管状燃烧器中低热值预混气的燃烧特性

实验研究了低热值CH₄/N₂/Air预混气在旋流管状燃烧器中的燃烧以及污染物排放特性。固定过量空气系数为1.17,通过调节N₂比例得到热值在3.6～5 MJ/m³之间的低热值预混气。结果表明,管状火焰半径随预混气热值降低而减小,当热值小于一定值时,燃烧器的燃烧效率急剧下降,烟气中CO含量大量增加,但NO_x含量始终很低。     

燃气轮机合成气双旋流非预混燃烧室的设计及实验测试

本文针对上海交通大学25 kW燃气轮机性能试验台的合成气燃烧室开展了设计研究,完成了燃烧室样机的加工与实验测试。研究过程中,首先对合成气燃烧室开展了结构设计;采用双旋流结构的燃烧器进行合成气燃烧火焰组织;采用了燃烧室头部贫燃方式(低当量比)设计以保证燃烧室低排放特性;利用双层壁冷却方式进行火焰筒壁面冷却。在燃烧室结构设计的基础上,利用数值方法系统分析了合成气双旋流非预混燃烧室工作特性,完成了合成气非预混母型燃烧室的设计优化。根据优化方案,完成了燃烧室样机的加工、安装,并进行了实验性能测试。实验结果表明实验工况该燃烧室燃烧稳定,NO_x排放小于25 mg/m~3@15%O_2。     

燃气轮机燃烧室燃烧天然气和燃烧中低热值煤气的比较

本文使用商业软件FLUENT,对某燃气轮机燃烧室燃烧大然气和燃烧中低热值煤气进行了比较。原本燃烧天然气的燃烧室直接改为燃烧中低热值煤气,会产生燃料射流速度太快的问题,使阻燃孔失效,火焰太长,高温燃气直接冲击下简壁出口。仅仅增大燃料喷嘴口径可以在一定程度上改善燃烧室内流动结构,使掺混孔起一定的作用,气膜冷却射流也将高温区抬离了下简壁。     

气体回流区分级着火试验研究

就回流区分级着火燃烧方式在气体燃料燃烧上的应用进行了一系列冷热态模拟试验和工业试验研究．比较了直流、钝体和开缝钝体喷口的出口速度、温度分布，以及在不同气体燃料热值时的稳焰能力。试验表明，开缝钝体喷口中缝小股射流进入喷口后低速回流区能稳定着火，进一步点燃主流，有效地形成回流区分级着火；开维钝体喷口的稳焰能力最强，特别适合低热值煤气燃烧。在大容量锅炉上进行了低热值高炉煤气燃烧的改造性工业试验，试验证明，开缝钝体燃烧器强化了低热值煤气的燃烧，有效地解决了锅炉煤气段燃烧强度不足以至锅炉尾部超温问题。     

壁面渗透燃烧微燃烧器结构参数优化实验研究

针对一种圆柱多孔壁面组织渗透燃烧微尺度燃烧器,本文在甲烷/空气不同燃料当量比和混合气流量下,对比实验了关键参数燃烧室内径(d)和燃烧室高度(h)变化对燃烧器性能的影响.结果表明随燃烧室内径减小,吹熄极限速度显著下降,烟气平均温度升高,同时壁面温度下降;燃烧室高度减小,可燃烧极限当量比和淬熄极限速度均增大;在高径比h/d接近1时,烟气平均温度最高,壁面最高温度不变,大流量下壁面温度降低更快.因此,当缩小壁面渗透微燃烧器时,为防止燃烧效率降低和热损失增加,应优先缩小内径并保持高径比接近1.0.     

不同喷嘴结构合成气燃烧室动态特性的实验研究

通过中压全尺寸燃气轮机燃烧室测试平台的合成气燃烧试验,对单喷嘴和多喷嘴燃烧室的动态特性进行了比较分析.在本文的测试工况下,燃烧室没有产生强烈的热声振荡,所有的燃烧过程都很稳定,说明喷嘴的设计是合理的.多喷嘴燃烧室在相似工况下动态压力幅值比单喷嘴燃烧室要小一半以上,功率谱曲线相对平滑,说明多喷嘴燃烧室确实能降低燃烧噪声....     

某支板式超音速剪切流燃烧的数值研究

针对某支板火焰稳定结构数值研究了二维超音速流动和燃烧规律,提出不同燃料供给方案,比较了采用全氢气、全甲烷和不同比例的混合燃气等情况下的燃烧性能.结果表明:单一燃料时,氢气超燃性能很好,但会出现热量雍塞,而甲烷无法燃烧,两种混合燃料方案均在燃烧室内出现了稳定的火焰,但氧气消耗率不理想,基于上述结论给出了一些提高超燃性能的改进措施.     

微型火焰管中燃烧的研究

提出了一种新型的微动力机电系统观念,即微型热光电 TPV(thermo photovoltaic)系统。微型燃烧室是微型TPV系统中最重要的部分之一。为了获得较高的能量转换效率,需要使燃烧器壁面四周处于较高且分布均匀的温度状态。尺寸效应对微型燃烧室中的持续燃烧带来了很大的影响。为了分析微型燃烧器中燃烧的可行性和有关影响因素,在不同工况下进行实验。结果表明,在一定的流量和混合比范围内,可以在微型火焰管内维持稳定的燃烧,高温能够在燃烧室四周均匀分布。     

空气/酒精燃气发生器试验研究

为了适应一种引射系统气源的需要,在综合分析各类引射工质的基础上,提出了采用空气/酒精组合推进剂燃烧产生高温燃气的引射气源方案,设计了一种基于航空发动机环形燃烧室结构的燃气发生器。根据空气/酒精推进剂的特点,确定了空气-酒精依次进入燃气发生器的点火时序.为了验证该型燃气发生器的性能,开展了多种工况下的热试车.结果表明:采用的技术方案可行,发生器排气流量、温度、压力满足设计指标要求;发生器点火迅速且可靠,燃烧较为平稳,可得到较为均匀的温度场;能在较宽的流量范围内稳定工作,且在保持余气系数不变的条件下,随着燃气流量的增加,燃气发生器的燃烧效率显著提高,此外,燃烧室火焰筒壁温监测表明燃气发生器可实现长时间工作运行。     

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%.     

基于甲烷燃烧的热电转换特性实验研究

本文介绍了基于温差热电转换原理的小型燃烧温差热电转换系统,并通过实验研究了小型甲烷燃烧器的性能特点,并对影响温差发电系统发电性能的因素进行了研究分析.实验表明:小型燃烧器工作稳定可靠,可燃流量范围和着火当量比范围较宽;负载电阻、当量比、输入能量(燃料流量)以及外界换热条件都会对系统的功率输出和效率产生明显的影响.实验中获得了最高569 mW的功率输出和0.55%的系统发电效率.     

液体火箭推力室面板发汗冷却与燃烧耦合数值模拟

对推力室的喷嘴多孔面板的发汗冷却和燃烧室内的燃料燃烧过程进行了耦合数值计算,建立了一个带燃烧的三维、真实气体、变物性的推力室CFD计算模型。利用UDF编写了CH₄、O₂、CO₂、H₂O气体的实际气体状态方程,并根据NIST物性数据拟合了不同温度和压力下各气体的比热容、扩散系数、黏性系数和导热系数等物性多项式。基于EDC模型建立了甲烷-氧燃烧的多步反应机理。计算了三种厚度的面板和多种燃料进口工况下的推力室内的发汗冷却和燃烧过程,研究了面板厚度、冷却剂进出条件等因素对发汗冷却和燃烧过程的影响规律。     

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。     

氩气/甲烷/空气介质阻挡放电等离子体的发射光谱诊断

为了获得可燃气体的放电及等离子体发射光谱特性,进一步揭示等离子体助燃作用下燃料在稀燃状态的点火与燃烧特性,在常压下以氩气作为载气对预混的甲烷和空气进行放电研究。实验基于平行板电极射频(13.56 MHz)介质阻挡放电的等离子体发生装置,首先在常压下对体积分数为90%氩气/10%空气的混合气体开展放电研究;再在90%氩气含量不变的情况下,调节空气含量并加入与之能形成燃烧化学当量比Φ＝1的甲烷,氩气/甲烷/空气的混合气体同样能实现稳定而均匀的放电;最后分别在90%氩气含量不变,甲烷和空气在当量比为Φ＝0.4～1.9六种情况下进行放电实验。由光谱仪记录不同放电工况下的发射光谱信息,诊断反应产物类型,利用观测到的氮分子第二正带系(0-2)380.4 nm和(1-3)375.4 nm处的发射谱线,与自编程序计算的模拟谱线拟合,得出分子转动温度(即气体温度)。研究结果表明：通过拟合模拟光谱与实验所测发射光谱的方法推测分子转动温度,进而获得气体的平动温度,氩气/空气放电的气体温度可达到1 150 K,氩气/甲烷/空气Φ＝1时放电气体温度升高到1 390 K;甲烷与空气形成不同当量比时,所测等离子体气体温度相对于90%氩气/10%空气混合气体温度的温升在70～240 K范围变化;由光谱信息观测到CH,H,OH和CH₂O等活性粒子的存在以及气体温度的升高,表明可燃成分混合气在射频电场放电作用下发生等离子体燃烧化学反应并释放出化学热。     

燃气轮机中热值合成气燃烧室改造技术——现场调试与考核

将某型烧天然气的燃气轮机改为烧中热值合成气,需要改造燃烧室、燃机控制系统、燃料供给系统和相关配套系统,并校核燃机关键部件的通流匹配情况.在完成合成气燃烧室设计、试验和制造之后,需要进行燃气轮机组的安装调试、现场测试和考核.本研究所建立了燃气轮机现场测试平台;进行了合成气燃气轮机的安装调试、168小时连续运行考核和第三方的燃机性能考核;初步掌握了燃机控制系统和配套系统的改造技术.现场测试平台用贴片式热电偶对火焰筒壁温进行了监测,用示温漆测量了满负荷工况火焰筒壁温分布,用燃气分析仪测量了燃烧室效率和污染物排放.考核结果表明燃机功率、燃机热耗、燃烧效率、污染物排放基本达标.     

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。     

超燃发动机燃烧室壁面辐射热流的预测分析

采用蒙特卡罗法结合Edwards指数宽谱带模型模拟计算了超燃发动机燃烧室内的辐射换热.燃烧产物由二氧化碳、水蒸汽与其它非辐射性气体组成.计算中,考虑了压力、温度、组份含量对辐射性气体光谱吸收系数的影响.通过计算,获得了燃烧室壁面的辐射热流分布.研究结果表明,燃烧室内高温高压燃气的热辐射作用很强,壁面辐射热流可达到2.2×105 W/m2.     

考虑弥散效应的多孔介质中超绝热燃烧的数值模拟

研究多孔介质内往复流动下的超绝热燃烧。一维模型包括气体输运、多孔介质固体的辐射、导热和气固两相间的对流换热。通过数值计算研究超绝热燃烧的形成、以及弥散效应、当量比和多孔介质材料本身对超绝热燃烧特性的影响。计算结果的有效性通过实验进行了验证并取得了相同的趋势。结果表明,组分弥散效应对气体温度分布和反应热影响很小;同一工况下,不考虑气体混合物的热弥散效应,会导致过高的气体温度计算值。同时,计算结果表明小孔径的多孔介质更有利于贫可燃极限的扩展,对30 ppi的多孔介质燃烧器,得到了当量比为0．092的可燃极限。     

JF12激波风洞高Mach数超燃冲压发动机实验研究

针对高Mach数（Ma ≥ 7）超燃冲压发动机高气动阻力下的燃烧组织问题,提出一种双突扩燃烧室结构方案.使用数值模拟方法考察了射流与双突扩燃烧室组合方式的混合燃烧特性.设计了双突扩超燃冲压发动机模型,在力学研究所JF12长试验时间激波风洞内,开展了Ma=7.0和Ma=9.5的氢燃料点火和燃烧试验对比.在风洞有效试验时间100 ms内,实现了Ma=7.0和Ma=9.5超燃冲压发动机的成功点火与稳定燃烧.在Ma=7.0情况下,进气道采用三维压缩,燃烧室入口设计Mach数Ma_c=2.5,壁面压力分布实验结果显示燃烧放热靠近燃烧室扩张段上游;在Ma=9.5情况下,进气道采用二维压缩,燃烧室入口设计Mach数Ma_c=3.5,由于燃烧室流动速度特别高,燃烧放热靠近燃烧室扩张段下游.      

降膜蒸发冷却器性能实验台的研制

本文研制的降膜蒸发冷却换热器性能实验台,可针对蒸发式冷却换热器的传热性能进行实验研究。实验台可进行变工况调节,换热量在15～34 kW之间;所需热水水泵的功率为0.37 kW,喷淋水水泵功率为0.15 kW;冷却空气采用变风量控制,风量介于0～2 700 m~3/h;被冷却介质采用软化去离子水,软化水器的供水量≥0.662 m~3/h。实验台可进行蒸发式冷却器冷却介质温度和流量、喷淋密度、迎面风速、环境湿球温度等参数对冷却器传热性能的影响规律研究,可获得优化的运行参数。