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。     

滑动弧辅助甲烷/氨旋流火焰的稳燃和排放特性

本文针对滑动弧等离子体辅助下的甲烷/氨气/空气预混旋流火焰,研究了其燃烧稳定性以及NO_x排放特性。研究结果表明,滑动弧不仅能够大幅拓展甲烷/氨气/空气预混旋流火焰的贫燃吹熄极限(在开放空间和受限空间中,贫燃吹熄极限分别从0.60～0.80拓宽到0.30),同时能够降低NO_x排放量。随后,通过NH₂^*化学自发光的光学测量,分析了滑动弧等离子体降低NO_x排放的可能机理。     

非预混旋流火焰中部熄火及重新稳燃机理研究

本文利用5 kHz同步PIV/OH-PLIF实验装置,结合大涡模拟(LES)耦合PDF燃烧模型,系统研究燃料中心喷射下非预混旋流火焰中部熄火及再次稳燃机理,对比了两种旋流器出口结构的影响.结果 表明,LES-PDF模型可以准确地捕捉到旋流流场分布及火焰形态,包括中部熄火及火焰重新稳定.相比于直燃道的结构,扩张燃道的存在引导了更宽的回流区,改善了中部熄火现象,两种结构对其下游的主火焰再次稳燃高度影响不大.中央燃气射流带来的高标量耗散率使得热损失变大,从而引起中部熄火.同时进一步促进了CH4与空气的预先混合及部分反应前置物(CH2O),为非预混旋流火焰在下游重新稳燃提供了有利条件.通过对火焰再次稳燃处OH反应项及扩散项的分析,发现反应项占据主导地位,部分预混火焰传播为再次稳燃的主要机理.     

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。     

非平衡等离子体助燃低热值气体燃料

本文用介质阻挡放电(DBD)产生的非平衡等离子体助燃低热值气体燃料的燃烧,达到保证燃烧室可靠点火和稳定燃烧的目的。研究表明:等离子体点火的性能比传统的电火花点火的性能显著增强,能够在极低的氢含量和当量比下可靠地点燃火焰。同时,在等离子体助燃的情况下,火焰传播速度增大,稀态熄火极限有所拓宽,在低当量比下的燃烧效率也有较大提升,燃烧室的燃烧稳定性更好。     

双模式放电中DBD放电参数对甲烷滑动弧火焰光谱及活性粒子的影响分析

对未燃烧的可燃混合气体进行DBD放电,放电后会产生大量的活性粒子,这些活性粒子可以辅助气体燃烧,达到提高燃料燃烧利用率等目的。以DBD激励氩气、甲烷、空气产生的自由基（CH基和OH基）等强化燃烧的关键活性粒子为探索对象,研究DBD放电激励甲烷对滑动弧火焰的影响。为此,采用自主设计的DBD-滑动弧双模式等离子体激励器,利用同轴介质阻挡放电结构对氩气、甲烷、空气混合气进行放电激励,将激励后的氩气、甲烷、空气混合气通入滑动弧端进行点火。固定氩气流量不变,调整空气流量为4.76 L·min-1,并加入甲烷0.5 L·min-1,保证进气通道内氩气与空气-甲烷的气体体积流量比达到Ar∶（CH₄+Air）=1∶30,其中空气、甲烷这两种气体达到了化学燃烧当量比φ=1,氩气、甲烷、甲烷混合气体能实现均匀而稳定的放电并燃烧。DBD段放电电压在15～20 kV范围变化,放电频率在6～10 kHz范围变化,滑动弧段的电压和频率分别保持4 kV与10 kHz恒定,通过改变DBD段放电电压和放电频率,用高速光纤光谱仪检测滑动弧火焰中自由基种类及其光谱强度,分析放电参数激励甲烷对火焰中自由基（CH基和OH基）的影响。结果表明,DBD段放电电压及放电频率的增加可以促进火焰内部的偶联反应发生,可有效提升甲烷滑动弧火焰内部的活性粒子含量,其中OH基团、CH基团在燃烧链式化学反应进程中发挥着较为重要的作用。甲烷经过DBD激励后,随放电电压和频率的增加,火焰中OH基、CH基等主要活性粒子都随之增加。DBD放电后,活性粒子的光谱强度增大,特征谱线比单模式更加明显;甲烷经过DBD激励后,火焰组成发生了变化,滑动弧段出口处甲烷燃烧反应更加充分,火焰温度越高越容易产生OH基。与单模式滑动弧相比,双模式放电可有效促进火焰内部的链式化学反应进程,促进燃料燃烧。     

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。     

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。     

介质阻挡体放电对甲烷扩散火焰特性的影响

本文在高频交流激励模式下,采用同轴圆柱构型激励器,开展了介质阻挡体放电对空气/甲烷同轴剪切扩散火焰燃烧特性影响实验研究。激励器敷设在外喷嘴环缝以电离空气,采用纹影系统和B型热电偶分别获取流场形态和火焰温度,激励频率为8 kHz,通过改变气体流量和放电电压,分析了不同工况下射流流场、火焰结构和火焰温度在等离子体作用下的变化规律。结果表明:等离子体气动效应能有效增强射流湍流强度,强化空气/甲烷掺混,增大射流角,并随激励电压提高作用效果逐渐增强,实验中未形成明显扩张流动的初始射流在放电电压30 kV时其射流角最大为23.5°。贫燃条件下等离子体激励会改善火焰形态,增强燃烧稳定性,并在流量较低时缩短火焰长度。此外,富燃火焰下游温度会随着激励强度增大不断升高,而贫燃火焰下游温度变化受上游燃烧强度影响存在升高和降低两种情况。     

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。     

较高当量比氢气空气预混合气的燃烧特性研究

利用纹影法,在定容燃烧弹中研究了较高当量比和不同初始压力下氢气空气预混合气的燃烧特性,分析了两参数对其燃烧特性的影响。试验结果表明,本实验条件下的氢气空气预混合物燃烧过程中,主火焰两侧出现挤流火焰,且挤流火焰的传播明显快于主火焰;根据出现挤流火焰与否、两侧挤流火焰相遇与否、实验时的热力参数、燃料浓度等条件,燃烧过程可分为四个阶段;在本文的实验条件下随着当量比增加,挤流火焰燃烧速度加快,其倾向于自燃时的多点燃烧;随着初始压力降低,挤流火焰逐渐出现在主火焰层流燃烧阶段。     

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%.     

甲烷/氧气层流同轴射流扩散火焰OH*自由基的数值研究

OH*自由基是火焰中主要的激发态自由基之一,它所产生的化学发光可用于描述火焰的结构、拉伸率、氧燃当量比和热释放速率等特征信息,因此被广泛应用于火焰燃烧状态的在线诊断。以甲烷/氧气层流同轴射流扩散火焰作为研究对象,采用GRI-Mech 3.0机理结合OH*自由基生成和淬灭反应进行数值计算,对OH*自由基的二维分布特性进行研究,分析不同区域内OH*自由基的生成路径,并探讨不同氧燃当量比例和不同喷嘴出口尺寸对OH*自由基强度和分布特性的影响。模拟结果与实验研究基本吻合,表明计算模型能够准确描述火焰中OH*自由基的二维分布。结果表明：在甲烷/氧气层流同轴射流扩散火焰中,OH*自由基存在两种不同形态的分布区域,分别由反应CH+O₂=OH*+CO和H+O+M=OH*+M生成;随着氧燃当量比提高,OH*自由基的分布区域逐渐向火焰下游扩张,根据其分布形态的变化可以对火焰燃烧状况进行判断;如果OH*自由基仅分布于火焰的上游区域且呈断开形态,则说明火焰处于贫氧燃烧状态。如果OH*分布呈环状形态,则说明火焰处于富氧燃烧状态;相同氧气流量条件下,缩小喷嘴出口的环隙尺寸有助于加强燃料和氧气的化学反应程度,从而使火焰中OH*自由基的摩尔分数显著提高,增强OH*化学发光的辐射强度,提高火焰光谱诊断的准确性。     

大加速度场中熄火试验的研究

处于由离心力和科里奥利力构成的大加速度场中的燃烧过程，其熄火极限会发生较大的变化。作者通过对液化石油气和空气的预混火焰和扩散火焰在不同的空燃比（ＡＦＲ）下，在气流喷射方向与燃烧器旋转切线方向垂直、相同或相反三种情形时分别作了试验，得出了离心力和科里奥利力对预混和扩散火焰的熄火的影响规律．     

改质缸当量比对缸内热化学燃烧模式稀燃天然气发动机燃烧性能的影响

本文基于一台PFI增压稀燃点燃式天然气发动机,在其第四缸进气歧管处加装甲醇液体燃料喷嘴用以加浓第四缸(改质缸),发生缸内热化学燃料改质(TFR,Thermochemical fuel reforming)反应,再将改质缸排气直接引入发动机进气总管,以实现稀燃天然气发动机性能优化。本文研究了改质缸当量比(ΦTFR)对缸内热化学燃料改质过程的影响及对整机燃烧和性能的影响。研究结果表明:随着ΦTFR的增加,改质过程产生的H_2和CO含量显著增加,发动机缸内最大爆发压力和燃烧放热率峰值增加,缸内燃烧温度增加,放热相位提前,火焰发展期和快速燃烧期缩短,发动机工作稳定性增强,同时燃料消耗率降低,有效热效率增加,并且随着Φ_(TFR)的增大,H_2和CO增多,拓宽了TFR稀燃天然气发动机的稀燃极限,有效降低燃烧温度,使得具有降低NO_x排放的潜力。     

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...     

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。     

甲烷/二氧化碳多孔介质富燃部分氧化实验研究

本文采用多孔介质燃烧器对甲烷/二氧化碳富燃部分氧化开展实验研究,研究了燃料中CO_2添加量对于非催化部分氧化重整制取合成气的影响。当空气流量为5L/min时,调节入口CO_2/CH_4比例及当量比,确定了多孔介质富燃燃烧的稳定区间,测试了稳定工况下的温度分布和出口组分。当量比为1.3时,稳定工况下CO_2/CH_4可达到1.5。当量比为1.6,CO_2/CH_4为0.5时,燃料重整效率可达到47.7%。燃料中CO_2的加入可在一定程度上促进水气变换反应逆过程的进行,回收部分显热,提高燃料重整效率,同时可减少CO_2净排放。     

C6F12O对锂离子电池排出气体火焰的抑制效能研究

通过实验和数值模拟的方法研究了添加C_6F_(12)O对锂离子电池发生热失控后的排出气体/空气预混火焰的影响。在常温常压下,利用本生火焰装置测试了一定当量比范围的甲烷/空气和排出气/空气预混火焰在不同C_6F_(12)O添加量条件下的火焰速度。通过包含燃料燃烧和C_6F_(12)O热分解的动力学机理模型进行数值模拟并与实验测试的火焰速度进行比较,结果表明在C_6F_(12)O添加量较低的贫燃侧,层流火焰速度趋势具有良好的一致性。尽管燃料类型不同,C_6F_(12)O在化学当量以及富燃侧的抑制效能明显优于贫燃侧,并且相比于纯甲烷,C_6F_(12)O更适用于抑制排出气体/空气预混火焰。     

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。