管道内甲烷/空气层流火焰向湍流转捩的微观特性研究

为揭示障碍物对火焰的加速特性,本文运用高速摄影技术和压力传感器分别对空管道和置障管道内甲烷/空气预混火焰的形状变化、火焰传播速度及升压特性进行了实验研究,利用Power-law火焰褶皱模型对管道内流场结构进行了大涡模拟分析。结果表明:空管道和置障管道内甲烷/空气预混火焰传播过程都经历了层流火焰向湍流的转变,且置障管道内的湍流强度明显高于空管道的;障碍物未对前期火焰传播过程产生影响,23ms之前,空管道和置障管道内火焰形态完全一致;障碍物能显著提高管道内的压力上升速率,相比于空管道,障碍物对管道内火焰传播速度提升501%;空管道内涡旋出现在管道的近壁侧,置障管道内涡旋出现在障碍物的背风侧,管道内出现的涡旋结构是火焰形态不断变化的根本原因;空管道湍流燃烧机制始终处于薄火焰区域,而置障管道内湍流火焰机制由薄火焰区域转变到破碎火焰区域;基于大涡模拟的Power-law火焰褶皱模型成功再现了实验中观察到的火焰形状、火焰前锋速度及流场结构,说明该模型适用于置障管道内预混火焰传播特性的研究.     

多孔介质中甲烷预混气火焰传播特性实验研究

本文对甲烷预混气在多孔介质中的火焰传播特性进行了实验研究,在开口竖直管中充填多孔介质,通过改变预混气氧含量使火焰在不同多孔介质中传播并测量火焰传播速度。预混气中氧含量最高达到29％。实验结果表明:多孔介质中甲烷可燃预混气火焰传播速度大于其层流火焰传播速度,可达到5倍以上(当量比的甲烷-空气预混气);多孔介质当量孔直径越大,或预混气层流火焰速度越高,则预混气火焰传播速度越高;多孔介质中可燃混气的火焰传播界限变小,当量孔直径大的多孔介质其界限值较大。实验结果与Babkin提出的多孔介质中的火焰传播机理相符。     

点火能对气体爆炸过程中薄壁管道应变规律的实验研究（英文）北大核心CSCD

点火能量是管道内可燃气体爆炸的重要影响因素。实验采取末端闭口的管道,利用传感器以及数据采集系统测定各测点处的压力及压力波作用对管壁的动态响应,研究不同点火能作用下管道内甲烷-空气预混气体的火焰传播特性,并对管壁的动态应变进行了初步分析。结果表明,点火能量越大,爆炸反应程度越剧烈,管道内最大爆炸压力就越大,管壁的最大动态应变也越大,并且动态应变信号和压力波信号呈现较好的一致性。研究结果为预防管道内可燃气体爆炸事故提供了理论基础。     

点火能对气体爆炸过程中薄壁管道应变规律的实验研究（英文）

点火能量是管道内可燃气体爆炸的重要影响因素。实验采取末端闭口的管道,利用传感器以及数据采集系统测定各测点处的压力及压力波作用对管壁的动态响应,研究不同点火能作用下管道内甲烷-空气预混气体的火焰传播特性,并对管壁的动态应变进行了初步分析。结果表明,点火能量越大,爆炸反应程度越剧烈,管道内最大爆炸压力就越大,管壁的最大动态应变也越大,并且动态应变信号和压力波信号呈现较好的一致性。研究结果为预防管道内可燃气体爆炸事故提供了理论基础。     

强点火作用下C3HF7对甲烷-空气爆炸的抑制

为解决瓦斯输送过程中的爆炸安全问题,探索寻找绿色环保且阻火性能优越的新型抑爆剂,开展了当量比下甲烷-空气预混气体爆炸传播过程中的七氟丙烷抑爆效果研究。实验采用长径比L/D=108的水平管道爆炸特性测试系统,研究了在强点火作用下不同体积分数的七氟丙烷对9.5%甲烷-空气预混气体最大爆炸压力、最大压力上升速率和火焰传播速度的影响。实验结果显示:将2.5 m长的管段作为七氟丙烷抑爆区时,七氟丙烷阻断9.5%甲烷-空气预混气体爆炸火焰传播的最小体积分数为5%;当七氟丙烷的体积分数为1%~4%时,不仅无法阻断爆炸火焰的传播,而且与对照组相比,会使火焰传播速度加快;当七氟丙烷的体积分数为1%~6%时,爆炸源及管道末端处的爆炸压力峰值随着七氟丙烷体积分数的增加而逐渐减小;当七氟丙烷的体积分数为3%时,抑爆区处的爆炸压力峰值与对照组相比增幅为10.9%。     

层流预混气体多棱火焰燃烧现象的分析

在一定条件下,层流预混气体燃烧过程中可清晰地观察到多棱火焰现象。本文从燃料浓度、温度对燃烧速度、气流速度的影响出发,推导出了火焰面变化随空气消耗系数的关系式,并得出了形成多棱火焰现象的条件为:Kx<0。用该式判断的丁烷层流预混气体燃烧的多棱火焰区与实验结果基本吻合。     

半开口管道中的氢/空气火焰加速和压力发展过程

本文研究了氢／空气预混火焰在半开口管道中的火焰加速现象和压力发展过程．结果表明,重复布置的障碍物对火焰速度和压力提升产生显著的影响．火焰传播状态随着氢气当量比的变化而发生改变,在氢气当量比约为０．３４时,火焰速度出现第一次跃变;随着氢气当量比进一步提高,火焰速度发生第二次跃变,即由爆燃转为爆轰．发生爆轰时氢气当量比的范围随着阻塞比的不同而发生变化．     

辐射热损失对球形火焰传播速度的影响

本文通过理论分析和数值模拟系统地研究了辐射热损失对球形火焰传播速度的影响。研究结果表明辐射热损失的影响分为直接影响和间接影响;直接影响指辐射热损失会降低火焰温度,从而降低火焰传播速度;间接影响指辐射热损失导致的冷却会引起逆向火焰传播的流动,从而降低火焰传播速度。对近可燃极限预混气体,直接影响起主导作用;对高辐射强度预混气体,间接影响起主导作用。本文研究的结果对球形火焰法测量火焰传播速度有着重要的指导意义。     

堆积床内丙烷/空气预混燃烧的实验与数值研究

对惰性堆积床内丙烷/空气预混气体的燃烧过程进行了试验测量和数值研究.通过测量稳态燃烧时燃烧器内温度场,结合一维稳态层流模型的数值模拟,分析了堆积床内不同工作条件对火焰结构,燃烧稳定性和污染物排放的影响.同时对非稳态过程的燃烧波传播进行了简单的观测和分析.     

正高电压对CH_4/O_2/N_2稀燃火焰传播和燃烧特性的影响北大核心CSCD

在定容燃烧弹上,通过实验研究了正高电压对过量空气系数λ不同的CH_4/O_2/N_2预混稀燃火焰的传播和燃烧特性的影响。结果表明:正高压电场可以显著促进稀燃火焰在电场方向上的传播,且促进效应随着电压幅度的增大而增强。当电压幅度为12kV时,对于λ为1.6和1.8的CH_4/O_2/N_2预混气体,其平均火焰传播速率为1.38和1.07m/s,与未加电场时相比,分别增大了133.41%和369.97%;压力峰值分别比未加电场时增大了13.07%和100.81%,压力峰值到达时刻分别提前了35.94%和18.09%。由此可知,正高电压可明显改善CH_4/O_2/N_2稀燃火焰的传播和燃烧特性。     

正高电压对CH_4/O_2/N_2稀燃火焰传播和燃烧特性的影响

在定容燃烧弹上,通过实验研究了正高电压对过量空气系数λ不同的CH_4/O_2/N_2预混稀燃火焰的传播和燃烧特性的影响。结果表明:正高压电场可以显著促进稀燃火焰在电场方向上的传播,且促进效应随着电压幅度的增大而增强。当电压幅度为12kV时,对于λ为1.6和1.8的CH_4/O_2/N_2预混气体,其平均火焰传播速率为1.38和1.07m/s,与未加电场时相比,分别增大了133.41%和369.97%;压力峰值分别比未加电场时增大了13.07%和100.81%,压力峰值到达时刻分别提前了35.94%和18.09%。由此可知,正高电压可明显改善CH_4/O_2/N_2稀燃火焰的传播和燃烧特性。     

小管道内汽泡生长过程特性

本文在大空间汽泡生长模型的基础上,结合小直径管道内空间尺度对汽泡生长过程的限制特点,推导出小直径管道内汽泡生长过程方程,为讨论小直径管道内沸腾换热特性打下理论基础。     

弯管内连续旋转爆轰波传播模式实验研究

为研究圆环内爆轰波传播模式的特点,实验在螺旋型的管道内得到了不同初始压力下(p0=4~15 kPa)等当量比的乙烯/氧气预混气体的爆轰性能。采用烟膜片记录爆轰波运行轨迹,高速摄影捕捉火焰面。结果表明:随着初始压力的降低,实验依次得到稳定传播模式、临界传播模式、不稳定传播模式。临界传播模式具有强烈的速度震荡,烟膜板中内壁面附近周期性的出现过驱爆轰的胞格结构。当初始压力接近极限时,圆环内出现驰振爆轰波,驰振爆轰的再生过程是由于压缩效应不断累积而引起的局部爆炸。     

C6F12O对锂离子电池排出气体火焰的抑制效能研究

通过实验和数值模拟的方法研究了添加C_6F_(12)O对锂离子电池发生热失控后的排出气体/空气预混火焰的影响。在常温常压下,利用本生火焰装置测试了一定当量比范围的甲烷/空气和排出气/空气预混火焰在不同C_6F_(12)O添加量条件下的火焰速度。通过包含燃料燃烧和C_6F_(12)O热分解的动力学机理模型进行数值模拟并与实验测试的火焰速度进行比较,结果表明在C_6F_(12)O添加量较低的贫燃侧,层流火焰速度趋势具有良好的一致性。尽管燃料类型不同,C_6F_(12)O在化学当量以及富燃侧的抑制效能明显优于贫燃侧,并且相比于纯甲烷,C_6F_(12)O更适用于抑制排出气体/空气预混火焰。     

初始条件对喷雾火焰着火影响的大涡模拟研究

本文基于LES-LEM模拟方法开展了不同环境温度、压力条件下正庚烷喷雾火焰的大涡模拟研究。首先,通过与ECN喷雾燃烧基础数据库(Engine Combustion Network,ECN)中的实验结果进行对比,发现LE-LEM方法预测的着火延迟期和火焰浮升长度与实验值非常符合。因此,基于此分析了不同发动机工况下喷雾燃烧的着火和燃烧过程。结果显示高温火核首先出现在浓混合气区域,同时,喷雾火焰中同时存在预混和非预混燃烧。计算结果显示燃烧能够使喷雾火焰加速向下游发展,但高环境压力又能抑制喷雾火焰向下游运动。     

火焰加速产生压力锋面机理分析

基于定容燃烧弹研究预混层流火焰穿过孔板之后的加速过程。通过纹影法,观测到火焰之前压力锋面形成过程。分析火焰传播速率、火焰前锋结构变化、火焰加速对末端气体的影响以及从计算流体力学的角度分析了压力锋面的形成过程。结果表明,层流火焰穿过孔板会明显加速,火焰锋面之前形成清晰的压力锋面,这导致末端气体温度、压力升高,发生自燃,为小型化汽油机爆震研究提供借鉴。     

微喷管甲烷非预混射流火焰燃烧特性实验研究

为发展微尺度燃烧器并拓展微尺度燃烧理论,对具有外部伴流空气的甲烷非预混微喷管射流火焰燃烧特性进行了实验研究。微喷管采用内径为710μm、425μm及280μm的不锈钢管,通过实验得到了微喷管非预混射流火焰的火焰形态、高度、最小熄灭流速及吹熄极限,并与常规尺度(管内径2 mm)非预混射流火焰进行了对比。研究表明微喷管射流火焰只有层流火焰一种形态;微喷管射流火焰高度主要取决于燃料流速而不受外部伴流速度影响;微喷管射流火焰的吹熄极限随伴流速度先增加后减小,而微射流火焰的最小熄灭流速受伴流空气速度影响较小,随管径减小微喷管射流火焰的可燃范围急剧减小。     

湍流对多孔介质内预混火焰影响的初步研究

当气流速度较大时,多孔介质内预混燃烧的模拟需要考虑湍流的影响,本文利用简化的k-ε双方程湍流反应流模型对多孔介质内的预混火焰进行了数值模拟.结果表明,湍流大大加强了气流的组分和能世扩散,计算得到的火焰传播速度、CO及NO的排放量都与实验值符合得比较好,与层流模型相比,湍流模型能够改善计算结果.     

预混火焰前锋的观测及提取

介绍了用激光层析探测燃烧场的原理及其装置和图像处理工具的开发过程.利用预混V形火焰进行了激光层析探测火焰前锋的实验,结果显示该方法能够在入射光平面内清晰地分辨火焰皱褶在任一瞬间的几何形状.利用主动轮廓算法(ACM)从数字化图像中准确提取了火焰前锋的轮廓线形,为对火焰皱褶及其传播特性的量化分析打下了基础.     

大管径油气两相流流型变化机理的研究

本文对大直径水平和不同倾角的倾斜管道内油气混输流动的流型及流行转换进行了研究,探讨大直径油气混输管道不同倾斜度油气两相流动过程中段塞流的形成机理。在大型多相流流动模拟实验装置上,模拟油气在大直径管道内的混输流动。通过改变倾斜角度,研究倾角分别为1°、5°以及10°下的油气两相流流型及流型转换的特性,实验结果表明,倾斜角度对段塞流流型的产生及其变化影响显著。