微型摆式发动机内丙烷/空气单次燃烧实验研究

在厘米尺度百瓦级微型摆动式发动机样机上进行了单次燃烧实验,燃用当量比φ=0.9~1.2的丙烷/空气预混合气时,对燃烧室内的火焰传播形态、气体动态压力和摆臂运动进行测量,获得了平均火焰传播速度、燃烧持续时间、燃料质量燃尽率、压力和摆臂止点角度随当量比变化的规律特性。结果表明:在进气初始温度300 K、压力0.13 MPa条件下,φ=1.0~1.2工况时,微摆发动机内燃烧为湍流燃烧,燃烧持续时间在5 ms以内,压力峰值高于8个大气压;随当量比增加,燃烧持续时间缩短、平均火焰传播速度加快和压力峰值升高,更接近定容燃烧,有利于提高输出功率。     

正丁烷/空气混合气催化点火的实验研究

本文在通道高度分别为2 mm和4 mm的平板微反应器内进行了正丁烷/空气混合气的催化燃烧实验。结果表明,在入口流速以及燃烧室高度相同的情况下,催化起燃温度随当量比的增加而下降,且稳定燃烧时最大放热量出现在混合气当量比略大于1时。实验中并未发现明显的气相着火现象。在入口流速以及当量比相同的条件下,混合气在通道高度4 mm的反应器内的起燃温度低于2 mm反应器,表明气相扩散对催化起燃可能产生了一定的影响。     

应用于热光伏系统中的多孔介质燃烧器

为提供热光伏系统均匀的高温辐射源,利用SiC多孔介质作为燃烧媒介,组织丙烷燃烧,并结合回热、预热等手段以提高燃烧温度.结果发现,燃烧功率为4.3 kW时,多孔介质表面温度最高可达1000℃以上.低当量比燃烧可使表面温度梯度更低,当量比0.5时为1.07℃/mm.回热显著提高了多孔介质表面温度.     

双旋流器不同旋向对燃油火焰特征影响的可视化研究

利用OH平面激光诱导荧光技术,测量了不同旋向(同向和反向)的双旋流燃油燃烧器扩散火焰特征,考察了不同当量比下火焰内部的OH浓度分布。实验结果表明,当量比大于0.47时,同向双旋流器的火焰向外偏转,反向双旋流器的火焰向内偏转;当量比小于0.38时,同向与反向双旋流器的火焰均向外偏转;当量比大于0.38时,不同旋向的双旋流燃烧器火焰结构差别较大,当量比小于0.38时,不同旋向的双旋流燃烧器火焰结构相似;随着当量比减小,不同旋向双旋流器的火焰起始张角没有明显变化,但是燃烧区域面积减小,且反向双旋流器燃烧区域面积减小的梯度更大。     

丙烷-氢气-空气预混层流燃烧特性研究

利用高速纹影摄像法和球型发展火焰研究了常温常压下丙烷-氢气-空气预混层流燃烧特性,获得了不同氢气体积分数和当量比下混合气的层流燃烧速率、Markstein数、Zeldovich数和Lewis数.结果表明:随着氢气比例的提高,层流燃烧速率增加,火焰厚度降低;当氢气体积分数小于60%时,随着当量比的增加,Markstein数降低,当氢气体积分数大于60%时,随着当量比的增加,Markstein数增加.当量比小于1.2时,随着氢气比例增加,Markstein数降低.当量比大于1.2时,随着氢气比例增加,Markstein数增加.随着氢气比例的增加,Zeldovich数降低,全局Lewis数降低.     

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。     

入口温度对微型凹腔燃烧器中H_2/air燃烧效率的影响

通过数值模拟研究了入口温度对贫燃H_2/air混合气燃烧效率的影响。结果表明:当量比为0.5时,即使入口温度为300 K也能获得很高的燃烧效率,而当量比为0.3和0.4时,由于火焰尖端发生分裂,导致燃料泄漏和燃烧效率下降。入口温度上升50~100 K时,火焰尖端分裂得到显著改善。分析表明:一方面,依据Arrhenius定律,提高混合气温度可以直接增加燃烧反应速率;另一方面,提高入口温度在一定程度上可以增加混合气的有效Lewis数;此外,提高入口温度可使火焰高度变小,削弱火焰拉伸效应的影响。总之,对于贫燃H_2/air火焰来说,小幅提高混合气的初始温度就能明显增加火焰尖端的燃烧强度,抑制火焰尖端分裂现象的发生,提高燃烧效率。     

高氧气浓度甲烷不稳定燃烧实验研究

采用无回火的急速混合管状燃烧技术,以二氧化碳和氧气的混合气体为氧化剂,基于CH~*自发光高速摄影图像及同步声压曲线,分析氧气浓度β=0.67的甲烷富氧燃烧特性。研究发现当量比0.6~1.0之间的火焰结构呈周期性变化,其频率与燃烧室内声压振荡频率一致,均为高频振荡。分析结果表明,燃烧器内的富氧燃烧振荡模式属于轴向声学共振。混合气体当量比由0.6增至1.0,热释率提高,热释率脉动与声压耦合增强,低频声压幅值减小,高频声压幅值增大,低频振动能量向高频振动能量转变,频谱特性由具有两个特征频率的周期性振荡转变为只有一个高频的周期振荡燃烧。     

微尺度预混合火焰结构和熄火特性研究

本文以空气中的无约束甲烷预混合火焰为对象,用实验和数值解析的方法研究了微尺度预混合火焰的火焰结构和熄火特性。实验测得不同尺寸下混合气当量比和喷出速度与熄火关系图,在不到理论当量比(φ>1)时,火焰已经熄灭,管径越小,极限混合气当量比φu越大。数值解析研究了d=0．3 mm无约束甲烷预混合火焰,在混合气当量比大于 1的富燃料燃烧条件下,空气中形成的预混合火焰结构是内层预混合火焰和外层扩散火焰,极限当量比约为1,解析结果再现了实验现象。     

氨气预混旋流燃烧火焰稳定性及燃烧极限研究

采用叶轮型旋流燃烧器,研究了旋流数、叶片数以及流量等因素对氨气预混旋流燃烧火焰稳定性和燃烧极限的影响.实验结果表明,在一定当量比下,氨气预混旋流燃烧火焰会失稳发生回火或振荡抬举;随着旋流数的增大或叶片数的增加,火焰更易失稳发生回火;石英玻璃高度越高,内部流场结构越完整,火焰高度越高。氨气预混旋流火焰贫燃极限在φ=0.64～0.76之间,富燃极限在φ=1.47～1.74之间。随着总流量的增大,贫燃极限逐渐增大,富燃极限波动较大,总体燃烧极限范围变大;随着旋流数的增大、叶片数的增加或石英玻璃高度的升高,燃烧极限范围变窄。     

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。     

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。     

双层多孔介质内甲烷富燃制氢过程的研究

采用一维双温度体积平均模型和详细的甲烷化学反应机理GRI 3.0,对双层泡沫陶瓷多孔介质内甲烷富燃燃烧过程进行数值模拟,研究在双层多孔介质交界面附近稳定燃烧时的火焰稳定传播范围、火焰温度和组分分布及氢气的产量和能量转换效率.结果表明,双层多孔介质燃烧器能有效拓宽甲烷在空气中的富燃极限;在当量比大于1.6时,燃烧产物中氢气含量较多,氢气产生分为甲烷部分氧化和水煤气反应两个阶段;当量比在1.6～1,8之间时,能量转换效率较大,最大值约为46%.     

气化炉内柴油火焰光谱辐射特性及CH*二维辐射特性研究

火焰的自发辐射光谱与火焰的结构、温度分布等燃烧特征参数密切相关。对激发态自由基辐射的辐射强度与二维分布进行研究,可清晰地反映火焰燃烧状态而不对火焰产生扰动。基于多喷嘴对置式气流床气化实验平台,利用光纤光谱仪和配置CCD相机的高温内窥镜,对柴油扩散火焰的辐射光谱及CH*辐射二维分布特性进行研究。考察了当量比和撞击作用对火焰辐射光谱和CH*辐射分布的影响。结果表明,柴油火焰在306.47及309.12 nm处存在OH*辐射特征峰,在431.42 nm处存在CH*辐射特征峰,且存在明显的碱金属原子Na*(589.45 nm),K*(766.91和770.06 nm)发射光谱。此外,由于柴油不完全燃烧生成大量碳黑,在辐射光谱的可见光波段产生了强烈的连续黑体辐射。火焰中的黑体辐射对CH*辐射特征峰的检测存在干扰,且当量比越低时背景辐射越强,对自由基特征峰检测干扰越大。基于普朗克定律利用插值法可扣除430 nm附近波段背景辐射。柴油火焰中CH*辐射峰值随当量比的增加单调减小,CH*辐射等值线沿火焰发展方向依次出现三峰状、双峰状及单峰状,最终收缩为以反应核心区为中心的圆核。随着当量比的提高,出现各个形状的CH*辐射强度阈值不断降低,火焰主反应区面积减小且向下游移动,当量比增加到1.0附近时,理论上柴油完全燃烧,CH*辐射强度显著降低,贫燃火焰的CH*辐射强度及分布区域几乎稳定不变。利用CH*辐射强度值判定火焰举升长度,对于单喷嘴射流火焰,火焰举升长度随当量比的增加经历了显著增加后小幅下降的过程。相同当量比时两喷嘴撞击火焰CH*辐射强度峰值始终高于单喷嘴射流火焰对应值;火焰举升长度随当量比的增加小幅增加。火焰撞击的约束作用使得火焰举升长度不易随着当量比变化发生较大波动,燃烧更加稳定。这为定量判断火焰燃烧状态提供了一种直观、有效的方法,同时为柴油燃烧的化学动力学研究提供了实验依据。     

微尺度扩散火焰特性的数值解析

本文以均匀空气流中圆管形成的甲烷射流扩散火焰为对象,用数值解析的方法研究了微尺度扩散火焰的火焰结构和燃烧特性。燃烧反应采用甲烷/空气一步总包反应,喷管壁面采用绝热条件。在Re一定情况下,改变喷口尺寸和喷口流速考察了微扩散火焰的结构和火焰熄灭的尺度效应。数值结果表明,随着喷口直径的增大,微火焰的上方出现回流; Re=12条件下,在喷口直径=0.07 mm时存在熄灭极限;稳定燃烧区的最小发热率约为0.5 W;微尺度条件下,Da数对火焰结构和火焰的熄灭有一定的影响。     

引射式甲醇燃烧器大负荷变动自适应配风特性

针对最优结构的甲醇混合燃料引射式燃烧器,完成了大范围负荷变动下自适应配风特性实验研究,获得了燃烧器的实际配风特性及燃烧特性,并验证了数值研究结果.结果表明:最佳结构的甲醇混合燃料引射式燃烧器可实现大范围负荷变动下燃烧器的自适应配风,且燃烧稳定.当燃烧器负荷从25%~120%变化时,摩尔引射系数随着燃烧器的负荷增加而少量减小,引射系数变化率为6.3%,燃烧效率能保持在99.2%以上。当燃烧器负荷小于40%时,燃烧温度随着燃烧器的负荷增加而增加,当负荷大于40%时,燃烧火焰温度基本稳定在1650 K。     

微小燃烧器燃烧特性研究

微燃烧器中燃料的可靠点火与稳定燃烧是实现微动力系统正常工作的前提。本文进行了两种微小燃烧器的设计与燃烧实验。结果表明,通过在微小燃烧器内添加钢丝网,使两种小型燃烧器均获得了较宽的可燃范围。通过对微小燃烧器流场的数值分析,发现在微小尺度燃烧中,流场的均匀性对燃烧温度有重要的作用;在微小空间内添加钢丝网能够改善流场,拓展可燃范围。另外,钢丝网在高温下也能起到值班火焰的作用,对火焰稳定起到积极作用。     

不同管径的Y形微燃烧器内氢气-空气非预混燃烧的火焰传播特性

实验研究了内径分别为1 mm、2 mm和3 mm,水平通道长度为200 mm的Y形微燃烧器内氢气/空气扩散燃烧的火焰传播特性。首先,d=2 mm的燃烧器内的火焰传播模式最为丰富。其次,当燃烧器管径较大时,火焰更容易因扰动而发出噪音。在d=2和3 mm的燃烧器内能观察到两个阶段的噪音,而当d=1 mm时只有一个阶段的噪音。d=2 mm的燃烧器内平均火焰传播速度最小。而且,随着管径的增大,边界火焰更长。值得注意的是,在d=1 mm的燃烧器内,实验观察到了移动的"火焰街"。最后,基于系统的实验观察绘制了八种火焰传播模式的分布图。总之,本文不仅揭示了火焰传播特性与运行参数和尺度效应之间的关系,而且能为Y形微燃烧器的设计和运行提供指导。     

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。     

甲醇-空气和甲醇-空气-稀释气预混层流燃烧特性

本文利用定容燃烧弹研究了不同初始压力、初始温度、气体稀释度和燃空当量比下甲醇-空气-稀释气预混层流燃烧特性.结果表明:对于给定初始压力和温度,甲醇-空气预混合气的质量燃烧率、燃烧压力和温度的最大值均出现在当量比1.左右,而火焰发展期和燃烧期在此当量比下最短.火焰发展期、燃烧期和燃烧压力峰值随初始温度的增加而减小,最高燃烧温度随初始温度的增加而增加,燃烧压力峰值和最高燃烧温度随初始压力的增加而增加.火焰发展期和燃烧期随稀释度的增加而增加,而燃烧压力峰值和最高燃烧温度随稀释度的增加而降低.