高比例氢气对受限空间旋流钝体火焰结构的影响

氢是非常有潜力的清洁能源载体,富氢燃料燃烧是降低碳排放的可行方式.燃料掺氢会使火焰结构发生明显改变,进而会影响燃烧过程的排放特性与稳定性.然而,氢气掺混对旋流钝体火焰结构影响机理还不甚明确,高掺氢比下火焰结构特征的研究尚且不足.本文基于预混CH4/H2旋流钝体火焰,对宽广掺氢比范围内(0％～80％)的火焰多场信息进行了...     

湿空气扩散燃烧火焰结构特性研究

利用二维粒子成像速度仪(PIV)对钝体燃烧器中的甲烷／湿空气扩散燃烧的速度场进行测量,考察其火焰的结构特性及其内部流动状况。通过对湿空气燃烧流场与普通燃烧流场的对比分析表明,湿空气燃烧情况下,两种燃烧状态的火焰(回流燃烧火焰和中心射流主导火焰)相互转换的燃空速度比(γ)值要比普通燃烧的小;湿空气燃烧使得喷嘴后的同流空气的速度降低,空气的回流作用减弱,燃料更容易冲出回流区,火焰的稳定性能变差。     

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.     

甲烷湍流射流火焰锋面结构的激光PLIF测量

利用OH-PLIF技术,研究了甲烷空气预混射流火焰,在不同出口雷诺数下,不同氮气稀释比例下火焰OH自由基的二维分布以及火焰的前锋面结构特性,以此实现对柔和燃烧的基础特性研究。实验结果显示,在获得大量氮气稀释后,预混火焰的OH浓度峰值减少了30%以上,并且整个燃烧反应明显延迟,但火焰面面密度没有发生明显变化。同时发现,改变出口雷诺数对火焰OH浓度影响较小,但是增加出口雷诺数可以扩大燃烧反应区。     

超音速氢气燃烧火焰结构特性的直接数值模拟

在课题组前期工作的基础上,对一马赫数为1.2的三维超音速氢气射流抬升火焰进行了直接数值模拟研究,其中空间离散采用波带优化的四阶WENO格式,时间积分采用带有TVD性质的三步三阶龙格库塔格式,边界条件采用了无反射特征边界条件,总的计算网格数达到9.75亿。结果表明:超音速射流氢气燃烧火焰可分为根部层流状的高温高热量释放率稳燃区、高度褶皱的湍流剧烈混合区和远场燃烧区。火焰自燃稳燃点出现在喷口附近的x/D=0.86处,对应着最易反应混合分数。在此下游,预混燃烧和扩散燃烧两种模式同时存在,其中在剧烈混合区和远场区火焰以扩散燃烧为主,但在火焰根部的局部区域预混燃烧热量释放率达到35%左右。     

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。     

网格湍流对剪切层中预混火焰结构的影响

本文研究网格湍流对射流剪切层以及建立在其中的预混火焰的影响。利用热线风速仪测量射流的速度场,发现网格湍流使剪切层内湍流强度明显降低,抑制了低频速度脉动,同时增加了湍动能在小尺度脉动上的分配,使湍流更趋于各向同性,这表明网格湍流抑制了剪切层内的大涡和拟序结构。用细丝热电偶测量了火焰温度,结果显示网格湍流使火焰前峰的低频大幅摆动减少,小尺度皱褶增加,火焰区平均温度更高,说明网格湍流有利于剪切层中预混火焰的强化和稳定。     

燃烧状态及煤粉粒径对火焰光谱的影响

本文利用CCD光纤光谱仪,对不同燃烧状态下的煤粉火焰光谱进行测量。发现通过光谱法测得的火焰温度和使用热电偶测得的火焰温度存在一定的偏差。光谱法的温度较热电偶的温度高100-700℃,燃烧条件变差时热电偶的温度下降,光谱法的温度升高,两者偏差增大,光谱法温度的波动范围增加。随着一次风煤粉浓度下降, K的发射谱线强度下降。相同燃烧条件下,煤粉细度提高使得光谱法测得的温度下降,温度波动加剧。     

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...     

蒸发模型对乙醇湍流射流火焰模拟影响研究

航空发动机燃烧室高精度数值模拟需要合理的蒸发模型,目前蒸发模型对两相湍流燃烧模拟的影响定量研究不足。乙醇较其他燃料蒸发潜热大,对蒸发模型敏感。文章采用LES求解湍流、TPDF解决湍流和化学反应的相互作用,研究AbramzonSirignano(A-S)蒸发模型、Spalding蒸发模型和厚交换层(NC-TEL)蒸发模型对高雷诺数乙醇两相湍流射流火焰的数值模拟结果并与实验数据对比。定量分析不同蒸发模型对温度、混合物分数及液相分布等的规律性影响发现,A-S蒸发模型在射流中心区域与实验数据拟合较好,在其它区域表现欠佳;Spalding模型在x/d=10截面上模拟结果良好;NC-TEL蒸发模型在x/d>10截面及远离射流中心方向上的模拟结果表现最好。与其他模型相比,NC-TEL蒸发模型在液相速度上与实验数据相差最大为21.9%,表现最好。     

Detailed measurements of local scalar front structures in stagnation-type turbulent premixed flames

Local scalar front structures of OH mole fraction, reaction progress variable, and its three-dimensional gradient have been measured in stagnation-type turbulent premixed flames. The reaction progress variable front is observed to change with increasing turbulence from parallel iso-scalar contours but reduced progress variable gradients, called the lamella-like front, to disrupted non-parallel iso-contours that deviate substantially from those of wrinkled laminar flamelets, called the non-flamelet front. This transition is attributed to the different scales of interaction between the flame internal structure and a spectrum of turbulence extending from the integral scale to the Kolmogorov scale. The lamella-like front pattern occurs when the length scales of interaction are smaller than the laminar flame thickness but the time scales are greater than the flame residence time. The non-flamelet front pattern occurs when the length scales of interaction are greater than the laminar flame thickness but the time scales are smaller than the flame residence time. This difference corresponds to the change of combustion regime from complex-strain flame front to turbulent flame front on a revised regime diagram. A correlation is also proposed for the turbulent flame brush thickness as a function of turbulent Reynolds number and heat release parameter. The heat release parameter is considered to arise from the non-passive effects of flame-surface wrinkling.     

对冲火焰流场的二维分布对层流火焰传播速度测量的影响

在φ=0.6～0.75的条件下,利用PⅣ测得对冲火焰的二维速度场,分析使用偏移中心线一定距离提取的轴线速度分布曲线所得到的层流火焰传播速度SOL与沿中心线提取的速度分布曲线得到的SOL之间的误差大小.实验结果表明,在弱火焰时对冲火焰速度场具有明显的二维效应.φ=0.6,偏离中心轴线5 mm时,相对误差达到33%;而φ=...     

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。     

Effects of subgrid scale and combustion modelling on flame structure of a turbulent premixed flame within LES and tabulated chemistry framework

The effects of combustion and SubGrid Scale (SGS) modelling on the overall flame characteristics of a turbulent premixed flame are investigated. This is achieved in terms of mean flow statistics, variances and flame surfaces. In particular, the chemical flame structure is analysed and compared. The Artificially Thickened Flame (ATF) approach coupled with the Flamelet Generated Manifolds (FGMs) and Filtered TAbulated Chemistry for LES (F-TACLES) approaches are used for this investigation. A Germano like procedure for dynamical calculation of SGS wrinkling is used which ensures the conservation of the total flame surface for both models. It turns out that using the dynamic SGS wrinkling model improves the results. Although the results of both combustion models in terms of statistics, mean and variances show very good agreement, the resolved flame surfaces hide different dynamic behaviour.     

壁面反应对微小通道内燃烧影响的数值模拟

对微小通道内氢气／空气预混火焰进行了数值模拟。通过对比考虑壁面反应和不考虑壁面反应的微通道内燃烧特性的差异,考察了壁面反应对微通道内燃烧状况的影响,揭示了壁面附近自由基行为和壁面反应、气相反应的相互关系,并探讨了不同尺度下壁面反应效应的程度。结果表明,壁面反应改变了微火焰结构,近壁面附近的自由基被吸附,在径向上出现了明...     

CH4掺混对高压H2泄漏自燃的抑制机制研究

本文采用高阶离散格式和详细动力学模型模拟了高压CH₄/H₂泄漏自燃过程。结果表明高压H₂泄漏自燃具有以下特性:H₂/空气间高压差会产生稀疏波、激波和燃料/空气接触断面等流动特征;高压H₂射流前端的空气温度在0.5μs内可升至1000 K以上;泄漏着火起始于贫燃区;着火后,H₂/空气扩散层内部存在多个火焰区域。对比不同混合水平下CH₄/H₂的泄漏自燃过程则发现,CH₄的加入极大地提升了高压储氢安全性。CH₄掺混抑制泄漏自燃的机制体现在三个方面:致使压缩空气的温升下降;降低燃料整体活性,尤其是H自由基的积累速率减缓;降低火焰锋面处的达姆科勒数,加剧自由基运输损失。本研究表明,向高压H₂中掺混高摩尔质量、低化学活性的其他气体是降低自燃风险的一种有效手段。     

Effects of gas compressibility on the dynamics of premixed flames in long narrow adiabatic channels

We examine the dynamics of premixed flames in long, narrow, adiabatic channels focusing, in particular, on the effects of gas compressibility on the propagation. Recognising the importance of the boundary conditions, we examine and compare three cases: flame propagation in channels open at both ends, where the pressure must adjust to the ambient pressure at both ends and the expanding gas is allowed to leave the channel freely, and flame propagation in channels that remain closed at one of the two ends, where the burned/unburned gas remains trapped between the flame and one of the two walls. Earlier studies have shown that a flame accelerates when travelling down a narrow channel as a result of the combined effects of wall friction and thermal expansion. In the present work we show that compressibility effects enhance the transition to fast accelerating flames in channels open at both ends and in channels closed at the ignition end. In both situations, the accelerating flames could reach values that, depending on the effective Mach number, are as large as fifty times the laminar flame speed. In contrast, when the channel is closed at the far end, the acceleration is limited and the propagation speed is damped as the flame approaches the far boundary. Moreover, we show that, in channels closed at their ignition end, the flame in sufficiently long channels evolves into a steadily propagating compression-driven flame. The propagation speed of these flames depends exponentially on the constant-volume equilibrium temperature, which is higher than the (constant pressure) adiabatic flame temperature, and is therefore larger than for ordinary isobaric flames. Fast propagating compression waves cannot emerge in channels that remain open at their ignition end because of the reduced pressure forced by the open boundary.     

太赫兹波段火焰碳黑的光学特性研究

火焰碳黑是碳氢燃料不完全燃烧的重要固体产物,对于一些污染物的生成具有重要影响,其光学特性是光学燃烧诊断的基础。利用太赫兹时域光谱技术研究了0.2～1.6 THz火焰碳黑的光学特性,通过傅里叶变换得到了碳黑的频域光谱,利用定点迭代法获得了太赫兹波段火焰碳黑的复折射率,把太赫兹波段的复折射率与热辐射波段的复折射率进行了比较,此外还对比了两种光学参数提取方法所得到的结果,结果表明,碳黑在太赫兹波段的吸收性较强,其折射率在太赫兹波段与在热辐射波段的差别不是很大,而吸收率在热辐射波段变化更大一些,两种参数提取方法得到的复折射率差别不是很大,研究结果可为太赫兹波技术应用于光学燃烧诊断提供基础性数据,扩展了光学燃烧诊断应用的范围。     

压力下替位氢对金属锂能带结构的影响

 利用第一原理的平面波-赝势密度泛函方法,研究了零温下体心立方（bcc）金属锂由于氢的替位掺杂和外界压力的改变所引起的电子结构变化。结果表明：掺杂体系仍然呈金属性,但是由于氢原子俘获了一个金属自由电子,具有了离子属性,使得费米面以下出现了孤立能带和带隙,最低金属价带偏离了自由电子带,形成鞍型带底,其它价带和导带均出现不同程度的简并解除和带型畸变。在压力的作用下,带隙加宽,费米面下的孤立带趋向于一条直线,成为一条能级。     

卟啉内氢迁移反应氟取代基效应的理论研究

采用B3LYP/6-31G**的方法在Gaussian03程序下对卟吩(PH2)、m-四氟卟啉(m-TFPH2)、β-八氟卟啉(β-OFPH2)和m-四氟,β-八氟卟啉(12FPH2)的结构进行几何优化,并进行振动分析.计算并讨论了PH2、m-TFPH2、β-OFPH2和12FPH2在内氢迁移反应中的反应物、产物、中间体、过渡态及二级鞍点的结构与能量.通过对结构和能量的比较,发现各物质内氢迁移反应均以异步历程进行,可见取代基对卟啉内氢迁移反应的历程选择没有影响.但取代基会影响同步历程和异步历程之间的速率差异.另外,氟取代基使得内氢迁移反应的异步历程的正负反应速率有所减小,起决定性作用的是取代基的电子效应,这些与化学直观也是相一致的.