甲烷预混燃烧火焰的详细数值模拟

将六步简化甲烷燃烧反应模型与层流Ｎ－Ｓ方程相结合，数值模拟了定常与非定常的甲烷预混燃烧火焰．得到了速度、温度和包括ＣＯ和ＮＯ在内的十种组份的浓度分布；预测了进气流量脉动时的燃烧流场特性．该模型及其计算软件可较推确地模拟化学反应动力学起主导作用的甲烷预混燃烧现象，为研究燃烧过程特性，发展高效低污染燃烧技术与设备提供了有力的数值研究工具．     

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.     

甲烷-空气湍流预混V形火焰特性的数值模拟

应用RNG K-ε湍流模型和EBU-Arrhenius燃烧速率模型,模拟了湍流预混V形火焰的起燃过程。数值模拟首先得出了圆柱形稳定杆后的卡门涡街,并进一步给出了火焰锋面在传播中的特征。在火焰点燃的初期,火焰的形状受到稳定杆尾流的卡门涡街的很大影响。随着火焰向前传播,涡街渐渐消失。火焰锋面的传播过程与差分干涉方法得到的实验测量值吻合较好。     

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^*     

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。     

基于AdapChem方法的甲烷预混和非预混燃烧数值计算

采用自适应化学理论AdapChem的方法对两种CH4/空气部分预混、非预混火焰的燃烧过程开展了数值模拟工作.计算得到了两种燃烧工况下,几种重要的主量成分、非主量成分的浓度值;同时对反应放热和HCO之间的潜在关系进行了分析.通过对两种工况下模拟结果的比较,AdapChem方法合理预报了甲烷预混和非预混燃烧过程的各种物理化学特性,并达到了节约计算时间的目的.     

非平衡等离子体对脉动丙烷预混火焰的影响

通过将介质阻挡放电应用于燃烧增强,实验研究了非平衡等离子体对于入流脉动条件下丙烷预混火焰的影响。通过本生灯法测定火焰速度,通过气相色谱分析确定丙烷燃料经非平衡等离子体作用后的组分并计算物性,重点研究了不同限流速度、脉动幅度以及平均流速下等离子体对吹熄极限的影响。实验结果表明,非平衡等离子体使丙烷预先裂解,提高火焰速度,并在一定区间内优化吹熄特性,增强燃烧稳定性。     

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。     

旋流非预混燃烧火焰流动特性的实验研究

利用粒子图像速度场测量技术(PIV)对不同工况下的旋流非预混燃烧流场进行了测量,考察不同燃空速度比下旋流火焰的流动特性.结果表明,轴向截面上径向平均速度流场以燃烧器轴线呈中心对称,轴向平均速度、轴向脉动速度和径向脉动速度沿燃烧器轴线成对称分布,且轴向平均速度和轴向脉动速度的最大值出现在轴线处.随燃空速度比的增大,轴向平均速度和脉动速度增大,随着与燃烧器表面的距离增加,流场截面上轴向平均速度和脉动速度差异不断减小.     

甲醇对正庚烷层流预混火焰影响的实验研究

利用低压层流预混火焰结合同步辐射真空紫外光电离技术和分子束取样质谱技术,探测到并计算了甲醇摩尔掺混比为0%、11%、28%和50%的甲醇/正庚烷/氧气/氩气火焰中62种燃烧中间产物和最终产物的摩尔分数.结果发现,甲醇的加入对正庚烷的消耗速率和大分子裂解没有影响,其主要作用表现在对C1和C2小分子摩尔分数的影响.甲醇的氧...     

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。     

Electron Temperature Measurement in a Premixed Flat Flame Using the Double Probe Method

The electron temperatures T_e were measured using a double probe in a premixed methane flame produced by a calibration burner according to Hartung et al. The experiment was performed at atmospheric pressure. In contrast to other authors, we have managed to find typical nonlinearities corresponding to the retarding electron current region and to calculate electron temperatures using a suitable fit on the basis of the measured characteristics. A Pt‐Rh thermocouple was used to measure temperatures T_h corresponding to “heavy” species. Our results indicate that the flame plasma can be considered to be weakly non‐isothermic — T_e = (2400–4000) K, T_h = (1400–1600) K. On the basis of measurement of the saturated ion current, the number density of the charged particles was estimated at (0.3–3.8) · 10¹⁷ m^‐3. The trends in T_e and T_h in dependence on the positions of the probes and thermocouple in the flame differ substantially; this fact has not yet been explained (© 2012 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

甲烷-空气预混火焰中OH∗,CH∗发光的定量测量及模拟

基于燃烧化学自发光的诊断技术对发动机诊断、监控有重要意义.针对碳氢燃料燃烧中OH*,CH*激发态物质的生成机理,及其与释热率、当量比的关系进行了实验与模拟探究.首先,利用提出的辐射标定手段对当量比0.7~1.33范围内甲烷-空气预混火焰进行了化学发光量化测量,通过波长分辨的光学收集系统,同时获得各发光组分的浓度,具有很强的便利性.然后采用一维燃烧反应模拟,对与实验工况相同条件下的发光辐射进行定量计算,并对比了释热分布与激发态物质（OH*,CH*,C₂*,CO₂*）的相互关系,计算结果表明,在甲烷-空气层流火焰中,OH*,CH*最合适标识释热率,C₂*次之,CO₂*与释热率分布几乎无相关性.通过实验与计算的对比结果,分析了现有OH*,CH*的各反应通道和常数的准确度,并评估了两自发光组分的主要生成反应路径.      

对当量为1的预混乙烯/氧气/氩气火焰的实验研究

利用可调谐同步辐射真空紫外光电离和分子束质谱技术研究了当量为1的低压、预混乙烯/氧气/氩气火焰．利用光电离效率谱和光电离质谱,探测了火焰中燃烧中间物,并鉴别了C3H4、C2H4O和C4H4等中间物的同分异构体．在近电离阈值光予能量下,通过扫描燃烧炉的位置测量了火焰中物质的摩尔分数曲线,并利用Pt/Pt-13％Rh热电偶测得了火焰的温度曲线．与以前的工作相比,观察到很多新的燃烧中间物,如C3H2、C3H3、C3H5、C2H6O、C4H2、C4H4、C4H6、C3H4O、C3H6O、C3H8O、C5H6、C4H8O和C7H8等．同时,在火焰中检测到了包括CH3、C2H3、C2H5、HCO、C3H3以及C3H5在内的一系列自由基．在实验工作的基础上,发展了一个包含40种火焰物质和223个基元反应的简化动力学模型来对火焰进行模拟．对主要物质和大部分中间产物的拟合结果与实验值相当吻合．     

Determination of Soot Particle Size in a Premixed Flame: a Static and Dynamic Light Scattering Study

In this contribution we report upon our static and dynamic light scattering experiments to characterize soot particles in flames. We studied sooting laminar premixed flame with acetylene as fuel mixed with air as oxidizer. The air equivalence ratio of the combustion was larger than one. We used a Kaskan type burner with circular geometry and a stabilizing flow of nitrogen around the flame. We focused on the determination of the size of the soot particles in the center of the flame as a function of height above burner. In addition we investigated the influence of the mixing ratio of the gases on the size of the particles. Our results show that static light scattering is better suited than dynamic light scattering for a fast and reliable characterization of soot particles in flames. The latter needs detailed a priori information about the flame to allow the unique determination of sizes from the diffusion measurements. The soot particles grow monotonously with height above burner and with decreasing air equivalence ratio. The aggregates have a fractal dimension lower than two.     

Investigation of flame structure and burning intensity of partially premixed methane enrichment of syngas using OH-PLIF and kinetic simulation

Various experiments were conducted to study the combustion characteristics of partially premixed methane enrichment of syngas by using the OH-PLIF technique. Experiments were conducted on a co-flow burner, and the methane concentration (X_CH4 = CH₄/(H₂+CO+CH₄)) was varied from 0 to 20%, the overall equivalence ratio was varied from 0.4 to 1.2 and the inner equivalence ratio was varied from 1.5 to 3.5. Kinetic simulation was conducted by using OPPDIF module of CHEMKIN-Pro software. Results show that an increase in X_CH4 and ?_overall weakens the OH signal intensity. Adding methane into the fuel greatly increases the height of the inner flame front, and the increase of methane concentration has a negative effect on flame propagation speed. Meanwhile, simulation results remain consistent with the experiments. The main OH radical production reaction changes from R46: H+HO₂ = 2OH to R38: H+O₂ = O+OH when methane concentration contained in the fuel mixture increases. Sensitivity analysis also indicates that reaction which plays a dominant effect on temperature changes with the increase of methane concentration.     

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。