近贫燃极限甲烷/空气火焰的层流燃烧速度研究

利用微重力条件下向外传播的球形火焰,对贫燃极限附近甲烷/空气预混火焰的层流燃烧速度进行了测量,得到当量比从0.512(本文微重力实验中测定的可燃极限)到0.601范围内的零拉伸层流燃烧速度,并与前人实验数据和使用3种化学反应动力学模型的计算结果进行了比较.本文实验结果与已有的微重力实验数据非常接近,而其他研究者在常重力...     

小火焰模型在贫燃预混火焰中的研究

由层流小火焰库引入详细化学反应机理,通过简化的PDF方法计算组分浓度、平均温度和密度等变量,以钝体火焰稳定燃烧室和某燃气轮机上的燃烧室为例,模拟甲烷/空气贫燃条件下预混燃烧的平均火焰位置和火焰厚度,计算结果与实验结果吻合良好,这表明此方法能够较好计算出平均湍流火焰的主要特征。     

湍流强旋流预混火焰大涡模拟研究

本文采用合成涡方法生成湍流进口条件,对非受限强旋流甲烷/空气贫燃预混火焰进行了大涡模拟研究。模拟结果和实验以及DNS数据符合良好。基于此模拟方法,本文对甲烷火焰掺混氢气和水蒸气,进行了比较研究。研究发现,掺混氢气提高了火焰抗拉伸灭火能力,火焰在外剪切层强湍流作用下形成较厚火焰刷。掺混水蒸气,火焰降温明显,流场轴向速度加速较小,形成较大的当地旋流数。因而,相比于掺混氢气,其回流区更强、更宽。相比于掺混水蒸气,流场轴向速度加速较大的掺氢火焰,其轴向脉动在更强的Kelvin-Helmholtz不稳定性作用下,下游剪切层双峰结构得到了保持并增强。     

水雾作用下富燃料甲烷预混火焰化学发光特性

利用阶梯光栅光谱仪与自行研制的水雾协流管式燃烧器,对富燃料甲烷/空气层流预混火焰化学发光特性进行实验研究.分析了锥形预混火焰燃烧过程中火焰面OH、CH以及C2自由基粒子光谱强度分布规律,以及水雾协流作用下的预混火焰发射光谱特性,探讨了水雾液滴对富燃料甲烷预混火焰发射光谱的影响.实验结果表明:当水雾量充足时,作用于内锥火焰阵面的水雾液滴使得火焰阵面OH、CH以及C2自由基粒子发射光谱强度减弱,抑制预混火焰燃烧;当作用于火焰面的水雾载荷比较小时,富燃料预混火焰的OH、CH的发射光谱强度得到一定程度的增强.     

贫燃料预混燃烧的回火特性研究

回火问题是贫燃料预混燃烧面临的主要问题之一。本文采用计算和实验相结合的方法研究甲烷与富氢合成气贫预混燃烧的回火现象,得到不同燃料、不同稳定方式之间的回火特性。研究结果表明,回火极限可以关联为丕雷数模型,环形稳定器的回火稳定性最好,其次为杆稳定器,旋流稳定器的稳定性最差;环形稳定的甲烷预混火焰的回火过程为边缘稳定,适当加入边缘空气同轴射流后变为中心回火,且同轴射流速度存在最佳范围可以提高回火稳定性。     

富燃料丙烷/空气预混火焰特性的微重力实验研究

地面常重力(1g)条件下,丙烷/空气预混火焰向上传播的富燃极限为9.2%C_3H_8,而向下传播时的富燃极限仅为6.3%C_3H_8,二者之间存在明显差距。利用微重力条件下的实验,对燃料浓度从6.5%到8.6%(微重力实验中测定的可燃极限)范围内的丙烷/空气预混火焰特性进行了研究。实验发现,重力对近极限丙烷/空气火焰的传播有显著影响,影响程度随着当量比的增加而增大。微重力下丙烷/空气的富燃极限为8.6%C_3H_8(φ=2.24),明显高于1g条件下向下传播火焰的可燃极限,略低于向上传播火焰的可燃极限。随着当量比的增大,根据压力变化曲线计算的火焰层流燃烧速度从8.5cm/s逐渐减小到2.7 cm/s,可燃极限处的层流燃烧速度与前人实验数据一致。     

燃料射流与空气协流混合中的自点火预测研究

预混燃烧室燃料与空气混合过程中出现的自点火会引起回火与挂火,烧毁燃料喷嘴。针对这一问题,利用实验台模拟贫燃燃烧室预混过程,燃料射流与预热后的空气协流同向喷入石英管预混段中,研究自点火现象。本文结合机器学习和物理规律分析,开展湍流混合过程的自点火预测研究。基于二元逻辑回归建立了机器学习模型,模型的特征由分析影响自点火的物理规律得到,训练和校验模型所需的数据由燃料射流-空气协流的自点火实验获得。结果显示,机器学习方法能快速、准确地预测混合过程中自点火的发生和火焰类型,并揭示其关键影响因素。与传统的数值计算方法相比,机器学习方法预测自点火所需的时间仅为传统数值模拟方法的几千分之一。     

激波与火焰作用的实验与理论研究

采用高速摄影技术拍摄了等当量比的甲烷/空气预混气环境下,火焰与激波相互作用的时序照片,对实验结果进行了分析讨论。使用基于带化学反应的N-S方程和热力学数据,利用改进的VLS格式,对等当量比条件下甲烷/空气预混气中激波与火焰的相互作用进行了数值模拟,并利用光学知识,进行了计算光学的数值模拟。实验结果与数值计算结果进行了比较,两者符合得较好。     

H_2/CO/空气贫燃预混火焰的临界熄灭条件研究

通过详细数值计算在较宽H_2/CO比范围内研究了H_2/CO/空气贫燃层流预混对冲火焰的熄灭极限。结果表明:H_2/CO/空气预混火焰的熄灭拉伸率随当量比和燃料H_2含量的增加而增加。分析发现主要分支反应和主要终止反应的平衡和竞争是火焰熄灭的决定性因素,对于组分确定的合成气,引入火焰面上主要分支反应的反应速率ω_B与主要终止反应的反应速率ω_T的对数比值β=ln(ω_T)/ln(ω_B)作为火焰熄灭指数,熄灭时刻所有当量比火焰的β趋近一个常数β_(ext),β_(ext)为临界熄灭指数。β随着拉伸率的增加而增加,当β=β_(ext)时,火焰熄灭。β_(ext)略大于1,随着H_2含量的增加逐渐减小并趋近于1。     

基于解耦法构建柴油表征燃料的骨架机理

本文构建了一个包含正癸烷、异辛烷、甲苯和甲基环己烷的柴油表征燃料模型。基于解耦法构建了一个包含70种组分和193个反应的柴油表征燃料的骨架机理。在解耦法中,骨架机理被分为两部分:一部分是极其简化的C_2-C_n机理,用于预测燃料的滞燃期和消耗;另一部分为详细的H_2/CO/C_1机理,用于预测火焰速度和熄火极限,以及碳氢和一氧化碳的排放。通过与激波管中的滞燃期、搅拌反应器(JSR)中的组分浓度、层流火焰速度以及预混压燃(PCCI)发动机中的燃烧和排放的实验数据对比,发现机理较好地预测了柴油的着火、燃烧和排放特性。     

运用OH-PLIF方法探测预混火焰前锋结构

运用OH-PLIF方法探测了不同燃料系数和出口湍流度下甲烷/空气的锥形预混火焰的火焰前锋结构.实验结果表明,网格湍流是火焰根部产生皱折和不稳定性的重要因素,并且这种不稳定性会沿着火焰面向下游发展;而在火焰下游尤其是火焰顶部,流场中的低频拟序结构是形成大尺度皱折以及破碎火焰面的直接原因.相比于富燃料工况,贫预混火焰的火焰前锋更容易产生不稳定性,产生大尺度的皱折.导致这种皱折的不稳定性只与燃料系数有关,完全依赖于火焰自身的动力学而与来流特征无关.     

非预混旋流火焰中部熄火及重新稳燃机理研究

本文利用5 kHz同步PIV/OH-PLIF实验装置,结合大涡模拟(LES)耦合PDF燃烧模型,系统研究燃料中心喷射下非预混旋流火焰中部熄火及再次稳燃机理,对比了两种旋流器出口结构的影响.结果 表明,LES-PDF模型可以准确地捕捉到旋流流场分布及火焰形态,包括中部熄火及火焰重新稳定.相比于直燃道的结构,扩张燃道的存在引导了更宽的回流区,改善了中部熄火现象,两种结构对其下游的主火焰再次稳燃高度影响不大.中央燃气射流带来的高标量耗散率使得热损失变大,从而引起中部熄火.同时进一步促进了CH4与空气的预先混合及部分反应前置物(CH2O),为非预混旋流火焰在下游重新稳燃提供了有利条件.通过对火焰再次稳燃处OH反应项及扩散项的分析,发现反应项占据主导地位,部分预混火焰传播为再次稳燃的主要机理.     

甲烷/空气同轴射流火焰反应热与OH~*/CH~*定量表征特性研究

激发态粒子是化学反应过程的天然示踪剂,当前激发态粒子研究主要都是在一维简单火焰下进行。为了考察复杂情况下激发态分布对化学反应热的定量表征规律,进行了甲烷/空气同轴射流扩散火焰的试验,开展了甲烷/空气详细燃烧机理与激发态燃烧机理的同轴射流预混火焰和扩散火焰的数值模拟,分析了OH~*和CH~*的分布特性,研究了激发态对反应热的表征关系。结果表明:通过试验ICCD相机和相应滤光片获取的OH~*和CH~*的化学发光图像和数值模拟中OH~*和CH~*摩尔分数分布的模拟结果吻合, OH~*分布主要分为三个燃烧区域, CH~*分布主要为两个燃烧区域。扩散火焰中OH~*和CH~*分布呈现单峰,反应热呈现双峰现象,反应热与激发态变化趋势相似,达到第一峰值后激发态逐渐减小为零,而反应热达到第一峰值后先降低再缓慢上升到第二峰值,最后减小至零。扩散火焰中沿轴向方向,当C_2H+O=CH~*+CO(R12)反应速率达到峰值时,反应热达到第一波峰; H+O+M=OH~*+M(R2)反应速率达到峰值时,反应热达到第二波峰。预混火焰中随着局部当量比的增加, OH~*和CH~*的摩尔分数明显增大,分布区域更广;反应热和激发态粒子OH~*和CH~*的分布趋势一样,在激发态粒子OH~*和CH~*质量分数增大时,反应热也增大,当激发态粒子OH~*和CH~*的质量分数达到峰值的时候,反应热也达到峰值;沿轴向方向, OH~*和CH~*的四个生成反应速率的峰值都在同一位置,反应热也达到最大值, CH+O_2=OH~*+CO(R1)和C_2H+O=CH~*+CO(R12)反应速率相比H+O+M=OH~*+M(R2)和C_2H+O_2=CH~*+CO_2(R11)反应速率更快。     

低速过滤燃烧火焰面倾斜动力学因素数值预测

采用数值手段对贫甲烷/空气预混气体低速过滤燃烧火焰面倾斜动力学因素进行数值预测。确认多孔介质内局部孔隙率分布不均匀性、初始预热段预热不均匀性等因素是火焰面倾斜不稳定性发生的动因。火焰面倾斜演变的快慢与孔隙率分布不均匀性及初始预热段预热不均匀性具有相关性,孔隙率分布及初始预热越不均匀,火焰面倾斜不稳定性发展越快。此外,将数值预测结果与实验结果分析比较,确认实验中火焰面倾斜不稳定性发生及发展是多因素叠加扰动的结果。     

添加剂对铝/冰基燃料燃烧特性的影响

运用多种实验技术研究了空气条件下不同添加剂(Mg、AP和NaF)对铝/冰基燃料燃烧特性的影响。研究结果表明,添加Mg或AP有利于凝聚相反应区厚度的降低,燃速的提高和气相火焰温度以及燃面温度的升高。比较这三种添加剂可以发现,添加AP的铝/冰基燃料的燃烧效率最高,铝粉氧化程度最为充分,而添加Mg未能提高铝粉的氧化程度。添加NaF完全抑制了铝/冰基燃料能量的释放,燃速大幅度降低且气相火焰变得较温和,同时大大降低了燃料的氧化程度。     

预混火焰条件下生物柴油羰基物的生成与影响因素分析

羰基物是低温燃烧过程中产生的不完全氧化中间产物,主要产生在预混燃烧阶段。从化学反应动力学角度,分析了预混火焰条件下,燃油量、过量空气系数和调合比例等因素对生物柴油羰基物生成的影响。通过改变空气稀释比进行空气预处理,通过掺混氢气、掺混一氧化碳、掺混甲烷进行燃料预处理,对生物柴油羰基类污染物的排放控制进行了数值模拟。研究结...     

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%。     

NH3/H2预混旋流火焰稳定性及燃烧极限实验研究

采用叶轮型旋流燃烧器,选取氢气作为燃料添加剂,研究了掺氢比对氨气旋流火焰稳定性的影响,分析了不同旋流数、叶片数、当量比以及预混气总流量条件下,旋流火焰形态变化。测定并分析了不同参数对旋流火焰燃烧极限范围的影响。结果表明,随掺氢比的增大,火焰逐渐由“V”型转化为稳定的“M”型,燃烧反应愈发充分;高旋流数(1.27)或低叶片数(6片)相比低旋流数(0.42)或高叶片数(8片)更有利于旋流火焰的稳定和燃烧的充分进行;相比富燃,贫燃有利于形成稳定的旋流火焰;预混气总流量较大时,火焰高度较高.对于燃烧极限,掺氢比越高,极限范围越大;总流量的变化对贫燃极限影响较小,对富燃极限影响较大;高旋流数(1.27)条件下,燃烧极限范围较大。     

喷管直径对微尺度扩散火焰特性的影响

对均匀空气流中微尺度甲烷扩散燃烧进行了数值模拟,重点考察微喷管内的流动和传热传质对微尺度燃烧特性的影响.研究结果表明,在保持燃料喷出速度一定的条件下,随着喷管直径的减小,喷管内与甲烷喷出速度相反方向上发生热量和质量的传递,燃料与空气的混合在喷管内已经发生,火焰的一部分热量回流到喷管内顶热了未燃混合气,同时也增加了火焰的热损失.当管径为0.15 mm时,甲烷在微喷管内就开始发生化学反应,在进行微尺度解析计算时,必须包含一定的喷管区域.     

预混燃烧中CMC亚模型的先验性分析

本文用直接数值模拟的方法对各项同性湍流中的H_2/air平面火焰进行了研究。模拟了当量比分别为0.6和1.0的两种预混火焰,采用了9种组分19步反应的详细机理.对预混燃烧中的CMC亚模型进行了先验性分析.发现clipped Gaussian和Beta function两种方法都能定性描述过程变量的概率分布,但是Beta function的结果与直接数值模拟更接近.AMC和Girimaji两种模型都能较好地模拟标量耗散率的条件平均分布,在贫燃的情况下模型预测的结果更接近直接数值模拟的结果。