异十六烷和十氢萘的非预混火焰熄灭特性的实验研究

在常压和初始温度443 K的条件下,使用对冲火焰技术实验研究了异十六烷和十氢萘非预混火焰的熄灭特性,测得其熄灭极限K_(ext),并与正十六烷/氮气的K_(ext)进行了对比。实验结果表明,随着燃料侧燃料质量分数的增加,异十六烷/氮气和十氢萘/氮气的K_(ext)增大,异十六烷/氮气的K_(ext)低于相同燃料浓度的正十六烷/氮气的K_(ext),分析表明,这主要是由于异十六烷在氧化过程中产生了稳定不易分解的产物所致。     

二甲醚/氧气/氩气低压层流预混燃烧研究

利用同步辐射真空紫外单光子电离结合分子束质谱技术,对当量比φ=1.5的低压预混层流二甲醚火焰进行了实验研究。通过测量光电离质谱和光电离效率曲线,探测到了二甲醚/氧气/氩气的燃烧产物和火焰中间物,包括不稳定的分子和自由基。通过测量离子信号的空间分布曲线,计算了二甲醚/氧气/氩气火焰的主要物种C_2H_6O、O_2、Ar、H_2、H_2O、CO和CO_2的摩尔分数曲线,以及主要中间物种如CH_2O、C_2H_2、C_2H_4、CH_3OH、C_2H_2O、C_2H_4O、CH_3、CH_4、HCO、C_3H_3和C_3H_4的摩尔分数曲线,并分析了主要中间物种的产生和消耗过程。     

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。     

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。     

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。     

CH_4/H_2/CO_2/O_2平面火焰细胞状不稳定性研究

本文采用OH-PLIF探测系统对在McKenna平面火焰炉上产生CH_4/H_2/CO_2/O_2细胞状火焰进行了定量测量和分析。研究发现,平面火焰在稀燃极限附近会出现胞状结构,细胞数量随当量比/掺氢比的增加而增加,主要是由火焰自身不稳定性导致。同时我们通过OH-PLIF图片定量提取并定义了相关参数以表征平面火焰的不稳定程度,并发现随着火焰悬浮距离的减少火焰趋向于稳定,火焰对炉面的热损失有抑制不稳性发生的作用。通过线性理论分析,我们发现RS模型能够很好预测火焰稳定性随当量比变化趋势,但无法预测随掺氢比的变化趋势。在掺氢状态下,火焰面离炉面更近,炉面对火焰不稳定性的抑制作用不可忽视,故理论模型对掺氢影响的预测失效。     

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。     

稀释H2/CO混合气与空气对撞燃烧的数值研究

采用多组分混合物中扩散速度表达式并考虑Soret效应,在物理空间求解同时加入了多种稀释成分(CO2,H2O,N2)的H2/CO混合气与空气对撞燃烧形成的非预混火焰;考察了稀释成分加入与否以及稀释成分浓度的调整对于火焰结构以及相应熄火拉伸率产生的影响.结合数值计算中采用的化学反应机理,从稀释给H2/CO混合气所带来的物理...     

湍流预混火焰点火与传播特性研究

可燃预混气的点火与传播过程是发动机燃烧领域最重要的课题之一,尤其是湍流与化学反应的相互作用对预混气点火和火焰传播的影响机理有待进一步研究。本文利用定压球形火焰研究了氢气/氧气/氩气(Le1)在可燃极限条件(当量比0.3)下湍流对点火与火焰传播过程的影响,研究表明,在该工况下,湍流有助于可燃气点火过程,火焰传播过程中,由于湍流的影响,局部拉伸率大于0的区域火焰传播增快,局部拉伸率小于0的区域火焰传播受到抑制,甚至出现局部熄火。     

不同燃烧当量比对二甲醚燃烧的影响研究

利用分子束质谱结合真空紫外同步辐射光电离技术研究了低压层流预混二甲醚/氧气/氩气火焰.通过测量火焰物种的离子信号强度随燃烧炉位置的关系曲线,计算了主要火焰物种的摩尔分数曲线.分析了燃料当量比(φ)为0.8,1.0和1.5时主要火焰物种的摩尔分数曲线,阐述了燃烧当量比对低压层流预混二甲醚/氧气/氩气火焰化学结构的影响.研究为进一步认识二甲醚燃烧提供了实验数据.     

层流拉伸非预混火焰影响因素的数值研究

采用简化机理(19个基元反应,14种组分)和半详细机理(79个基元反应,32种组分)对层流拉伸非预混火焰的结构进行了数值模拟,通过与实验数据的对比发现:在由当量混合的标量耗散率表征的火焰拉伸一定时,考虑不同分子扩散系数和不同的化学反应机理均对火焰面结构的准确模拟有着重要影响.此外计算了考虑热辐射时,随着当量混合的标量耗散率的改变而变化的每单位火焰面面积放热速率和燃烧场的最高温度,并分析了层流非预混火焰的熄火现象.     

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。     

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。     

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。     

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。     

准二维狭缝ODPP/OESC的研究分析

针对准二维狭缝燃烧系统,进行了扩散燃烧、预混燃烧、空气部分预混燃烧以及稀氧部分预混/富氧补燃(ODPP/OESC)等燃烧技术的排放特性对比;并进行了稀氧部分预混/富氧补燃技术中不同预混氧浓度、不同补燃氧浓度、不同预混当量比以及不同补燃位置火焰的燃烧特性以及污染物的生成特性的对比分析。研究结果表明,ODPP/OESC的燃烧工艺,能够有效地实现燃烧过程中高效率和低排放的双优化,随着预混当量比的增大以及后期补燃位置的增大,快速型NO_x生成比重明显增大。     

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^*     

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...     

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。     

层流预混火焰PAHs形成的反应机理模型

本文着重讨论层流预混火焰中,碳黑的先驱多环芳烃(PAHs)形成的化学反应动力学机理。该机理包括101种组分、546个基元反应。通过与实验结果的比较表明,该模型能够较好地预报碳氢燃料预混火焰中PAHs的生成过程。计算结果还表明当量比和压力PAHs的生成与排放具有重要影响,且存在一个化学当量比,在此当量比下,PAHs的浓度达到极大值。