一种用于无火焰燃烧炉缩放的无量纲建模框架：整合能量-熵分析和流动相似性分析，以实现预测性、低排放及可扩展的工业设计

《Results in Engineering》：A Dimensionless Modeling Framework for Scaling Flameless Combustion Furnaces: Integrating Energy–Exergy and Flow-Similarity Analyses for Predictive, Low-Emission, and Scalable Industrial Design

本研究提出基于π-伯克霍夫定理的无量纲缩放方法，成功将实验室10kW无烟燃烧炉扩展至300kW半工业原型，保持温度均匀性（误差<4%）和污染物达标（NO 6mg/kJ，CO 22.2ppm）。方法通过调整热导率与几何比例，优化了湍流混合与再循环气（FGR）强度，能量与Exergy效率分别达39%和68%，验证了理论框架的有效性。

　　火焰燃烧技术在工业领域具有广泛应用，其优势在于提供高热效率和低排放特性。然而，将实验室规模的火焰燃烧系统扩展到工业应用中，仍然面临诸多挑战，主要源于流体动力学、传热和化学反应之间的复杂相互作用。传统的放大方法通常依赖经验调整，这可能导致燃烧模式的不稳定，无法有效保持分布式燃烧特性。本研究提出了一种基于π-毕坎姆定理的无量纲缩放方法，旨在在将10 kW的实验室炉转变为300 kW的半工业原型过程中保持燃烧模式的稳定性。通过三维计算流体力学（CFD）模拟，并与实验数据进行验证，评估了四种不同的缩放策略，这些策略在几何相似性和热传导处理上有所不同。研究涵盖了热场、污染物形成、烟气再循环（FGR）、湍流雷诺数和达姆科勒数，以及能量-火用效率等关键性能指标。结果显示，所有配置均能维持无焰燃烧，但结合温度依赖性传导和可变长宽比的方法在性能指标上表现最佳。该方法实现了接近实验室水平的平均温度（1689 K，接近实验室情况的1754 K），将反应区厚度减少了36%，并将FGR峰值提高到实验室水平的约450%。湍流雷诺数和达姆科勒数保持在稳定无焰燃烧模式的典型范围内。NO和CO排放分别降至6 mg/kJ和22.2 ppm，完全符合EPA标准。能量和火用效率分别保持在39%和68%，与实验室性能相近。所提出的框架提供了一种可转移且基于物理的路径，用于设计大规模、低排放的无焰燃烧系统，无需事后经验调整，从而促进可靠工业应用的实现。

在工业应用中，无焰燃烧系统因其高效的热能利用和显著降低的氮氧化物（NOx）和一氧化碳（CO）排放而受到关注。然而，将实验室规模的系统放大到工业应用时，如何保持其分布式燃烧特性仍然是一个挑战。以往的研究主要依赖于经验性的调整，例如重新设计入口和出口喷嘴或引入二次空气，以恢复性能。然而，这些策略虽然可能在局部上有所改善，但缺乏统一的理论基础，无法在无焰燃烧的背景下保持所需的燃烧模式。因此，本研究开发了一种基于无量纲分析的缩放框架，旨在在实验室到半工业规模的过渡过程中保持燃烧模式的稳定性。该方法不仅解决了长期存在的缩放过程中燃烧模式保持的问题，还建立了可以整合几何、热力学和流体动力学因素的通用方法，为大规模无焰燃烧系统的清洁、可预测和工业可行设计提供了理论支持。

在实验室规模的燃烧系统中，为了实现无焰燃烧，需要满足几个关键条件：首先，将反应物（燃料和氧化剂）加热到高于燃料自燃点的温度，以确保入口温度高于燃料的自燃温度；其次，降低氧化剂中的氧气浓度至低于10%；最后，确保燃料和氧化剂的充分混合，以避免未燃烧燃料或过量空气的局部堆积。本研究提出了一种基于π-毕坎姆定理的无量纲缩放方法，旨在通过在实验室到半工业规模的过渡过程中保持关键物理参数的相似性，实现燃烧模式的稳定。该方法涉及对热传导和几何相似性的不同处理，以确保在缩放过程中保持均匀的热分布和污染物控制。通过三维CFD模拟，验证了不同缩放策略在热场、污染物形成、FGR、湍流雷诺数和达姆科勒数，以及能量和火用效率方面的表现。结果显示，所有缩放配置均能维持无焰燃烧，但结合温度依赖性热传导和可变长宽比的方法在性能指标上表现最佳。该方法实现了接近实验室水平的平均温度（1689 K），将反应区厚度减少了36%，并将FGR峰值提高到实验室水平的约450%。湍流雷诺数和达姆科勒数保持在稳定无焰燃烧模式的典型范围内。NO和CO排放分别降至6 mg/kJ和22.2 ppm，完全符合EPA标准。能量和火用效率分别保持在39%和68%，与实验室性能相近。所提出的框架提供了一种可转移且基于物理的路径，用于设计大规模、低排放的无焰燃烧系统，无需事后经验调整，从而促进可靠工业应用的实现。

本研究的缩放方法涉及对热传导和几何相似性的不同处理，以确保在缩放过程中保持均匀的热分布和污染物控制。实验室规模的炉子和缩放后的炉子在几何和热传导参数上存在显著差异，这些差异影响了燃烧模式的稳定性。通过比较不同缩放策略在热场、污染物形成、FGR、湍流雷诺数和达姆科勒数，以及能量和火用效率方面的表现，可以评估其对燃烧模式的保持能力。结果显示，所有缩放配置均能维持无焰燃烧，但结合温度依赖性热传导和可变长宽比的方法在性能指标上表现最佳。该方法实现了接近实验室水平的平均温度（1689 K），将反应区厚度减少了36%，并将FGR峰值提高到实验室水平的约450%。湍流雷诺数和达姆科勒数保持在稳定无焰燃烧模式的典型范围内。NO和CO排放分别降至6 mg/kJ和22.2 ppm，完全符合EPA标准。能量和火用效率分别保持在39%和68%，与实验室性能相近。所提出的框架提供了一种可转移且基于物理的路径，用于设计大规模、低排放的无焰燃烧系统，无需事后经验调整，从而促进可靠工业应用的实现。

在实际工业应用中，无焰燃烧系统需要在保持高效热能利用的同时，确保低排放特性。传统的缩放方法通常基于经验性调整，这可能导致燃烧模式的不稳定，无法有效保持分布式燃烧特性。因此，本研究提出了一种基于无量纲分析的缩放框架，旨在通过在实验室到半工业规模的过渡过程中保持关键物理参数的相似性，实现燃烧模式的稳定。该方法涉及对热传导和几何相似性的不同处理，以确保在缩放过程中保持均匀的热分布和污染物控制。通过三维CFD模拟，验证了不同缩放策略在热场、污染物形成、FGR、湍流雷诺数和达姆科勒数，以及能量和火用效率方面的表现。结果显示，所有缩放配置均能维持无焰燃烧，但结合温度依赖性热传导和可变长宽比的方法在性能指标上表现最佳。该方法实现了接近实验室水平的平均温度（1689 K），将反应区厚度减少了36%，并将FGR峰值提高到实验室水平的约450%。湍流雷诺数和达姆科勒数保持在稳定无焰燃烧模式的典型范围内。NO和CO排放分别降至6 mg/kJ和22.2 ppm，完全符合EPA标准。能量和火用效率分别保持在39%和68%，与实验室性能相近。所提出的框架提供了一种可转移且基于物理的路径，用于设计大规模、低排放的无焰燃烧系统，无需事后经验调整，从而促进可靠工业应用的实现。

为了实现无焰燃烧，需要确保反应物在进入反应区前被充分预热，并且氧化剂中的氧气浓度低于10%。同时，燃料和氧化剂必须充分混合，以避免未燃烧燃料或过量空气的局部堆积。FGR在无焰燃烧过程中起着关键作用，它不仅有助于燃料和空气的充分混合，还能加热反应物并稀释氧化剂浓度。在无焰燃烧中，反应物和空气的混合是分布式燃烧的关键，因此，需要确保在缩放过程中保持足够的混合时间和反应时间。本研究提出的缩放方法通过引入无量纲参数，如热传导、几何相似性、混合时间和反应时间等，来保持这些关键条件。通过三维CFD模拟，评估了不同缩放策略在这些参数上的表现，并验证了其与实验数据的一致性。结果显示，所有缩放配置均能维持无焰燃烧，但结合温度依赖性热传导和可变长宽比的方法在性能指标上表现最佳。该方法实现了接近实验室水平的平均温度（1689 K），将反应区厚度减少了36%，并将FGR峰值提高到实验室水平的约450%。湍流雷诺数和达姆科勒数保持在稳定无焰燃烧模式的典型范围内。NO和CO排放分别降至6 mg/kJ和22.2 ppm，完全符合EPA标准。能量和火用效率分别保持在39%和68%，与实验室性能相近。所提出的框架提供了一种可转移且基于物理的路径，用于设计大规模、低排放的无焰燃烧系统，无需事后经验调整，从而促进可靠工业应用的实现。

在无焰燃烧系统中，热传导和几何参数的处理对缩放过程至关重要。传统的缩放方法通常忽略了这些参数的动态变化，导致燃烧模式的不稳定性。本研究提出的方法通过考虑热传导的温度依赖性和几何比例的变化，确保了在缩放过程中维持均匀的热分布和污染物控制。三维CFD模拟不仅验证了这些参数的变化，还评估了其对燃烧模式稳定性的影响。结果显示，所有缩放配置均能维持无焰燃烧，但结合温度依赖性热传导和可变长宽比的方法在性能指标上表现最佳。该方法实现了接近实验室水平的平均温度（1689 K），将反应区厚度减少了36%，并将FGR峰值提高到实验室水平的约450%。湍流雷诺数和达姆科勒数保持在稳定无焰燃烧模式的典型范围内。NO和CO排放分别降至6 mg/kJ和22.2 ppm，完全符合EPA标准。能量和火用效率分别保持在39%和68%，与实验室性能相近。所提出的框架提供了一种可转移且基于物理的路径，用于设计大规模、低排放的无焰燃烧系统，无需事后经验调整，从而促进可靠工业应用的实现。

本研究的缩放方法在热场、污染物形成、FGR、湍流雷诺数和达姆科勒数，以及能量和火用效率等方面均表现出色。其中，结合温度依赖性热传导和可变长宽比的方法在所有性能指标上均优于其他方法。这种方法不仅实现了更均匀的热分布，还有效减少了NO和CO的排放，同时提高了FGR的强度。此外，该方法在湍流雷诺数和达姆科勒数的平衡方面表现优异，确保了燃烧模式的稳定性。能量和火用效率的保持也表明，该方法能够有效复制实验室规模的燃烧特性，同时在工业应用中保持较高的热能利用效率。因此，本研究提出的缩放方法为大规模无焰燃烧系统的开发提供了理论支持，有助于推动清洁燃烧技术在工业领域的应用。

通过本研究的缩放方法，可以实现无焰燃烧系统在不同规模下的性能一致性。该方法不仅考虑了热传导的温度依赖性，还通过调整几何比例来优化燃烧模式。这种结合了热传导和几何参数的缩放策略，能够有效维持分布式燃烧特性，从而在工业应用中实现低排放和高热效率。此外，三维CFD模拟的验证结果表明，该方法在热场、污染物形成、FGR、湍流雷诺数和达姆科勒数，以及能量和火用效率等方面均表现优异。这些结果为无焰燃烧系统的缩放提供了可靠的理论依据，有助于设计和优化工业规模的燃烧设备。

在实际工业应用中，无焰燃烧系统的性能不仅取决于热传导和几何参数的处理，还受到流体动力学、化学反应和热力学条件的影响。因此，本研究提出的缩放方法需要综合考虑这些因素，以确保燃烧模式的稳定性。通过结合温度依赖性热传导和可变长宽比，该方法能够有效维持热分布的均匀性，减少局部燃烧现象，并提高污染物控制能力。三维CFD模拟的验证结果表明，这种方法在实验室到半工业规模的过渡过程中，能够保持燃烧模式的一致性，从而确保系统的高效运行和低排放特性。

总之，本研究提出了一种基于无量纲分析的缩放方法，用于无焰燃烧系统的开发。该方法在实验室到半工业规模的过渡过程中，保持了燃烧模式的稳定性，并在多个性能指标上表现出色。通过结合温度依赖性热传导和可变长宽比，该方法能够有效维持热分布的均匀性，减少局部燃烧现象，并提高污染物控制能力。三维CFD模拟的验证结果表明，这种方法在实验室到半工业规模的过渡过程中，能够保持燃烧模式的一致性，从而确保系统的高效运行和低排放特性。本研究的结果为无焰燃烧系统的工业应用提供了理论支持，并展示了基于物理的缩放方法在设计和优化燃烧设备方面的潜力。