掺氢对乙醇-空气预混火焰不稳定性的影响

利用定容燃烧弹高速纹影摄像系统所得到的向外传播球形火焰纹影图片,并结合火焰不稳定性理论分析了掺氢对乙醇-空气预混火焰不稳定性的影响规律.结果表明,随着掺氢量的增加,在稀薄混合时火焰不稳定性增加,表现为前锋面的裂纹加剧;而在浓混合时呈现相反的变化趋势.可燃混合物的热扩散不稳定性与综合不稳定性随掺氢量的变化趋势一致;流体力学不稳定性不影响热扩散不稳定性与综合不稳定性的变化趋势,它随掺氢量的变化取决于火焰厚度和热膨胀比的综合变化。     

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。     

掺氢对乙炔预混火焰碳烟生成的影响

本文基于层流预混火焰燃烧器台架,研究不同掺氢比及不同当量比对乙炔预混火焰中碳烟生成的影响。结果表明,掺氢之后,火焰温度略有降低,且掺氢比越大,温度降低越明显;然而随着当量比降低,火焰温度逐渐升高。掺氢及降低当量比对碳烟生成有明显的抑制作用,掺氢比越高及当量比越小,碳烟体积分数降低越明显;通过对比相同乙炔流量掺氢与不掺氢两种工况下的碳烟体积分数发现,掺氢情况下的碳烟体积分数较小;因此,对于乙炔掺氢预混火焰,其碳烟生成的减少是乙炔含量的减少及氢气的稀释和化学影响的共同作用。     

高压条件下平面火焰OH-PLIF实验研究

平面激光诱导荧光技术（planar laser-induced fluorescence,PLIF）是一种十分重要而且应用广泛的燃烧诊断技术,但是在实际发动机等高压环境开展OH-PLIF测量仍然具有挑战性.为了研究压强对OH-PLIF的影响,在自行设计的高压火焰炉上,搭建了一套OH-PLIF测量系统,选用A-X（1,0）电子跃迁带的P₁（1）激发谱线,在不同压强条件下对甲烷/空气预混平面火焰开展了OH-PLIF测量研究,同时对实验工况的荧光产额进行了仿真,并将仿真结果与实验结果进行了对比分析.研究结果表明,随着压强的增加,OH的荧光信号逐渐减弱,平面预混火焰的锋面厚度逐渐变薄,OH荧光信号的峰值位置会越来越靠近炉面,荧光淬灭效应在OH荧光强度-压强关系中起着决定性的作用.      

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。     

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。     

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。     

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。     

管状火焰燃烧器中高氧气浓度丙烷燃烧特性

对两种不同入口尺寸的急速混合管状火焰燃烧器开展了丙烷富氧燃烧特性研究,着重从火焰结构、燃烧范围、燃烧模式等,分析了燃料与氧化剂切向入口尺寸分别为0.5/0.5 mm(燃烧器A)及0.25/0.5 mm(燃烧器B)的丙烷燃烧特性,并基于Chemkin计算分析了内在机制。结果表明:在氧气浓度β≤0.5时,两者均能获得均匀稳定的管状火焰,火焰特征和燃烧范围相近;对于燃烧器A,随着β增加至0.7,化学反应时间缩短,掺混效果不足以维持火焰稳定;燃烧器B入口尺寸较小,入口速度更大,掺混更充分,在β=0.7时火焰仍稳定,β=0.8时火焰不均匀但仍稳定。此外,β≥0.7时,随当量比增加,燃烧器A、B均在低当量比和化学计量当量比附近出现了声不稳定现象,管状火焰区随β增加不断缩小。     

合成气预混层流本生灯火焰顶端开口机理研究

利用OH-PLIF火焰结构激光诊断技术获得了不同当量比下CO:H_2为1:4的合成气预混层流本生灯火焰OH基分布。结合STAR-CD模拟结果,分析了拉伸率和优先扩散随当量比的变化规律,以及变当量比条件下拉伸率和优先扩散的相互作用机理。结果表明,本生灯火焰顶端是强烈负拉伸,由火焰弯曲引起的强负拉伸和流动引起的微弱正拉伸共同作用。在稀燃条件下,随当量比的减小,顶端负拉伸作用增强,加剧局部优先扩散作用,引起未燃混合气中的燃料比例下降,削弱顶端局部燃烧强度,导致顶端开口现象。     

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。     

基于快速压缩机的二甲醚掺氢着火延迟特性研究

在温度范围650~830 K,上止点压力1.94~2.45 MPa,当量比0.83~1.25,氮气稀释率89.74%实验条件下,本文利用快速压缩机(RCM)研究了掺氢比、当量比和上止点压力对DME/H_2/O_2/N_2混合气着火延迟期的影响。利用CHEMKIN-PRO软件在更宽广温度范围内对混合气着火延迟进行了同等条件下的模拟计算。结果表明:随着掺氢比的增加,DME/H_2/O_2/N_2混合气第一阶段着火延迟期变化不大,总着火延迟期延长;随着当量比及上止点压力的增加,混合气第一阶段着火延迟期变化不大,总着火延迟期逐渐缩短。     

径向微通道中甲烷/空气预混燃烧的实验研究

对底部加热、间距为2 mm、半径为25 mm的径向微通道中甲烷/空气的预混燃烧进行了系统的实验研究,通过高速数码摄像机发现了圆形的稳定火焰和非稳定火焰、透平叶片形旋转火焰、移动式火焰以及三分叉旋转火焰等多种火焰形态,在此基础上得到了以预混气进口速度和当量比为坐标的火焰形态谱图,表明火焰形态的形成与预混气进口速度和当量比之间有着密切的关系。对燃烧产物的测试和分析证实了燃烧效率的高低与火焰形态之间有着直接的联系。     

预混湍流3D火焰面密度和燃料消耗率的估计

利用平面激光诱导荧光(OH-PLIF)技术测量了CH_4/air预混湍流火焰前锋面结构,通过图片处理得到了测量平面上的二维火焰面密度。基于不同的假设建立了三种不同模型,利用二维探测得到的火焰面信息来估计三维火焰面密度在测量面上的值,通过积分三维火焰面密度估计值得到燃烧系统的燃料消耗率。结果表明,预混湍流火焰前锋面为凹凸的褶皱结构,平面测量的二维火焰面密度明显低估了真实的火焰面密度,利用模型估计得到的3D火焰面密度对2D值有明显的改善。燃烧系统的燃料消耗率可以用来评估模型的可靠性,结果表明模型的误差都在40%以内。     

PLIF法定量测量甲烷-空气火焰二维温度场分布

利用平面激光诱导荧光(PLIF)技术，通过选择适合的OH自由基激励线，定量测量了甲烷-空气燃烧火焰的二维温度场分布。给出炉面中心上方火焰温度随离炉面高度的变化和距炉面12 mm高处沿炉面水平方向变化的实验测量结果并进行了讨论与分析。与利用相干反斯托克斯喇曼散射（CARS）技术进行测温的实验结果相比，该测量的相对不确定度优于5％。     

定容燃烧弹内压力振荡机理研究

本文基于一种具有较好发展前景的醚类汽油添加剂异丙醚(DIPE),在定容燃烧弹内研究了该燃料在不同初始压力下随当量比变化的压力振荡特性。实验结果表明,压力振荡强度随当量比增加呈先增大后减小的趋势,且在当量比1.4附近达到最大值;随初始压力增大,压力振荡的强度也增强。本文通过利用He和CO₂以不同掺混比替代N₂作为稀释气体,验证了定容燃烧弹内的压力振荡主要由压力波与火焰相互影响引起,火焰自加速和混合气能量密度对压力振荡有至关重要的作用。     

甲烷掺混氢气长直管道压力振荡特性研究

本文研究了CH₄-H₂/空气的燃烧和压力振荡特性,在长直管道燃烧平台测量了初始压力为0.15、0.1 MPa,初始温度为298 K,掺氢比范围为0～100%,当量比范围为0.8～1.5,以及管道长径比为1.43、1.86、2.29的火焰发展图像和压力振荡数据。点火形式有单点和双点。结果表明,指形火焰阶段是强压缩波形成的重要阶段,火焰加速时间和传播速度均是影响压缩波强度的因素。随着掺氢比增加,压力振荡强度整体趋势上升,主频分布在3080 Hz～3470 Hz。双点火条件下,各长径比下的压力峰值、升高率以及振荡强度均高于单点火,振荡的主频分布规律与单点火相同。     

定容燃烧弹内压力振荡特性研究

本文在定容燃烧弹上研究了正庚烷与异辛烷在不同掺混比下的压力振荡特性,并分析了燃烧过程中的声压信号和火焰图片的亮度与压力振荡特性的联系。研究表明,随着正庚烷掺混比的增加,压力振荡的强度逐渐增强;同一掺混比下,压力振荡强度随当量比的增加,先增大后减小。实验中声压和火焰亮度的变化趋势与压力相同。最后,利用Ar/He/CO_2三种惰性气体替代N_2进行实验,证明容弹内的压力振荡是火焰自加速引起的。     

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。     

HCCI工况下氨氢混合物燃烧的直接数值模拟

本文利用直接数值模拟方法对均质压燃(HCCI, Homogeneous Charge Compression Ignition)工况下氨氢混合物的着火和燃烧特性进行了研究。结果表明,着火首先从局部孤立区域处发生,随后发展到整个计算区域;最高燃烧温度和热释率随着掺氢比的增加而增加;通过与零维计算结果对比,发现湍流和热分层使得氨氢混合物着火提前。利用直接数值模拟数据计算了反应锋面的位移速度,并据此分析了自着火和火焰传播这两种燃烧模式。发现在低掺氢比的情况下,燃烧模式以自着火为主;而在高掺氢比的情况下,燃烧模式以火焰传播为主。