探究利用控制变量法在甲烷燃烧时减少一氧化碳的排放

发布时间:2021-10-27 21:11:05

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 探究利用控制变量法在甲烷燃烧时减少一氧 化碳的排放 作者:刘璐杰 吴卫珍 来源:《今日自动化》2018 年第 01 期 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 摘要:随着经济的快速发展,人们对能源的需求越来越多,进而导致各个国家都开始了寻 求新型能源的漫漫长路。文中论述利用控制变量法,通过软件对不同条件下甲烷燃烧过程的仿 真,进而探宄在不同条件下燃烧过程中一氧化碳的排放情况,便可得到甲烷在空气中燃烧过程 中一氧化碳排放量较少的情况。 关键词:控制变量法;燃烧;甲烷;一氧化碳 中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:2095-6487 (2018) 01-0022-03 O 引言 能源危机和环境污染一直是困扰着世界上各个国家的两大问题,加之全球经济的快速发展 和人口的快速增加,人们对能源的需求越来越多,进而促使国家都开始寻求新型能源。所谓的 新型能源,就是指可再生且污染较小的能源,例如太阳能、潮汐能、地热能、甲烷、氢气、风 能等,而作为主要燃料的新型能源是甲烷。 1 甲烷 甲烷燃燒后的产物以二氧化碳和水为主,还可能产生部分污染气体如一氧化碳和氮氧化 物,因此需要寻求一个比较合理的燃烧环境,使其减少污染气体的排放。 1.1 燃烧反应 甲烷在空气中可以受热燃烧,此时自由基反应剧烈,反应温度急剧上升。甲烷解离吸附为 甲基或非甲基,它们与吸附氧作用或直接生成二氧化碳和水,或者生成化学吸附的甲醛,甲醛 或者与吸附氧进一步反应生成二氧化碳和水。一般认为甲醛作为中间物种,一旦产生就快速分 解为一氧化碳和氢气,而不可能以甲醛分子形式脱附到气相中。 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 1.2 影响因素 在燃烧过程中,存在众多因素影Ⅱ向着燃烧的结果。例如:容器的压强,通入气体的速 度,容器的温度等。本文主要探究通入气体的速度和容器温度对该燃烧反应的影响。 1.2.1 流速(V) 在燃烧过程中,甲烷和空气的通入速度便影响着甲烷与空气在反应器中的浓度,进而会影 响着各个反应产物的质量分数,其中甲烷的通入速度用 V1 表示,空气的通入速度用 V2 表 示。因此,不同的通入速度将影响着各个反应的量,在本文中将设定五组不同比例的流速分别 是:V1=lm/s、V2=5m/s; Vl=lm/s、V2=10m/s; V1=lm/s、V2=20m/s; Vl=lm/s、V2=30m/s; Vl=lm/s、V2=40m/s;来观察各个反应产物的量[1]。 1.2.2 温度(T) 甲烷燃烧是一个放热反应且熵变为负值,根据焓值和熵值的关系可知,甲烷燃烧是一个低 温自发反应,因此不同的温度也会影响着各个反应产物的质量分数。为此,本文中将设定二组 不同的温度分别是:300K (27℃)、313K (40℃),并观察各个反应产物的量。 2 仿真 2.1 模型的建立 本文所需探究的问题是在一个圆筒形燃烧器中甲烷燃烧一氧化碳的排放。其中圆筒形燃烧 器的截面为长 9m、宽 10m 的长方形,在燃烧器的左方有一个喷嘴用于注入甲烷,在燃烧器的 上方有一个喷嘴用于注入空气,燃烧器的下方有一个混合气体出口。其中甲烷注入口的截面为 长宽都为 1m 的正方形。空气注入口的截面为长宽都为 0.5m 的正方形。混合气体出口的截面 为长 3m、宽 1m 的长方形。 在燃烧器中的燃烧反应会存在湍流的现象,而湍流模型根据不同的假设,湍流模型可以分 为紊流粘性模型、雷诺应力模型、代数应力模型[2]。其中最为符合的模型应该是紊流粘性模 型,紊流粘性模型是引入了 BOUSSINESQ 涡粘性假设,认为雷诺应力与*均速度梯度成正 比,即将 Reynolds 应力项表示为 其中 μ1 为湍流的粘性系数,根据紊流粘性系数确定的微分方程数目又可分为零方程模 型、一方程模型、二方程模型。其中零方程模型和一方程模型仅适用于简单的流动,而本文所 讨论为较复杂流动,因此将采用二方程模型,即 K-ε 模型。二方程模型通过求解湍流特征参数 的微分方程来确定湍流粘性。 湍流动能 K 疗程: 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 因此利用 GAMBIT 对燃烧器的界面进行前处理后,在 FLUENT 中选择求解模型时应该选 择 k-epsilon 模型,在化学反应模型中应选择 Eddy-Dissipation。 2.2 模型结果 模型的求解过程是由软件加以完成,通过 FLUENT 的 2D 求解器对模型进行求解。 通过改变温度、流通速度来探究甲烷在空气中燃烧生成一氧化碳的量。主要是通过控制变 量法,改变其中某个量而固定其他量来探究甲烷在空气中燃烧时一氧化碳的排放。 本文所设置的变量有两个,一个是温度,一个是通入气体的速度。温度的可变量为 300K (27℃)、313K (40℃)2 种情况,通入气体的速度共有 5 组,分别是:Vi=lm/s、V2=5m/s; Vl=lm/s、V2=10m/S;Vi=lm/s、V2=20m/s; Vl=lm/s、V2=30m/s;V1=1m/s、V2=40m/s。因此 将有 10 组结果,结果所包括的数据主要有:一氧化碳的加权质量分数的总量、总体积整体的 一氧化碳的加权质量分数、*均快重量的一氧化碳的加权质量分数。具体结果如下所示。 (1)温度 T=300,空气的流入速度 Vi=lm/s,甲烷的流入速度 V2=5m/s。一氧化碳的加权 质量分数的总量为 38.771151。总体积整体的一氧化碳的加权质量分数为 2.1441097×10-5。* 均快重量的一氧化碳的加权质量分数为 0.0017406995。 (2)温度 T=300,空气的流入速度 Vi=1m/s,甲烷的流入速度 V2=10m/s。一氧化碳的加 权质量分数的总量为 29.09749。 总体积整体的一氧化碳的加权质量分数为 1.4946488×10-5。*均快重量的一氧化碳的加权

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