移動火焰锋面(MFF)模型的理论对比与实验验证.docVIP

编号：084129 移动火焰锋面(MFF)模型的理论与实验* 张健 章明川 于娟 齐永锋 林郁郁 （上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240） 本文根据碳粒非均相着火，有无温度跃变现象，来判断CO的均相着火，阐述了MFF模型颗粒边界层CO着火假设的理论意义。通过实验与理论对比，证明了小于100μm的碳粒有可能发生CO着火。MFF模型预报与连续膜模型，以及实验点都有好的符合。利用MFF模型推导出三种极限情况的燃烧模式，揭示了MFF模型与连续膜模型的理论关联。从理论与实验对比中，进一步的验证了MFF模型。移动火焰锋面模型，颗粒边界层CO着火，连续膜模型：TK16；TQ524 ：A experimental validation OF the Moving Flame Front (MFF) model ZHANG Jian ZHANG Ming-Chuan YU Juan QI Yong-Feng LIN Yu-Yu (School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong Univ., Shanghai 200240, China) Abstract Heterogeneous ignition of carbon particle comes with particle temperature increasing sharply, which is used to judge CO ignition in particle boundary layer. The judgment’s significance in the Moving Flame Front (MFF) model is expounded in this article. It’s possible CO ignition happens to small carbon particle (less than 100μm), analyzing experiments and theories. And the prediction by MFF model agrees well with those by the continuous-film model and experimental data. Three limiting combustion modes are deducted by MFF, which shows the relationship between MFF and Continuous-film model. All above validates MFF model right. Key words Moving Flame Front (MFF) model, CO ignition in particle boundary layer, continuous-film model. 1 引言 碳粒燃烧过程是一个高度非线性、涉及热质耦合处理的物理化学过程。能够真实描述碳粒燃烧行为的连续膜模型[1]，由于其计算的复杂性，不可能在煤粉燃烧的反应动力学实验研究和煤粉火焰数学模型研究领域内，成为真正的实用模型。另一方面，被广泛使用的单膜模型在一定程度上忽略了燃烧的真实行为，理论过于简化。文献[2，3]等提出并改进了一种简化的连续膜模拟方法：移动火焰锋面（MFF）模型；其碳粒燃烧反应速率、碳粒表面温度等以显式描述给出，计算工作量被大幅度减少。模型预报与严格连续膜模型符合较好，是单膜模型所不及的。 MFF模型曾假设指出，碳粒边界层中的CO燃烧只有两种极限情况：碳粒非均相着火前，CO燃烧可以忽略；碳粒着火后，气相反应的反应速率无穷快，以无限薄火焰锋面的形式出现[2]。在过去研究中，尚未直接给出的判定CO着火的方法。 文献[4]提出了燃烧的碳粒边界层中CO火焰着火与熄火的显式判断准则，由颗粒表面温度、氧浓度与速度梯度等物理量来确定。文献[5]使用该准则，通过计算CO着火的临界碳粒尺寸，得到如下结论：对于粒径小于100um的小碳粒，不存在CO的燃烧反应，即燃烧处于冻结流模式。然而，文献[6]中，实验的验证了77um碳粒的着火现象，并与连续膜MFF理论预报一致，进而证明了CO火焰的存在。 2.颗粒边界层中CO着火的临界状态 在煤粉真实燃烧的状况下，激发碳粒边界层中CO均相着火的因素主要有两个：一是挥发分火焰，二是碳粒非均相着火的作用。本文主要研究后者，碳粒非均相着火时，颗粒表面温度出现跃变现象，颗粒表面瞬间聚集的热量起到引燃了CO的作用，即“碳粒表面氧化激发CO着火”[7]。可根据碳粒非均相着