletal mechanism)和詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理(Detailed mechanism)。研究結(jié)果表明，使用四步簡化反應(yīng)機(jī)理和詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理能比較準(zhǔn)確地模擬出燃燒器內(nèi)的溫度變化，而一步全局反應(yīng)機(jī)理會較高地預(yù)測最高燃燒溫度和反應(yīng)速度；使用四步簡化反應(yīng)機(jī)理、框架反應(yīng)機(jī)理和詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理都能較為準(zhǔn)確地預(yù)測出CO的排放；預(yù)測NO的排放時，四步簡化反應(yīng)機(jī)理、框架反應(yīng)機(jī)理和詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性都不太令人滿意；火焰?zhèn)鞑ニ俣确矫妫牟胶喕磻?yīng)機(jī)理、框架反應(yīng)機(jī)理和詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理的模擬結(jié)果相近，而一步全局反應(yīng)機(jī)理模擬出的火焰?zhèn)鞑ニ俣容^高。所以，對于側(cè)重點不同的研究內(nèi)容，需選取合適的反應(yīng)機(jī)理，并要與實驗結(jié)果進(jìn)行對比驗證，才能得出合理的結(jié)論。

3.4 數(shù)值模擬的求解方法

建立流體力學(xué)模型時，因為多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，精確地描述多孔介質(zhì)中孔隙的幾何形狀和流體在其中的物理化學(xué)現(xiàn)象十分困難，在研究時大多使用“體積平均”假設(shè)?！绑w積平均”是將微觀孔隙尺度的研究轉(zhuǎn)移到宏觀尺度上，將多孔介質(zhì)假想為大尺度上均勻分布的連續(xù)體，宏觀表現(xiàn)為流體的黏滯形式。這樣對于參數(shù)的選取就可以選擇合適的平均參數(shù)，簡化了整個過程的研究。ANSYS FLUENT是研究流動的一個比較常用的軟件。在ANSYS FLUENT中，用控制體積法去離散控制方程，進(jìn)行迭代求解。對于非均勻結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中的控制方程，要使用不同的網(wǎng)格大小測試網(wǎng)格獨立性。對于瞬態(tài)流場的求解，常用SIMPLE算法來處理，比如壓力-速度的耦合過程?，F(xiàn)在許多研究人員用C語言編程來建立用戶自定義函數(shù)(UDF)和用戶定義的標(biāo)量(UDS)，去動態(tài)地鏈接到求解器來進(jìn)行求解。

模型計算中的燃燒模型，常用Chemkin軟件去求解。研究人員需要先建立出燃燒模型，列出控制方程，編制相關(guān)的程序，然后建立燃燒過程中的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。將化學(xué)機(jī)理和熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，Chemkin的解釋器會對化學(xué)機(jī)理進(jìn)行處理，建立文件，代入到Chemkin的子程序庫中進(jìn)行對控制方程和化學(xué)反應(yīng)的計算分析。

3.5 非常規(guī)數(shù)值模擬方法

格子玻爾茲曼方法(LBM)是一種不同于傳統(tǒng)數(shù)值模擬方法的流體計算和建模方法，具有介于微觀分子動力學(xué)模型和宏觀連續(xù)模型的介觀模型特點。與其他傳統(tǒng)CFD計算方法相比，它具有以下優(yōu)點：(1)流體相互作用描述簡單；(2)易于設(shè)置復(fù)雜邊界；(3)編程容易，計算處理簡單；(4)并行性高；(5)可以直接模擬有復(fù)雜幾何邊界的通域流場，無須作計算網(wǎng)格的轉(zhuǎn)換。Yamamoto等[45]就采用格子玻爾茲曼方法進(jìn)行了多孔介質(zhì)燃燒的數(shù)值模擬研究。

4 多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)的應(yīng)用

4.1 揮發(fā)性有機(jī)物廢氣處理

揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)廣泛存在于工業(yè)廢氣中。大多數(shù)揮發(fā)性有機(jī)化合物會嚴(yán)重污染環(huán)境，危害人們的健康。基于多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)或蓄熱式熱氧化技術(shù)，用多孔介質(zhì)材料作為蓄熱床，可對低濃度有機(jī)廢氣進(jìn)行高度預(yù)熱，并極限回收揮發(fā)性有機(jī)物氧化放出的熱量，維持反應(yīng)系統(tǒng)的能量自平衡，減少輔助燃料的消耗，能耗水平低，揮發(fā)性有機(jī)物去除率高，安全可靠， CO和NOx等二次污染物的排放量也很低[46]。

4.2 多孔介質(zhì)發(fā)動機(jī)

多孔介質(zhì)燃燒效率高、傳熱效率高，反應(yīng)區(qū)溫度分布均勻，燃燒穩(wěn)定、易于控制，污染物排放低，不僅可以燃燒氣體燃料，還能燃燒液體燃料，可以應(yīng)用在發(fā)動機(jī)上。1990年，美國人Ferrenberg提出了多孔介質(zhì)發(fā)動機(jī)的概念，日本歧阜大學(xué)的Hanamura等人在1995年就提出了超絕熱發(fā)動機(jī)的概念，并嘗試制造了一臺樣機(jī)；解茂昭分析了多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)方面的應(yīng)用，并證實了其可行性[47]。

4.3 低熱值燃料的燃燒

多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)具有燃燒速度快、傳熱速率高、溫度分布均勻，與傳統(tǒng)燃燒方式相比，大大地拓寬了貧燃極限，特別適合低熱值燃料的燃燒[37]。以煤礦乏風(fēng)為例，由于其排風(fēng)量大、瓦斯?jié)舛鹊偷忍攸c，很難通過傳統(tǒng)的燃燒方式來處理，過去一般都是直接排向大氣，不僅污染環(huán)境而且浪費資源，而現(xiàn)在已有采用多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)進(jìn)行乏風(fēng)氧化，并利用其熱量進(jìn)行發(fā)電的成功案例[48]。

4.4 燃?xì)廨啓C(jī)

Ellzey等人[49]提出了多孔燃燒器在燃?xì)廨啓C(jī)上的應(yīng)用。多孔介質(zhì)燃燒具有稀薄燃燒、火焰溫度高、溫度分布均勻、污染物排放低等特性，對燃燒器本身也沒有冷卻的要求，在燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用方面很有研究價值。

5 總結(jié)與展望

預(yù)混氣體多孔介質(zhì)燃燒具有燃燒速度快、燃燒效率高、溫度分布均勻、貧燃極限寬、能耗水平和污染物排放低等優(yōu)點，是一種節(jié)能環(huán)保的新型燃燒技術(shù)，在氣體燃料高效低污染燃燒、礦井乏風(fēng)和有機(jī)廢氣氧化等諸多領(lǐng)域，都有良好的應(yīng)用前景。

國內(nèi)外學(xué)者開展了大量關(guān)于預(yù)混氣體多孔介質(zhì)燃燒的研究工作，在火焰?zhèn)鞑ヌ匦浴⒒鹧娼Y(jié)構(gòu)特性、火焰不穩(wěn)定現(xiàn)象、熱波運動規(guī)律、污染物排放特性、多孔介質(zhì)燃燒器及燃燒系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用等方面，取得了豐富的研究成果，尚有一些問題有待進(jìn)一步研究：

(1)低濃度揮發(fā)性有機(jī)物廢氣的多孔介質(zhì)燃燒及污染物排放特性?，F(xiàn)有多孔介質(zhì)燃燒的研究中，大多是針對甲烷與空氣的預(yù)混氣體。多孔介質(zhì)燃燒在揮發(fā)性有機(jī)物廢氣處理中具有巨大的應(yīng)用潛力，盡管已有一些工程應(yīng)用，但目前國內(nèi)關(guān)于這方面的基礎(chǔ)研究還比較缺乏。

(2)新型多孔介質(zhì)材料的開發(fā)。多孔介質(zhì)燃燒器的性能，與多孔介質(zhì)的材料和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。通過開發(fā)各種新材料和新結(jié)構(gòu)，提升多孔介質(zhì)燃燒的經(jīng)濟(jì)性、靈活性、環(huán)境友好性和可靠性，對于該技術(shù)的推廣應(yīng)用也有積極作用。

(3)負(fù)荷調(diào)節(jié)過程中多孔介質(zhì)燃燒的動態(tài)特性研究。在多孔介質(zhì)燃燒的實際過程中，都會涉及負(fù)荷調(diào)節(jié)，引起多孔介質(zhì)燃燒器進(jìn)口氣體流量、可燃?xì)怏w濃度等參數(shù)的變化。在一定的多孔介質(zhì)初始溫度分布下，進(jìn)口參數(shù)的改變，必然會誘發(fā)一個動態(tài)變化過程，直至達(dá)到新的平衡狀態(tài)。由于多孔介質(zhì)的蓄熱作用，多孔介質(zhì)燃燒器會具有較大的熱慣性，對其動態(tài)特性進(jìn)行研究，是制定多孔介質(zhì)燃燒系統(tǒng)控制策略、保證系統(tǒng)安全可靠運行的重要基礎(chǔ)。