高压液雾在大孔隙随机多孔介质内预蒸发过滤燃烧机理的研究

Filtration combustion of liquid fuel, as a new type of combustion mode, has become an important technology to development of advanced combustion system. In this project, microscopic mechanism and macroscopic properties of liquid pre-evaporation and filtration combustion are put forward by methods of experiment testing, theoretical analysis and numerical simulation. Three-dimensional numerical models of random porous structure and its body thermal parameters dimensionless correlations are established to study the characterization properties of porous media. Atomization and pre-evaporation models considered the interaction of gas, liquid and solid are explored using pore scale model, which detailedly describe various actions of droplets in the pore such as broken,evaporation and ignition process.The interaction between the standing flame and porous medium and the macro flame characteristics are studied to determine conditions of flame ignition and flameout, besides a calculation method of the thermal radiation in porous media is established. Mechanism of transformation between the evaporation and combustion process is set up by coupling of the formation mechanism of micro flame and filtration combustion characteristic of macro burner. Base on the visualization and variable condition experiment in the actual combustion device, the height and structure of the flame are investigated, and the combustible limit of liquid fuel is predicted.This project is intended to form a relatively complete mechanism of the pre-evaporation and filtration combustion, and will provide theoretical basis and scientific guidance for research and development of more clean and efficient combustion technology.

液体燃料过滤燃烧作为一种新型燃烧方式，已成为开发先进燃烧系统的一项重要技术。本项目通过实验测试、理论分析和数值模拟三大手段，从介尺度与宏尺度两个层面，深入探索液体预蒸发过滤燃烧的微观机理和宏观特性；研究多孔介质的表征特性，建立其三维随机结构数学模型及体热物性参数无量纲关联式；研究介尺度下液滴在孔隙内的雾化蒸发与着火过程，建立气、液与固三者相互作用等模型，探明微观火焰的形成机理；研究宏尺度下多孔介质结构与火焰的相互作用及火焰的宏观特性，确定火焰点火和熄火条件，建立高温多孔介质内的热辐射计算方法；实现介尺度模拟与宏尺度模拟的融合；通过在实际液体过滤燃烧装置上的可视化与变工况实验，研究火焰高度、结构及其影响因素，确定液体燃料在多孔介质内的可燃极限。建立相对完整的液体预蒸发过滤燃烧数学模型，为发展更加清洁高效的燃烧技术提供强有力的理论和技术支撑。

本项目通过实验测试、理论分析和数值模拟，从介观尺度与宏观尺度两个层面探索高压喷雾在多孔介质内预蒸发过滤燃烧机理。建立了多孔介质随机结构模型，并从多个角度验证模型有效性。在介观尺度下，应用大涡方法对孔隙内湍流流动与传热特性进行了深入研究，分析了各参数对传热特性的影响；结合幂律火焰褶皱模型模拟了预混过滤燃烧过程，讨论了多孔介质内湍流与火焰间相互作用；模拟了液滴在多孔介质内的碰壁蒸发过程，采用LES和RANS模型研究液滴直径和蒸发速率变化规律，分析局部涡量场与换热对液滴蒸发的影响，为多孔介质内的燃油蒸发燃烧提供了初始条件。在宏观尺度下，模拟了堆积床内预混合燃烧过程，讨论了燃烧火焰结构与温度分布，为多孔介质过滤燃烧数值模拟奠定基础；建立了二维随机堆积床内柴油的蒸发、混合模型，并引入燃烧与湍流模型模拟了预蒸发燃油蒸汽的燃烧过程，研究了正庚烷喷雾预蒸发燃烧的温度特性和蒸发特性。在实验研究方面，设计并搭建了电预热式多孔介质内液体预蒸发燃烧实验系统，实现了可控预热条件下的燃油喷雾预蒸发燃烧火焰的稳定传播，分析了预热温度场稳定性，测试了预蒸发燃烧的火焰特性与温度场变化规律，结果表明液体预蒸发燃烧火焰与预混燃烧火焰相似，同样能够在多孔介质内稳定传播。本项目构建的随机堆积型多孔介质模型可用于构架地下油层的沙石模型，液体预蒸发过滤燃烧模型为多孔介质燃烧器的开发提供了理论指导，有关液体喷雾预蒸发过滤燃烧的新知识丰富了多孔介质燃烧理论，预蒸发过滤燃烧实验系统的研制为液体燃料的远距离加热提供了技术支撑，项目基本完成预期研究工作。