高比例氢气对受限空间旋流钝体火焰结构的影响

氢是非常有潜力的清洁能源载体,富氢燃料燃烧是降低碳排放的可行方式.燃料掺氢会使火焰结构发生明显改变,进而会影响燃烧过程的排放特性与稳定性.然而,氢气掺混对旋流钝体火焰结构影响机理还不甚明确,高掺氢比下火焰结构特征的研究尚且不足.本文基于预混CH4/H2旋流钝体火焰,对宽广掺氢比范围内(0％～80％)的火焰多场信息进行了...     

H2/air旋流预混燃烧的流场特性和火焰结构分析

本文采用完全可压缩的N-S方程,对当量比为1.0的H₂/air旋流预混火焰进行了直接数值模拟研究。氢气和空气的化学反应采用9种组分19步的详细机理。模拟结果表明,强旋流流场中存在回流区,碗形旋流火焰稳定在回流区的外围。在火焰面上沿火焰法向提取了局部火焰结构,将局部湍流火焰结构与层流预混火焰的火焰结构进行了比较,发现局部湍流火焰比层流预混火焰更薄,燃烧强度更高。     

CH4/空气简化动力学机理数值验证

选择绕圆柱预混燃烧算例，验证CH₄/空气三种简化动力学机理（16s41r、15s19r和53s325r）.考虑均匀来流，忽略湍流和湍流与燃烧相互作用以及燃料扩散效应，假设层流有限反应速率，采用保自由流5阶WENO格式求解多组分Euler方程组，得到CH₄/空气预混燃烧流场温度等值线、沿驻点线压力和温度及其CH₄、CO和CO₂质量百分数分布.结果表明：三种简化动力学机理给出的流场均出现弓形激波和火焰面，弓形激波和火焰驻点距离及其形状、诱导区宽度和简化动力学机理相关.当圆柱直径增大，弓形激波和火焰向圆柱上游移动，对应的驻点距离均增大，诱导区宽度变短，点火延时变小，但火焰和弓形激波位置次序未变化.53s325r模型要比16s41r模型和15s19r模型精度要高，点火延时覆盖的压力和温度范围也较宽，所有简化机理均未完全反应，在较大圆柱直径下游达到化学平衡.     

稀释剂对H2/CH4预混火焰熄灭特性影响

掺氢天然气在稀释气体作用下的熄灭特性研究对实际燃烧设备的设计和优化具有重要的指导意义。本文利用对冲火焰法测量了掺氢天然气层流火焰在N₂和CO₂作用下的熄灭拉伸率,并采用数值模拟耦合详细化学反应机理对N₂,CO₂和He的稀释剂效应展开研究。结果表明,Li、GRI Mech 3.0和FFCM-1机理均能定性反映燃料熄灭拉伸率随当量比的变化规律,且FFCM-1机理综合预测精度最高。实验和模拟发现,不同稀释剂气体对掺氢天然气熄灭拉伸率降低幅度满足:He22。进一步研究发现,CO₂由于热容大,在反应体系中会降低火焰温度,同时增强了链终止反应强度,通过热效应和化学效应两方面对火焰熄灭特性起作用。He则能显著改变燃料混合物的平均摩尔质量,从而改变体系中重要反应物和自由基的扩散特性,从扩散效应方面影响火焰的熄灭特性。     

氢气部分预混火焰瞬态响应及脉冲不稳定性研究

本文基于详细化学反应机理和输运性质,对氢气/空气部分预混火焰瞬态响应及脉冲不稳定性进行了数值分析.研究发现预混火焰区存在脉冲不稳定现象,振荡过程可形成极限环,此时火焰强度更依赖于O_2浓度,而对当地温度不敏感;扩散火焰区由于受到预混火焰区传热、传质影响,扩散火焰出现受迫振荡现象。研究结果表明增大拉伸率及当量比会抑制脉冲不稳定现象的发生,其原因是扩散火焰和预混火焰之间距离减小,具有更高温度的扩散火焰向预混火焰区导热增强,后者火焰强度增大,从而减小了Zeldovich数,抑制了不稳定现象的发生。     

CH4/O2/N2层流火焰瞬态响应特性数值分析

用数值分析方法研究CH₄/O₂/N₂层流扩散火焰的瞬态响应特性.采用详细的GRI-Mech 3.0机理(包含53种组分,325个基元反应)描述CH₄氧化和NO_x生成.首先比较火焰面稳态结构的计算结果和实验数据,以验证数值方法的可靠性.用台阶跃变的火焰拉伸率来模拟瞬态流场对火焰面局部结构的影响,给出了火焰面结构(温度、组分浓度)的瞬态响应曲线,分析了火焰面的响应特性.着重探讨了不同拉伸率跃变幅度对响应特性的影响,发现火焰面的响应对于拉伸率正向跃变和负向跃变并不对称,而是相反,且在小的拉伸率跃变范围内火焰面响应时间和拉伸率跃变幅度近似成反比关系.另外,温度的平均响应时间远大于一个典型湍流燃烧场的流动时间尺度,说明火焰面非稳态效应对于湍流燃烧数值模拟有重要意义.     

一维湍流模型对He平面羽流和CH4/H2/N2射流火焰的数值模拟

本文采用一维湍流模型（ODT）对氦气平面羽流和CH₄/H₂/N₂射流火焰进行数值模拟,和前人的实验结果进行定量地对比。结果表明,ODT模型能够准确地预测平面羽流基本特征,湍流涡团的分布同流场拉伸率之间具有密切的关系,涡团强度的分布能够直观地表明当地的湍流强度。ODT模型埘CH₄/H₂/N₂瞬态火焰的模拟定性反应了火焰特性及其与湍流作用的规律,对温度-混合分数的预测值和实测值进行比较,发现甲烷火焰燃烧在富燃料侧并未达到平衡状态,因而基元反应对火焰特性的预测具有重要作用。     

甲烷湍流射流火焰锋面结构的激光PLIF测量

利用OH-PLIF技术,研究了甲烷空气预混射流火焰,在不同出口雷诺数下,不同氮气稀释比例下火焰OH自由基的二维分布以及火焰的前锋面结构特性,以此实现对柔和燃烧的基础特性研究。实验结果显示,在获得大量氮气稀释后,预混火焰的OH浓度峰值减少了30%以上,并且整个燃烧反应明显延迟,但火焰面面密度没有发生明显变化。同时发现,改变出口雷诺数对火焰OH浓度影响较小,但是增加出口雷诺数可以扩大燃烧反应区。     

甲烷-空气预混V形火焰的CARS实验研究

本文将相干反斯托克斯(CARS)理论光谱计算和实验光谱分析的方法应用于预混V形火焰燃烧的温度测量实验,利用N2的Q支CARS谱线,使用单脉冲宽带方法获得了预混V形火焰的CARS信号光谱强度特性,测量了V形火焰水平方向和竖直方向上的温度分布特征,从中得出了火焰锋面的厚度,分析了火焰锋面的皱褶与摆动对CARS信号的影响。同时测量了不同燃料系数下V形火焰燃烧产物的温度,得出了温度随燃料系数的变化趋势,为进一步研究预混 V形火焰的结构提供了依据。     

基于Raman与FTIR对掺甲烷乙烯/氢气扩散火焰碳烟有序度和官能团的研究

以甲烷、乙烯、氢气混合扩散火焰碳烟为研究对象,采用激光共聚焦拉曼光谱（Raman）和傅里叶红外光谱（FTIR）研究了不同掺甲烷比例下乙烯、氢气混合火焰碳烟有序度及官能团的分布特性,分析了碳烟石墨化和官能团分布,揭示了掺甲烷对乙烯/氢气（氢气比例30%）层流扩散火焰的碳烟生成影响规律。Raman研究表明在甲烷掺混比为3%和7%时,在火焰高度低于4cm位置生成的碳烟有序程度显著降低,表明在此区域存在明显的碳烟生成协同效应;甲烷掺混比增大超过10%时,协同效应基本消失,碳烟有序度上升。FTIR研究表明掺混甲烷对碳烟官能团组成影响明显。掺混甲烷后脂肪族官能团相对含量整体提高。随着甲烷掺杂比的增大,CH₂相对含量增大到一峰值后减小。碳烟中芳香族官能团含量随着火焰高度的上升含量下降明显。掺混3%和7%甲烷,芳香族官能团在2和3 cm火焰高度时,芳香族官能团的含量明显上升。掺混甲烷比高于10%时,芳香族官能团的含量则有所降低。表明少量甲烷掺混使得CH₃和C₃H₃生成有了新的途径,CH₃和C₃H₃增加,而C₂H₄和C₂H₂减少不明显,从而促进了多环芳香烃(PAHs)的生成。继续增加甲烷因为稀释作用会抑制C₂H₂生成从而减少PAHs的生成,芳香族相对含量降低,因而降低了碳烟的生成。研究揭示了甲烷对乙烯/氢气层流扩散火焰中碳烟形成的相互作用：在低甲烷掺混比时存在协同效应促进碳烟生成,而在高甲烷掺混比时协同效应消失。     

CH4掺混对高压H2泄漏自燃的抑制机制研究

本文采用高阶离散格式和详细动力学模型模拟了高压CH₄/H₂泄漏自燃过程。结果表明高压H₂泄漏自燃具有以下特性:H₂/空气间高压差会产生稀疏波、激波和燃料/空气接触断面等流动特征;高压H₂射流前端的空气温度在0.5μs内可升至1000 K以上;泄漏着火起始于贫燃区;着火后,H₂/空气扩散层内部存在多个火焰区域。对比不同混合水平下CH₄/H₂的泄漏自燃过程则发现,CH₄的加入极大地提升了高压储氢安全性。CH₄掺混抑制泄漏自燃的机制体现在三个方面:致使压缩空气的温升下降;降低燃料整体活性,尤其是H自由基的积累速率减缓;降低火焰锋面处的达姆科勒数,加剧自由基运输损失。本研究表明,向高压H₂中掺混高摩尔质量、低化学活性的其他气体是降低自燃风险的一种有效手段。     

Subgrid combustion modeling of 3-D premixed flames in the thin-reaction-zone regime

Large eddy simulation (LES) is used to investigate three-dimensional (3D) lean premixed turbulent methane–air flames in the thin-reaction-zone regime. In this regime, the Kolmogorov scale is smaller than the preheat zone thickness, but larger than the reaction zone thickness. Past numerical studies of similar flames were primarily direct numerical simulation either in two-dimensions or using the artificially thickened flame approach in 3D. For an LES the effect of small (unresolved) scales on the scalar field must be, modeled accurately to capture the correct flame structure. A subgrid combustion model based on the linear-eddy-mixing (LEM) model is used within an LES framework (called LEM–LES hereafter) to capture the 3D flame-structure of the highly stretched premixed flames. A finite-rate, one-step methane–air chemistry with a non-unity Lewis number formulation is used in this study. The simulated flame structure resembles flames experimentally studied in the thin-reaction-zone regime. Even though the preheat zone is broadened by the penetration of small eddies, the chemical reaction zone remains thin and localized. This feature is captured properly in the current LEM–LES approach. The flame structure and other statistics such as the flame area evolution, curvature, and strain-rate statistics computed using the LEM–LES are also in good agreement with the past DNS studies.     

双组分燃料的层流火焰速度模型

以往关于层流火焰速度的理论分析均只考虑单组分燃料,本文对双组分燃料的平面火焰进行了大活化能渐近理论分析。在理论分析中,将火焰结构分为预热区、化学反应区和平衡区,并在大活化能假设下对各个区域分别求解了关于温度与燃料质量分数的微分方程。根据每两个区域分界面上满足的结合条件,本文推导出了双组分燃料的层流火焰速度模型。该模型表明双组分燃料层流火焰速度的平方为各个单组分燃料层流火焰速度平方的加权平均。     

Structure of partially premixed n-heptane–air counterflow flames

To avoid the complexities associated with the droplet/vapor transport and nonuniform evaporation processes, a fundamental investigation of liquid fuel combustion in idealized configurations is very useful. An experimental–computational investigation of prevaporized n-heptane nonpremixed and partially premixed flames established in a counterflow burner is described. There is a general agreement between various facets of our nonpremixed flame measurements and the literature data. The partially premixed flames are characterized by a double flame structure. This becomes more distinct as the strain rate decreases and partial premixing increases, which also increases the separation distance between the two reaction zones. The peak partially premixed flame temperature increases with increasing premixing of the fuel stream. The peak CO₂ and H₂O concentrations are relatively insensitive to partial premixing. The CO and H₂ peak concentrations on the premixed side increase as the fuel-side equivalence ratio decreases. These species are transported to the nonpremixed reaction zone where they oxidize. The C₂ species have peaks in the premixed reaction zone. The concentrations of olefins are ten times larger than those of the corresponding paraffins. The oxidizer is present in partially premixed flames throughout the combustion system and there are no regions characterized by simultaneous high temperature and high fuel concentration. As a result, pyrolysis reactions leading to soot formation are greatly diminished.     

基于高光谱技术的甲烷层流预混火焰自由基特性研究

高光谱技术提供了空间和光谱维度的信息,同时基于传统黑体模型的实验技术和计算方法不适用于甲烷火焰的辐射特性,而火焰中自由基的高光谱信息反映了火焰结构、组分浓度分布等燃烧的多方面特征,能够为燃烧模型的完善提供依据。利用高光谱技术在不同当量比和不同流量下研究了甲烷预混火焰中自由基的空间和光谱特性。对不同当量比的研究表明,随着当量比的增加,火焰中心处的CH*和C*₂自由基的辐射强度先增加后降低,而燃烧区域内二者的平均辐射强度一直增加,火焰中心处的点可以表征局部的燃烧状态,而燃烧区域内辐射均值表征热释率等整体燃烧状态,定量给出了两种方法的不同趋势。火焰中心处的CH*自由基辐射强度在当量比为1.01时达到峰值,而C*₂自由基辐射强度在当量比为1.12时达到峰值,两种自由基的辐射峰值可以分别作为燃烧中反应强度和稳定性的判据。当量比可以由C*₂和CH*辐射强度之比来表征,修正了C*₂/CH*和当量比的线性关系,提出应使用燃烧区域内C*₂和CH*的平均辐射强度之比,并提出了该比值与当量比的二次关系。利用高光谱技术生成了燃烧区域内C*₂/CH*的云图,得到了详细的空间信息,当量比大于1时,首次在火焰面附近发现了明显的过渡区,体现了高光谱技术的优势。对当量比保持不变情况下的不同流量的研究表明,随着流量的增加,火焰高度增加,而火焰顶部和火焰中心的自由基的浓度分布基本不发生变化,揭示了实验工况下流动的特征时间远小于化学反应特征时间,化学反应过程未受到明显影响。应用高光谱较好的识别出了火焰中的多种自由基,研究了甲烷层流预混火焰中自由基辐射特性及其随着不同当量比和流量变化的趋势,对燃烧现象和机理的认识具有重要意义。     

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Different ratios of methane/air in the low power arc discharges assisted methane combustion were studied at atmospheric pressure. Plasma emission spectroscopy was recorded by an optical emission spectrometer. The possible physical and chemical reaction process and mechanisms were discussed. With a plasma in the on or off state, the physical appearances of the methane combustion flame were observed and compared, the temperature of the flame in the main combustion zone was investigated. The gas compositions of CH₄, CO and O₂ were analyzed by the gas chromatography and flue gas analyzer. The results showed that when plasma was in the on state, the temperature of flame increased and the combustion efficiency enhanced in stable combustion due to decrease of CH₄, CO and O₂; the combustion enhancement was more obvious at low ratio of methane/air; the rich combustion limits in terms of the ratio of methane/air was extended from 16% to 21%.     

乙基苯低压预混火焰动力学模型研究

本文报道了我们发展的一个包含176个物种和806个反应的乙基苯火焰模型,用于模拟4.0 kPa压力下的富燃乙基苯火焰（φ=1.90）。结果表明本模型可以很好地预测各种产物及中间体的摩尔分数曲线。通过生成速率分析得到了乙基苯在富燃条件下的反应路径。分析结果显示,乙基苯在富燃条件下的主要分解路径为C₆H₅C₂H₅→C₆H₅CH₂→C₇H₆→C₅H₅4→C₃H₃→C₃H₂,产生的C₃H₂再经过氧化反应序列生成主要产物CO。此外,乙基苯支链上一系列的脱氢/β-断键反应也对乙基苯的分解具有不可忽视的作用。本模型为发展长链芳香烃模型打下了基础,有助于对未来实用燃料和航空替代燃料中长链芳香烃燃烧持性进行预测。