第10期 代华明等：水汽对多孔介质中低浓度瓦斯燃烧特性的影响 1377· 响，，=A,TB,e-B,/RT表示反应r的前向速率常 r(ir-v) 数，A,是指前因子，B,是温度指数，E,是反应活 i=1 R是通用气体常数，血，=表示反应 式中，N是反应r的化学物质数目，C.,是反应 逆向反应常数，K,是反应r的平衡常数，，表示 r中每种反应物或生成物j的摩尔浓度，，是反 反应r中反应物i的化学计量系数，：，表示反应 应？中每种反应物或生成物j的正向反应速度指 T中生成物i的化学计量系数.水汽在燃烧反应过 数，，是反应r中每种反应物或生成物j的逆向 程中各特性参数如表2所示. 反应化学计量数，T代表第三体对反应速率的净影 (6)气体状态方程. 表2不同温度下水汽的特性参数2刂 Table 2 Characteristic parameters of water vapor at different temperatures1] C9/ S/ -G9-H9(T】/ He-He(T)/ △eHe/ △rG9/ T/K (J,K-1.mol-1) (J.K-1.mol-1) (J.K-1.mol-) (KJ.K-1.mol-1) (kJ.K-1.mol-1) (kJ.K-1.mol-1) 298.15 33.590 188.834 188.834 0 -241.836 -228.582 300 33.596 189.042 188.835 0.062 -241.844 -228.500 500 35.226 206.534 192.685 6.925 -243.826 -219.051 700 37.495 218.739 198.465 14.192 -245.632 -208.812 900 39.987 228.459 204.084 21.938 -247.185 -198.083 1100 42.536 236.731 209.285 30.191 -248.460 -187.033 1300 44.945 244.035 214.080 38.942 -249.473 -175.774 1500 47.090 250.620 218.520 48.151 -250.265 -164.376 1700 48.935 256.630 222.655 57.758 -250.881 -152.883 1900 50.496 262.161 226.526 67.706 -251.368 -141.325 2100 51.823 267.282 230.167 77.941 -251.762 -129.721 注：T=298.15K,pe=0.1MPa 币p 验可知一般取500Wm-2.K-1.燃烧器壁面视为绝 Ps-RTg 热壁面：内壁面为无滑移，边界条件为u=0,v=0. 式中，卫和而是混合气的压力和平均相对分子 本文基于Fluent13.0软件中的预混燃烧模型，设 质量. 置贴合实验的边界条件，对含水汽低浓度瓦斯气体 1.3边界条件 燃烧的温度场和各主要气体的分布情况进行数值分 多孔介质区20： 析. 气相进口(x=0m,y=0~0.04m), 2数值模拟结果及分析 u=u0,=0,Yk=Y.0,Tg=T0=300K; 由于低浓度瓦斯气体中主要可燃物质是甲烷， 数值计算时，选用低浓度甲烷作为燃烧气体.燃气 气相出口(x=0.16m,y=00.04m), 当量比设为0.75，流速为0.56ms-1,采用增加水 -0出-恶-竖=0： 汽量，相应减少甲烷和空气流量的方式来改变水汽 含量.当水汽质量分数为0时，计算结果可与相同 固相进口(x=0.02m,y=00.04m), 工况下文献[17]的实验结果中当量比为0.75、燃烧 强度FR=1378kWm-2工况时的温度分布情况对比 c(Ti-Td)+h(T-T)=0; 分析（文献中横坐标为量纲一的长度，已换算为与 本文实际长度相对应的数据)，以从温度角度验证数 固相出口(x=0.14m,y=0~0.04m), 值分析可靠性.瓦斯运输时所喷抑爆水雾使水汽量 (To-d+h(T.out-Tz.o)=0. 充分饱和四，经管口设备干燥作用可大范围调节 dr 水汽含量. 式中，o表示波尔兹曼常数，取5.67×10-8W-m-2. 2.1水汽量对燃烧器中温度分布的影响 K-4:h表示固体界面与气体的对流换热系数：Y表 不同含水量下，燃烧器轴向温度分布情况如图 示气体组分：e表示散射率：k表示传热系数，由实 2所示.为了验证模型的准确性，图中加入了文献第 10 期 代华明等：水汽对多孔介质中低浓度瓦斯燃烧特性的影响 1377 ·· Rˆ i,r = Γ(ν 00 i,r − ν 0 i,r) Ã kf,r Q N j=1 [Cj,r] η 0 j,r − kb,r Q N j=1 [Cj,r] ν 00 j,r! . 式中，N 是反应 r 的化学物质数目，Cj,r 是反应 r 中每种反应物或生成物 j 的摩尔浓度，η 0 j,r 是反 应 r 中每种反应物或生成物 j 的正向反应速度指 数，ν 00 j,r 是反应 r 中每种反应物或生成物 j 的逆向 反应化学计量数，Γ 代表第三体对反应速率的净影 响，kf,r=ArT βr e −Er/RT 表示反应 r 的前向速率常 数，Ar 是指前因子，βr 是温度指数，Er 是反应活 化能，R 是通用气体常数，kb,r= kf,r Kr 表示反应 r 的 逆向反应常数，Kr 是反应 r 的平衡常数，ν 0 i,r 表示 反应 r 中反应物 i 的化学计量系数，ν 00 i,r 表示反应 r 中生成物 i 的化学计量系数. 水汽在燃烧反应过 程中各特性参数如表 2 所示. (6) 气体状态方程. 表 2 不同温度下水汽的特性参数 [21] Table 2 Characteristic parameters of water vapor at different temperatures[21] T/K CΘ p / (J · K−1 · mol−1 ) S Θ/ (J · K−1 · mol−1 ) −[GΘ−HΘ(Tr)] T / (J · K−1 · mol−1 ) HΘ − HΘ(Tr)/ (KJ · K−1 · mol−1 ) ∆fHΘ/ (kJ · K−1 · mol−1 ) ∆fGΘ/ (kJ · K−1 · mol−1 ) 298.15 33.590 188.834 188.834 0 –241.836 –228.582 300 33.596 189.042 188.835 0.062 –241.844 –228.500 500 35.226 206.534 192.685 6.925 –243.826 –219..051 700 37.495 218.739 198.465 14.192 –245.632 –208.812 900 39.987 228.459 204.084 21.938 –247.185 –198.083 1100 42.536 236.731 209.285 30.191 –248.460 –187.033 1300 44.945 244.035 214.080 38.942 –249.473 –175.774 1500 47.090 250.620 218.520 48.151 –250.265 –164.376 1700 48.935 256.630 222.655 57.758 –250.881 –152.883 1900 50.496 262.161 226.526 67.706 –251.368 –141.325 2100 51.823 267.282 230.167 77.941 –251.762 –129.721 注：Tr=298.15 K，P Θ=0.1 MPa. ρg= W p RTg . 式中，p 和 W 是混合气的压力和平均相对分子 质量. 1.3 边界条件 多孔介质区 [20]： 气相进口 (x=0 m，y=0∼0.04 m)， u = u0, v=0，Yk = Yk,0，Tg = T0=300 K； 气相出口 (x=0.16 m，y=0∼0.04 m)， v=0， du dx = dYk dx = dTg dx = 0； 固相进口 (x=0.02 m，y=0∼0.04 m)， ks dTs dx + εσ ¡ T 4 s,in − T 4 0 ¢ + hs(Ts,in − Tg,in) = 0; 固相出口 (x=0.14 m，y=0∼0.04 m)， ks dTs dx + εσ ¡ T 4 s,out − T 4 0 ¢ + hs(Ts,out − Tg,out) = 0. 式中，σ 表示波尔兹曼常数，取 5.67×10−8 W·m−2 · K−4；hs 表示固体界面与气体的对流换热系数；Y 表 示气体组分；ε 表示散射率；k 表示传热系数，由实 验可知一般取 500 W·m−2 ·K−1 . 燃烧器壁面视为绝 热壁面；内壁面为无滑移，边界条件为 u=0，v=0. 本文基于 Fluent 13.0 软件中的预混燃烧模型，设 置贴合实验的边界条件，对含水汽低浓度瓦斯气体 燃烧的温度场和各主要气体的分布情况进行数值分 析. 2 数值模拟结果及分析 由于低浓度瓦斯气体中主要可燃物质是甲烷， 数值计算时，选用低浓度甲烷作为燃烧气体. 燃气 当量比设为 0.75，流速为 0.56 m·s −1，采用增加水 汽量，相应减少甲烷和空气流量的方式来改变水汽 含量. 当水汽质量分数为 0 时，计算结果可与相同 工况下文献 [17] 的实验结果中当量比为 0.75、燃烧 强度FR=1378 kW·m−2 工况时的温度分布情况对比 分析 (文献中横坐标为量纲一的长度，已换算为与 本文实际长度相对应的数据)，以从温度角度验证数 值分析可靠性. 瓦斯运输时所喷抑爆水雾使水汽量 充分饱和 [22]，经管口设备干燥作用可大范围调节 水汽含量. 2.1 水汽量对燃烧器中温度分布的影响 不同含水量下，燃烧器轴向温度分布情况如图 2 所示.为了验证模型的准确性，图中加入了文献