模型超燃冲压发动机内着火过程分析

在燃烧室入口来流为Ma=2.64、T0=1483K、P0＝1.65MPa、T=724K、P=76.3kPa条件下,采用高速摄影和连续激光高速纹影对等截面型开窗燃烧室内氢气射流自燃过程、火花塞点燃氢气过程和引导氢气火焰点燃煤油过程进行了观测,获得了燃烧室内着火过程中火焰和流场波系结构的动态演化过程;观察到了初始火焰区首先起始于燃烧室下游,并逆流传播实现发动机着火的过程;分析表明燃料能否着火、以及着火位置与燃料着火时间、燃烧室流速和火焰稳定器安装情况相关,多火焰稳定区延长了燃料驻留时间,使燃料更容易着火。关键词 超燃冲压发动机,点火过程,火焰传播,火焰稳定器      

湍流强度对预混燃烧影响的大涡模拟研究

本文对甲烷和空气在突扩燃烧室内的预混燃烧进行了大涡模拟(LES)研究,主要关注于预混燃料的湍流强度对甲烷-空气预混燃烧效率的影响.LES数值模拟给出了不同入口湍流强度的条件下燃烧室内湍流预混燃烧反应流场的速度场,温度场和浓度场分布.分析的结果表明:随着预混燃料入口湍流强度的增大,燃烧反应更加剧烈,燃烧效率提高,火焰长度也随之变短,同时,一氧化碳的生成区域明显变小,整体生成量减少.研究的结果对有效地提高燃气轮机的燃烧效率和减少污染物的排放提供一定的参考依据.     

微小空间内丙烷/空气火焰传播特性与加氢爆燃实验

在内径150 mm的圆盘狭缝微型燃烧室内,实验探讨了在常温常压下,不同当量比的丙烷/空气预混气以及掺氢的丙烷/空气混合气在电火花点火后向外传播的特性,通过高速摄影方法获得了在狭缝间距为2.0、2.5、3.0、5.0 mm时微燃烧室内的火焰传播形态。实验中观察到火焰传播存在光滑、皱褶和断裂三种火焰锋面形态。当量比的增加和狭缝间距的减小会使火焰更容易发生褶皱。随着火焰的传播,火焰半径逐渐增大,火焰传播速度整体呈下降趋势。火焰传播速度随着间距的减小先增大后减小,在间距3 mm时最大。因为壁面散热的影响,微尺度效应在降低火焰传播速度和增加火焰不稳定性方面具有重要作用。掺入氢气能提高预混气的火焰传播速度,在间距2.5 mm的微燃烧腔中还观察到了爆燃现象。     

地震纵横波时差耦合作用的斜坡崩滑效应研究

在燃烧室入口来流为Ma=2.64、T0=1483K、P0＝1.65MPa、T=724K、P=76.3kPa条件下,采用高速摄影和连续激光高速纹影对等截面型开窗燃烧室内氢气射流自燃过程、火花塞点燃氢气过程和引导氢气火焰点燃煤油过程进行了观测,获得了燃烧室内着火过程中火焰和流场波系结构的动态演化过程;观察到了初始火焰区首先起始于燃烧室下游,并逆流传播实现发动机着火的过程;分析表明燃料能否着火、以及着火位置与燃料着火时间、燃烧室流速和火焰稳定器安装情况相关,多火焰稳定区延长了燃料驻留时间,使燃料更容易着火。 关键词 超燃冲压发动机,点火过程,火焰传播,火焰稳定器     

当量比对预混燃烧影响的大涡模拟研究

本文对在突扩燃烧室内甲烷和空气的预混燃烧进行了大涡模拟(LES)研究,考虑预混燃料的当量比对燃烧室提供的动力及产生的污染物的影响．利用LES计算了不同当量比条件下燃烧室内湍流预混燃烧反应流场的温度、浓度、涡量和压力分布,最后对当量比0.5时B点和C点的温度和速度进行EMD分解,得到了温度场和速度场的各阶模态的平均周期．结果表明：随着当量比从0.5增加至0.7,燃烧反应趋于剧烈,燃烧室的最高温度提高了350K,平均压力从32.876 Pa增大到34.833Pa,燃烧产生的瞬态径向最高浓度从0.5%增加到0.95%．     

方孔障碍物对瓦斯火焰传播影响的实验与大涡模拟

为揭示置障管道内甲烷/空气预混火焰传播特性,运用高速摄影技术对甲烷/空气预混火焰的形状变化和火焰前锋的速度特性进行实验,并利用大涡模拟对管道内的流场结构进行数值分析。结果表明:置障管道内依次出现了球形火焰、指尖形火焰及“蘑菇”状火焰,且“蘑菇”状火焰出现之后,火焰开始反向传播;“蘑菇”状火焰是双涡旋结构与火焰前锋面相互作用的结果,而火焰的反向传播是由流场中出现逆流结构引起的;障碍物对火焰前锋有明显的加速作用;大涡模拟成功再现了实验中观察到的火焰形状、火焰前锋速度及流场结构,说明大涡模拟适用于置障管道内预混火焰传播特性的研究。     

钝体射流火焰及其点火过程的大涡模拟

钝体燃烧器广泛应用于航空发动机、燃气轮机、锅炉等设备的燃烧室中.对其点火过程的了解和控制直接关系到设备的安全运行和污染物排放等重要问题.我们采用基于火焰面/过程变量燃烧模型的大涡模拟方法对湍流非预混钝体射流火焰及其点火过程进行了详细的数值模拟.以Sydney钝体燃烧器的无反应射流和有反应甲烷/氢气(CH_4/H_2)火焰为研究对象,首先通过统计平均的数值结果与实验测量及文献数据的对比,全面检验了所用数值方法和燃烧模型;随后,详细展示了钝体燃烧器点火和火焰发展的瞬态过程;最后,对钝体射流的点火过程进行了细致的分析和表征.根据温度峰值、羟基(OH)质量分数和甲醛(CH_2O)质量分数峰值随时间的变化表征了强制点火过程的4个阶段:点火源衰减、点火触发、点火核生成和点火成功.其中,点火核驻留的空间位置位于钝体燃烧器冷态流场外侧涡的尾部回流区域附近.     

超燃冲压发动机燃烧流场及火焰稳定初步研究

采用壁面燃料喷射并结合凹槽设施作为火焰稳定器是超燃冲压发动机设计的理想方案,本文采用非定常数值模拟研究了带凹槽的超燃冲压发动机壁面横向喷射乙烯的火焰稳定过程。结果表明:在燃烧室入口马赫数2、静温530K、静压0.1MPa条件下,冷流流场达到稳定所需时间约为2ms;当凹槽内喷油当量比为0.1时,火焰稳定模式为燃料尾迹和凹槽共同形成的回流区稳定模式;当凹槽内喷油当量比为0.315时,火焰稳定模式完全处于凹槽回流区稳定模式;当凹槽前端壁面注油当量比为0.05时,火焰稳定模式为凹槽回流区稳焰模式;当凹槽前端壁面注油当量比为0.2时,火焰稳定模式为射流回流区和凹槽回流区稳焰模式。     

奇异摄动在层流预混火焰理论研究中的应用

奇异摄动被广泛应用于求取力学问题的近似解.一个典型问题就是流体力学中的边界层.郭永怀先生曾发展了适用于平板黏性流动边界层问题的奇异摄动理论.类似于流体力学中的边界层,燃烧研究中的层流预混火焰也可以通过奇异摄动理论进行分析,在燃烧研究中通常称其为大活化能渐近分析.本文介绍了大活化能渐近分析在一维平面预混火焰和球形传播火焰中的应用及相关研究进展.首先介绍了预混火焰结构及其涉及的不同特征尺度,分析了大活化能条件下出现的特征尺度分离,并给出了关于平面预混火焰大活化能渐近分析的详细推导,讨论了热辐射对火焰传播的影响;然后介绍了大活化能渐近分析在点火与球形传播火焰方面的应用,指出了只有能够同时描述点火与球形火焰传播的理论才能准确地预测临界点火条件,并讨论了考虑链式反应的点火与火焰传播理论,分析了热辐射对球形火焰传播的影响,给了关于火焰稳定性理论研究的发展趋势.最后,基于当前研究进展对未来的研究方向进行了展望,其中涉及多步化学反应、低温冷火焰、复杂流动、辐射重吸收等.      

射流扩散火焰闪烁模态及频率特性的实验研究

层流扩散火焰的闪烁是一种经典的火焰不稳定性现象,然而现阶段对其不稳定性模态及频率特性的研究尚不充分.文章利用高速摄影和粒子图像测速同步测量技术,对宽工况下准静态环境中的浮力主控和动量主控圆口射流扩散火焰的不稳定性及其频率进行了实验研究.实验发现,燃料射流流量增大会导致火焰失稳,所引起的闪烁现象可分为varicose模态和sinuous模态.流场测量结果表明,闪烁火焰的主要流动结构表现为分别位于火焰面内外的两个剪切层.火焰外剪切层卷起形成的大尺度环形涡的周期性产生、增长和脱落是导致火焰面周期性形变(即火焰闪烁)的原因.闪烁火焰具有准周期性,其流场具有统一的主频率,且该频率与火焰脉动频率一致,说明闪烁火焰在本质上是种整体流动不稳定性的体现.浮力主控火焰sinuous模态的频率比varicose模态高3 Hz左右,并且在燃料流量较大的工况下存在varicose和sinuous模态间的切换.浮力主控火焰的频率符合经典的1/2标度律,但不同模态对应着不同的标度律系数.动量主控火焰的频率显著偏离1/2标度率,且偏离程度随射流动量增加而增强.研究表明了流动不稳定性模态对于射流扩散火焰频率特性具有不可...     

硅酸铝棉对火焰速度和爆炸超压的抑制作用

为研究硅酸铝棉位置、长度对预混气体爆炸超压和火焰速度的抑制规律,进行了硅酸铝棉抑制管道内预混气体爆炸实验,在管路内置入硅酸铝棉,以室温常压下化学计量浓度的C2H2/air预混气体为介质。结果表明,当硅酸铝棉长度超过速度临界长度时,能够有效抑制火焰速度。当硅酸铝棉长度超过压力临界长度时,能够有效抑制爆炸超压。速度临界长度的大小与硅酸铝棉入口火焰速度有关。压力临界长度的大小与硅酸铝棉入口爆炸超压有关。压力临界长度小于速度临界长度,说明硅酸铝棉对压力的抑制效果更加显著。     

基于液体碳氢燃料的旋转爆轰燃烧特性研究

为了探索液体碳氢燃料参与旋转爆轰所产生的不完全燃烧现象,采用守恒元与求解元方法,开展柱坐标系下的汽油/空气两相旋转爆轰燃烧室三维数值模拟研究,针对燃料喷注压力和反应物当量比对旋转爆轰流场结构及燃烧室性能的影响进行分析。分析结果表明:保持总当量比为1.00,随着燃料喷注压力的上升,燃烧室内燃料不均匀分布增强,产生局部富燃区,燃料在燃烧室未能完全反应,导致燃烧室燃料比冲下降;保持喷注压力不变,减小当量比,在贫燃工况下依然存在局部富燃区,导致燃烧室内出现不完全燃烧现象,降低燃烧室比冲性能。由此可知,反应物喷注方案对气液两相旋转爆轰的不完全燃烧有显著影响。     

煤气火焰传播规律及其加速机理研究

研究了煤气/空气预混气在两端封闭管道中的火焰传播加速现象和管道中有无障碍物时火焰的加速机理,认为火焰加速是由于火焰前未燃气体被前驱压缩波加热和障碍物诱导的湍流区对燃烧过程的正反馈造成的。实验结果表明,障碍物存在时,最大爆炸压力可提高20%,与理论计算一致;火焰传播特性随煤气浓度的变化而改变;障碍物阻塞比对火焰的速度和压力都有一定影响。     

城市地下排水管道中燃气爆炸及气-液两相耦合作用规律

为研究城市地下排水管道中燃气爆炸传播特性和气-液两相耦合作用规律,基于气-液两相流理论和计算流体力学方法,对不同水深率下的天然气/空气混合物的爆炸-加速-衰减过程进行了数值模拟。研究结果表明：当水深率小于0.7时,随着水深率的增加,气相空间的长径比增大,燃料燃烧加剧,火焰的加速现象逐渐显著,导致峰值超压逐渐增大,超压峰值显现时间逐渐缩短,且峰值超压沿轴向的提升效果更加显著;当水深率达到0.7时,火焰在管道内的传播明显受阻,水震荡产生的波动及细水柱迅速占据了有限的气相空间,阻断了火焰的自维持传播,使得爆炸超压仅在点火源附近显现。不同水深率条件下,管道中相同区域内,同一时刻水面被扬起的高度和气相区域的速度场不同,被卷扬起的低温液体对其相邻区域的高温火焰形成降温和阻断,之后由于气体的宏观流动,与液面相邻的低温气体流动至管道内高温区域,进而造成管道内火焰温度降低,同时,水的震荡和细水柱的飞扬大大降低了爆炸超压风险。     

油气爆炸的氮气非预混抑制实验

依靠激波管可视化实验台架，完成了油气爆炸的氮气非预混抑制实验，获得了火焰前锋在氮气非预混段内衰减、熄灭过程的高速摄影照片。通过对实验数据和高速摄影照片的分析，讨论了油气爆炸氮气非预混抑制过程的超压特性和火焰行为。结果表明，采用氮气非预混手段能显著降低油气爆炸过程的超压与超压上升速率。油气爆炸的氮气非预混抑爆过程经历了惯性相持期、抑制衰减期和扩散熄灭期3个阶段。氮气分子作为第三体参与化学反应并携带走高能自由基的能量，促使链式反应向中止链大量发展，这是油气爆炸氮气非预混抑制过程的主要机理。抑制衰减期的火焰由衰减抑制区和核心区火焰构成，火焰与氮气的相互作用主要发生在衰减抑制区内。在抑制衰减期内，火焰速度的衰减可用线性公式描述。     

掺氢比例对金属丝网阻抑掺氢甲烷燃烧火焰传播的影响

为进一步揭示金属丝网阻抑掺氢甲烷燃烧火焰传播特征的规律,通过实验研究了掺氢比例对不同孔隙密度金属丝网阻火过程的影响。结果表明：随着掺氢比例的增加,金属丝网的阻火难度加大,金属丝网的阻火效果可由成功转为失败,对火焰传播的影响作用可能从抑制转变为促进;当金属丝网阻火失败时,金属丝网会引起火焰褶皱并导致火焰加速,但郁金香形火焰的首现时间有所延迟;随着掺氢比例的增大,火焰穿过金属丝网后的加速现象更为明显;提高金属丝网孔隙密度可提高金属丝网对掺氢甲烷预混火焰的阻火能力,孔隙密度越大,阻火能力越强;60 mpi以上金属丝网能够有效淬熄掺氢甲烷预混火焰。     

微重力下薄燃料表面火焰传播的地面窄通道模拟

对微重力下薄燃料表面逆风火焰传播的地面窄通道模拟,进行了量纲分析,并通过火焰传播 图像记录进行了实验验证. 结果表明,减小实验段特征尺寸可以实现微重力燃烧的地面模拟. 在各种氧气浓度条件下,竖直和水平窄通道内的火焰传播速度随气流速度的变化趋势完全不 同,而且,水平窄通道可以有效限制自然对流,而竖直窄通道较难. 当通道高度增大时,竖 直和水平窄通道中,火焰传播速度和吹熄极限速度都不同程度地增大,这是热损失减小、火 焰面遇见的气流速度减小以及自然对流速度增大3个因素的综合结果. 对于水平窄通道, 1cm是一个可以定性模拟微重力下自然对流的尺寸. 对于竖直窄通道,则需要高度更小的窄通 道来限制自然对流.     

微小尺度下氢气预混燃烧的实验研究

对内径为1.66mm的不锈钢管燃烧室的氢气预混燃烧实验进行了描述，采用 红外测温仪测量了燃烧室壁面的温度场分布，获得了不同燃烧热功率下的运行界限．在突扩 段内高温回流区的作用下，在带有5mm长突扩段的燃烧室内可以实现完全预混燃 烧，最高运行界限可达1.415．由于较高的进气速度和较大的燃烧室壁面散热，在不带突扩 段的不锈钢管内无法实现完全预混燃烧．结果表明突扩段对微小尺度燃烧具有稳定火焰、拓 宽燃烧运行界限的作用．通过对火焰形状和结构的观察，结合突扩段燃烧流场的分析，合理 解释了燃烧室壁面温度场随过量空气系数的变化规律．     

W型火焰锅炉炉内三维速度场数值模拟研究

W型火焰锅炉采用了煤粉浓缩、长火焰及分级送风等技术,有利于燃料的着火、火焰的稳定以及燃料的燃尽,在煤种适应性、低负荷稳燃能力、飞灰燃尽率等方面有很大的技术优势.本文通过数值模拟研究了W型火焰锅炉的三维速度场分布,得到了不同工况下炉内W型气流的流场图.通过比较数值结果和试验结果的流场图,结果表明:数值结果和试验结果基本吻合,W型火焰锅炉内的空气动力场取决于拱顶风与前后墙风的动量比,炉内气流形成两个明显的漩涡,延长了煤粉气流在下炉膛的停留时间,同时也增加了炉内气流充满度,有利于煤粉的完全燃烧.加大喉口风速,漩涡运动更加明显,在炉内形成γ型气流,煤粉气流在下炉膛的停留时间更长,炉内的一、二次风混合更加均匀.     

不同初始压力下可爆预混气体通过波纹板阻火器的淬熄特性研究

阻火器是一种应用广泛的爆炸阻隔装置。为了深入理解影响阻火器性能的因素,通过实验方法探究了不同初始压力下可爆预混气体通过波纹板阻火器的淬熄特性。结果表明,可燃气的活性、体积分数和初始压力均会影响火焰速度稳定性、传播模式以及淬熄难度。实验发现火焰传播具有3种模式:直接淬熄、穿过阻火单元后逐渐淬熄、淬熄失败。可淬熄的最大初始压力p_lim用以表征火焰淬熄难度,虽然其最小值位于化学计量比,但仍在一定体积分数范围内保持恒定。此外,基于传热作用得到密闭管道中丙烷-空气预混气爆燃阻火速度公式,并进行了实验验证。