CN103017167A - 多孔介质燃烧器的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多孔介质燃烧器的制造方法，包括：建立在多孔介质燃烧器内部的预混燃烧离散控制方程；采用控制容积能量平衡法建立在多孔介质燃烧器边界节点上的预混燃烧离散控制方程；对多孔介质燃烧器在各个候选设计参数下的预混燃烧进行数值模拟；按照预设的筛选条件对所述各个候选设计参数进行筛选；按照筛选出的设计参数制造多孔介质燃烧器。本发明采用了控制容积能量平衡法建立在多孔介质燃烧器边界节点上的预混燃烧离散控制方程，保证了数学模型的可靠性和稳定性，具有更高的数值计算精度。根据本发明建立的模型进行模拟计算得到的结果，可有效地筛选多孔介质燃烧器各个候选设计参数，从而制造出具有优良燃烧性能的多孔介质燃烧器。

Description

多孔介质燃烧器的制造方法

技术领域

本发明涉及多孔介质材料技术领域，尤其涉及一种多孔介质燃烧器的制造方法。

背景技术

在设计和制造多孔介质燃烧器时，需要找到能使燃烧器达到最佳性能的设计参数。为达到此目的，工业实践中常常在制造多孔介质燃烧器之前，先进行大量的数值模拟。通过数值模拟来筛选设计参数的方法可以很好地节省试验成本，缩短设计周期，提高制造效率。为顺利进行多孔介质燃烧器的数值模拟，需要建立多孔介质燃烧器的预混燃烧离散控制方程。目前，一般做法是采用虚拟点法建立边界节点上的离散控制方程。这种做法数值计算的精度只有一阶，降低了数值模拟的精度，进而影响了制造出来的多孔介质燃烧器的燃烧性能。并且，采用这种做法进行数值模拟时，求解过程经常不能达到稳定收敛。因此，寻找一种更优的多孔介质燃烧器数值模拟方法，进而利用该方法设计和制造多孔介质燃烧器，成为一个迫切需要解决的问题。

发明内容

基于此，本发明提供了一种多孔介质燃烧器的制造方法。

一种多孔介质燃烧器的制造方法，包括以下步骤：

建立在多孔介质燃烧器内部的预混燃烧离散控制方程；

采用控制容积能量平衡法建立在多孔介质燃烧器边界节点上的预混燃烧离散控制方程；

根据建立的在多孔介质燃烧器内部和边界节点上的所述离散控制方程，对多孔介质燃烧器在各个候选设计参数下的预混燃烧进行数值模拟；

根据所述数值模拟结果，按照预设的筛选条件对所述各个候选设计参数进行筛选；

按照筛选出的设计参数制造多孔介质燃烧器。

与一般技术相比，本发明多孔介质燃烧器的制造方法，采用了控制容积能量平衡法建立在多孔介质燃烧器边界节点上的预混燃烧离散控制方程，保证了数学模型的可靠性和稳定性，具有更高的数值计算精度。根据本发明建立的模型进行模拟计算得到的结果，可有效地筛选多孔介质燃烧器各个候选设计参数，从而制造出具有优良燃烧性能的多孔介质燃烧器。

附图说明

图1是本发明多孔介质燃烧器的制造方法的流程示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及取得的效果，下面结合附图及较佳实施例，对本发明的技术方案，进行清楚和完整的描述。

请参阅图1，为本发明多孔介质燃烧器的制造方法的流程示意图。本发明多孔介质燃烧器的制造方法，包括以下步骤：

S101建立在多孔介质燃烧器内部的预混燃烧离散控制方程；

作为其中一个实施例，建立的所述离散控制方程的对流项采用一阶迎风差分格式，扩散项采用中心差分格式。

在计算流体力学和计算传热学的有限差分中，关于对流-扩散项差分格式的研究一直很活跃，独立或混合使用的各种格式多达几十种。按照对流-扩散项是统一考虑还是分开考虑的观点，差分格式可以分为两大类：即统一考虑的一类，如乘方格式、局部分析解格式等；另一类则专门注重对流项的差分格式，而扩散项一般采用中心差分格式，如迎风差分、QUICK格式等。SIMPLE算法对控制方程的离散化是通过控制容积积分法（也称有限容积法）来进行的，这样，SIMPLE算法对区域离散化具有自己的特点。为建立节点的离散方程，对泡沫陶瓷内的一维燃烧问题，区域离散采用外节点法。

考察第P个节点，它与相邻各点之间的关系可以表达为：

a_PΦ_P＝a_WΦ_W+a_EΦ_E+b

在利用有限体积积分法推导控制方程的离散方程时，扩散项常常采用中心差分格式进行离散。中心差分格式就是界面上的物理量采用线性插值公式来计算。对于一给定的均匀网格，可写出如下的利用中心差分格式所得出的离散形式：

${\mathrm{\Φ}}_e=\frac{{\mathrm{\Φ}}_P+{\mathrm{\Φ}}_E}{2}$

${\mathrm{\Φ}}_w=\frac{{\mathrm{\Φ}}_p+{\mathrm{\Φ}}_w}{2}$

在对流项的离散中，一阶迎风差分格式考虑了流动方向的影响，其表达式如下：

Φ_w＝Φ_W

Φ_e＝Φ_P

因为其系数永远大于零，因而在任何条件下都不会引起解的震荡，永远都可得到物理上看起来合理的解，同时在迎风方向上获取比背风方向上更多的信息，反映对流过程的本质。最近20年中发展起来的对流项离散格式，如二阶迎风、三阶迎风以及QUICK格式都吸取了这一思想。但是由于一阶迎风的截差较低，除非使用相当细密的网格，否则计算的误差较大。

基于以上原因，控制方程的对流项采用一阶迎风差分格式，对扩散项采用中心差分格式。

作为其中一个实施例，采用有限容积法建立所述离散控制方程。

S102采用控制容积能量平衡法建立在多孔介质燃烧器边界节点上的预混燃烧离散控制方程；

根据控制微分方程得到的离散方程适用于内部节点，对于特定的问题进行数值计算，还应把其边界条件的表达式也写成适合数值计算的形式。针对描述泡沫陶瓷内燃烧的气相能量方程和组分方程来说，其边界条件只有第一类边界条件、第二类边界条件，这一点和绝热层流燃烧火焰相同。第一类边界条件规定了边界上的温度，这种情况下内节点的代数方程组已封闭，不必再对边界条件特殊处理，如对于进口的温度和组分边界条件，可以直接得出：

Φ₁＝Φ₀

其中Φ₁表示进口边界上的节点，Φ₀表示物理量的初始值。燃烧问题的温度和组分在出口的边界条件为第二类边界条件，形如dΦ/dx＝0的形式。

此时，边界节点的温度和组分都是未知量，温度和组分的代数方程组是不封闭的，无法求解。为使内部节点的温度和组分的代数方程得以封闭，有两类方法可以采用，即补充边界节点的代数方程法和附加源项法。由于内节点采用中心差分，则截差为二阶。在做物理问题的数值求解时，一般希望内节点与边界节点离散方程截差等级保持一致，如果不一致，会影响计算结果的准确性。为了得出上面第二类边界条件的二阶截差的边界离散方程，对于区域离散的外节点法，有两种方法，即虚拟点法和控制容积能量平衡法，下面就采用控制容积能量平衡法得出出口边界上气相能量方程和组分方程的代数方程，比虚拟点法意义更明确。

作为其中一个实施例，所述离散控制方程包括在出口边界上的气相能量离散方程。

气相能量方程出口边界条件的离散：

对于气体的出口边界M节点的控制容积，能量项包括流进、流出控制容积的能量、M-1节点向M节点的导热、控制容积内气体与固体表面的对流换热和化学反应产生的热量，则能量平衡式为：

$\stackrel{\·}{m}{c}_p\frac{{\left(T_g\right)}_M+{\left(T_g\right)}_{M-1}}{2}+{\left(\mathrm{\ϵ}{\mathrm{\λ}}_g\right)}_{M-\frac{1}{2}}\frac{{\left(T_g\right)}_{M-1}-{\left(T_g\right)}_M}{\mathrm{\δx}}+\frac{\mathrm{\Δx}}{2}{\mathrm{hS}}_V[{\left(T_s\right)}_M-{\left(T_g\right)}_M]+{\left(\frac{\mathrm{\Δx}}{2}{\mathrm{\ω}}_{{\mathrm{CH}}_4}{Q}_{\mathrm{CH}4}^0\right)}_M=\stackrel{\·}{m}{c}_p{\left(T_g\right)}_M$

上式各项同除以c_p得：

$\stackrel{\·}{m}\frac{{\left(T_g\right)}_M+{\left(T_g\right)}_{M-1}}{2}+{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ\λ}}_g}{c_p}\right)}_{M-\frac{1}{2}}\frac{{\left(T_g\right)}_{M-1}-{\left(T_g\right)}_M}{\mathrm{\δx}}+\frac{\mathrm{\Δx}}{2}\frac{{\mathrm{hS}}_V}{c_p}[{\left(T_s\right)}_M-{\left(T_g\right)}_M]+{(\frac{\mathrm{\Δx}}{{2c}_p}-{\mathrm{\ω}}_{C{H}_4}{Q}_{{\mathrm{CH}}_4}^0)}_M=\stackrel{\·}{m}{\left(T_g\right)}_M$

整理可得出口边界节点的离散方程：

$(\frac{\stackrel{\·}{m}}{2}+\frac{1}{\mathrm{\δx}}{\left(\frac{\mathrm{\ϵ}{\mathrm{\λ}}_g}{c_p}\right)}_{M-\frac{1}{2}}+\frac{\mathrm{\Δx}}{2}\frac{{\mathrm{hS}}_V}{c_p}){\left(T_g\right)}_M=[\frac{\stackrel{\·}{m}}{2}+\frac{1}{\mathrm{\δx}}{\left(\frac{\mathrm{\ϵ}{\mathrm{\λ}}_g}{c_p}\right)}_{M-\frac{1}{2}}]{\left(T_g\right)}_{M-1}+\frac{\mathrm{\Δx}}{2}\frac{{\mathrm{hS}}_V}{c_p}{\left(T_s\right)}_M+{\left(\frac{\mathrm{\Δx}}{{2c}_p}{\mathrm{\ω}}_{{\mathrm{CH}}_4}{Q}_{{\mathrm{CH}}_4}^0\right)}_M$

作为其中一个实施例，所述离散控制方程包括在出口边界上的组分离散方程。

组分方程出口边界条件的离散：

对于出口边界的M控制容积，质量平衡包括对流进出的质量、化学反应产生的质量、相邻的M-1控制容积扩散进入的质量。出口边界节点的离散方程可由组分方程式在M控制容积直接积分得。过程如下：

$\stackrel{\·}{m}[{\left(Y_k\right)}_M-{\left(Y_k\right)}_{M-\frac{1}{2}}]={\left(\frac{{\mathrm{\ϵ\λ}}_g}{c_p}\right)}_{M-\frac{1}{2}}\frac{[{\left(Y_k\right)}_{M-1}-{\left(Y_k\right)}_M]}{\mathrm{\δx}}+{\left(\frac{\mathrm{\Δx}}{2}{\mathrm{\ϵ\ω}}_k\right)}_M$

$\frac{\stackrel{\·}{m}}{2}[{\left(Y_k\right)}_M-{\left(Y_k\right)}_{M-1}]={\left(\frac{\mathrm{\ϵ}{\mathrm{\λ}}_g}{c_p}\right)}_{M-\frac{1}{2}}\frac{1}{\mathrm{\δx}}[{\left(Y_k\right)}_{M-1}-{\left(Y_k\right)}_M]+{\left(\frac{\mathrm{\Δx}}{2}{\mathrm{\ϵ\ω}}_k\right)}_M$

整理得组分方程的出口边界的离散形式：

$[\frac{\stackrel{\·}{m}}{2}+\frac{1}{\mathrm{\δx}}{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ\λ}}_g}{c_p}\right)}_{M-\frac{1}{2}}]{\left(Y_k\right)}_M=[\frac{\stackrel{\·}{m}}{2}+\frac{1}{\mathrm{\δx}}{\left(\frac{\mathrm{\ϵ}{\mathrm{\λ}}_g}{c_p}\right)}_{M-\frac{1}{2}}]{\left(Y_k\right)}_{M-1}+{\left(\frac{\mathrm{\Δx}}{2}\mathrm{\ϵ}{\mathrm{\ω}}_k\right)}_M$

作为其中一个实施例，所述离散控制方程包括在出口边界和进口边界上的固相能量离散方程。

固相能量方程的出口边界的离散方程：

多孔介质如泡沫陶瓷内的燃烧数学模型和其它燃烧问题最大的不同之处在于在化学反应流中有固体基质，其和反应流之间有以对流换热的方式进行的能量交换，并且该对流换热又和固体表面换热不同，是在固体内部进行的。在研究泡沫陶瓷内的燃烧问题时，很多文献在处理泡沫陶瓷边界条件时，往往把它和一般的固体一样处理，即认为辐射和对流换热是在泡沫陶瓷表面上进行的，内部只有导热，显然不符合实际。拟根据泡沫陶瓷内部换热的特性，用能量平衡法，建立边界节点的离散方程。

出口边界控制容积的能量交换有：

通过左边相邻的控制容积进来的导热热流：

$q_c={\left[(1-\mathrm{\ϵ}){\mathrm{\λ}}_s\right]}_{M-\frac{1}{2}}\frac{{\left(T_s\right)}_{M-1}-{\left(T_s\right)}_M}{\mathrm{\δx}}$

通过控制容积左边界进来的辐射热流q_r1，相当于M-1/2处的净辐射热流量。控制容积内固体和气体对流换热的热流，相当于内热源：

$q_s=\frac{\mathrm{\Δx}}{2}{\mathrm{hS}}_V[{\left(T_g\right)}_M-{\left(T_s\right)}_M]$

通过控制容积右边界辐射出去的热流q_r2，相当于M处的辐射热流量。由于在右边界上，气体的温度和固体的温度相差不大，且和辐射换热相比很小，对流换热热流q_B可以忽略。

根据以上各项建立出口边界节点M的控制容积热平衡得：

q_c+q_r1+q_B+q_s＝q_r2

即：

${\left[(1-\mathrm{\ϵ}){\mathrm{\λ}}_s\right]}_{M-\frac{1}{2}}\frac{{\left(T_s\right)}_{M-1}-{\left(T_s\right)}_M}{\mathrm{\δx}}+\frac{\mathrm{\Δx}}{2}{\mathrm{hS}}_V[{\left(T_g\right)}_M-{\left(T_s\right)}_M]=q_{r2}-q_{r1}$

整理得出口边界节点的离散方程为：

$\{{\left[\frac{(1-\mathrm{\ϵ}){\mathrm{\λ}}_s}{\mathrm{\δx}}\right]}_{M-\frac{1}{2}}+\frac{\mathrm{\Δx}}{2}{\mathrm{hS}}_V\}{\left(T_s\right)}_M=\frac{(1-\mathrm{\ϵ}){\mathrm{\λ}}_s}{\mathrm{\δx}}{\left(T_s\right)}_{M-1}+\frac{\mathrm{\Δx}}{2}h{S}_V{\left(T_g\right)}_M-q_{r2}+q_{r1}$

进口边界控制容积的能量交换有：

在控制容积左边界，气体的温度和固体的温度相差不大，通过左边界进来的对流热流可以忽略。

由于固体温度和环境温度相差很小，通过控制容积的左边界的净辐射热流很小，可以忽略。

控制容积内固体和气体对流换热的热流相当于内热源，即

$q_s=\frac{\mathrm{\Δx}}{2}{\mathrm{hS}}_V[{\left(T_g\right)}_1-{\left(T_s\right)}_1]$

在控制容积的右边界上，以导热方式出去的热流为

$q_c={\left[(1-\mathrm{\ϵ}){\mathrm{\λ}}_s\right]}_{1+\frac{1}{2}}\frac{{\left(T_s\right)}_1-{\left(T_s\right)}_2}{\mathrm{\δx}}$

建立能量平衡得：

${\left[(1-\mathrm{\ϵ}){\mathrm{\λ}}_s\right]}_{1+\frac{1}{2}}\frac{{\left(T_s\right)}_2-{\left(T_s\right)}_1}{\mathrm{\δx}}+\frac{\mathrm{\Δx}}{2}{\mathrm{hS}}_V[{\left(T_g\right)}_1-{\left(T_s\right)}_1]=0$

整理可得进口边界节点的离散方程：

$\{{[\frac{(1-\mathrm{\ϵ}){\mathrm{\λ}}_s}{\mathrm{\δx}}]}_{1+\frac{1}{2}}+\frac{\mathrm{\Δx}}{2}{\mathrm{hS}}_V\}{\left(T_s\right)}_1={\left[\frac{(1-\mathrm{\ϵ}){\mathrm{\λ}}_s}{\mathrm{\δx}}\right]}_{1+\frac{1}{2}}{\left(T_s\right)}_2+\frac{\mathrm{\Δx}}{2}{\mathrm{hS}}_V{\left(T_g\right)}_1$

S103根据建立的在多孔介质燃烧器内部和边界节点上的所述离散控制方程，对多孔介质燃烧器在各个候选设计参数下的预混燃烧进行数值模拟；

在建立了多孔介质燃烧器内部和边界节点上的所述离散控制方程之后，便可对多孔介质燃烧器在各个候选设计参数下的预混燃烧进行数值模拟。

所述各个候选设计参数可以是在设计过程中人工设定的，也可以通过给定初始值的方式，然后不断通过数值模拟来调整设计参数，以达到逐渐逼近最佳设计参数。

数值模拟的方式可按照目前在使用的一般做法进行。

S104根据所述数值模拟结果，按照预设的筛选条件对所述各个候选设计参数进行筛选；

根据所述数值模拟结果，可按照预设的筛选条件对所述各个候选设计参数进行筛选。

预设的筛选条件可以通过期望多孔介质燃烧器能够达到的性能指标来设定。设定完筛选条件之后，可根据数值模拟的结果，从候选设计参数中筛选出一组或者多组设计参数。

S105按照筛选出的设计参数制造多孔介质燃烧器。

作为其中一个实施例，可根据筛选出的设计参数来制造多孔介质燃烧器。

与一般技术相比，本发明多孔介质燃烧器的制造方法，采用了控制容积能量平衡法建立在多孔介质燃烧器边界节点上的预混燃烧离散控制方程，保证了数学模型的可靠性和稳定性，具有更高的数值计算精度。根据本发明建立的模型进行模拟计算得到的结果，可有效地筛选多孔介质燃烧器各个候选设计参数，从而制造出具有优良燃烧性能的多孔介质燃烧器。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种多孔介质燃烧器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立在多孔介质燃烧器内部的预混燃烧离散控制方程；

采用控制容积能量平衡法建立在多孔介质燃烧器边界节点上的预混燃烧离散控制方程；

根据建立的在多孔介质燃烧器内部和边界节点上的所述离散控制方程，对多孔介质燃烧器在各个候选设计参数下的预混燃烧进行数值模拟；

根据所述数值模拟结果，按照预设的筛选条件对所述各个候选设计参数进行筛选；

按照筛选出的设计参数制造多孔介质燃烧器。

2.根据权利要求1所述的多孔介质燃烧器的制造方法，其特征在于，在所述建立在多孔介质燃烧器内部的预混燃烧离散控制方程的步骤中，建立的所述离散控制方程的对流项采用一阶迎风差分格式，扩散项采用中心差分格式。

3.根据权利要求1所述的多孔介质燃烧器的制造方法，其特征在于，在所述建立在多孔介质燃烧器内部的预混燃烧离散控制方程的步骤中，采用有限容积法建立所述离散控制方程。

4.根据权利要求1所述的多孔介质燃烧器的制造方法，其特征在于，在所述采用控制容积能量平衡法建立在多孔介质燃烧器边界节点上的预混燃烧离散控制方程的步骤中，所述离散控制方程包括在出口边界上的气相能量离散方程。

5.根据权利要求1所述的多孔介质燃烧器的制造方法，其特征在于，在所述采用控制容积能量平衡法建立在多孔介质燃烧器边界节点上的预混燃烧离散控制方程的步骤中，所述离散控制方程包括在出口边界上的组分离散方程。

6.根据权利要求1所述的多孔介质燃烧器的制造方法，其特征在于，在所述采用控制容积能量平衡法建立在多孔介质燃烧器边界节点上的预混燃烧离散控制方程的步骤中，所述离散控制方程包括在出口边界和进口边界上的固相能量离散方程。

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