本生灯火焰和Smithll火焰的实验研究

一、引言 本生灯火焰顶部开口现象实际上是火焰面大曲率变化处的火焰局部熄火。除了化学反应动力学性质引起的火焰局部熄火外,对局部熄火机理的理解主要有两种。一种认为是由流场不均匀造成的气动拉伸机理;另一种认为是燃料和氧化剂分层扩散的机理。最初对本生灯火焰顶部开口现象的解释是认为二种机理都在起作用。后来的研究指     

氢气对薄反应区湍流火焰详细火焰结构影响研究

氢是一种非常有前景的清洁可再生能源载体.掺氢燃料预混稀燃是当前开发清洁高效的低排放燃气轮机最重要的能源转化方式之一.本文基于预混CH4/H2/air本生灯火焰,对氢气掺混影响下的湍流火焰详细火焰结构进行了测量和表征.实验采用CH2O和OH基平面激光诱导荧光(PLIF,Planar Laser Induced Fluor...     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

甲醇-空气和甲醇-空气-稀释气预混层流燃烧特性

本文利用定容燃烧弹研究了不同初始压力、初始温度、气体稀释度和燃空当量比下甲醇-空气-稀释气预混层流燃烧特性.结果表明:对于给定初始压力和温度,甲醇-空气预混合气的质量燃烧率、燃烧压力和温度的最大值均出现在当量比1.左右,而火焰发展期和燃烧期在此当量比下最短.火焰发展期、燃烧期和燃烧压力峰值随初始温度的增加而减小,最高燃烧温度随初始温度的增加而增加,燃烧压力峰值和最高燃烧温度随初始压力的增加而增加.火焰发展期和燃烧期随稀释度的增加而增加,而燃烧压力峰值和最高燃烧温度随稀释度的增加而降低.     

电场对稀燃预混钝体旋流火焰结构的影响

本文研究了开放空间内的直流电场对甲烷稀燃预混钝体旋流火焰结构的影响。施加电场后,火焰面向上游移动,火焰面之间的夹角增大。电场能够提高钝体旋流火焰中上部分的火焰面褶皱率,从而提高湍流火焰速度,但是对根部火焰面结构没有影响。电场对最大火焰面密度没有明显作用,而是通过提高火焰刷厚度提高湍流火焰速度。预混气当量比和燃烧器出口平均速度能够影响电场作用强度。当量比越低,出口平均速度越高,电场的作用越不明显。电场对钝体旋流火焰根部结构影响较弱,且在临近吹熄工况下电场流体动力学作用很弱,对钝体旋流火焰的稀燃吹熄极限没有明显影响。     

2,5-二甲基呋喃-空气混合气层流燃烧速率的测定

在定容燃烧弹中利用高速纹影摄像法和球形扩展火焰研究了常压下不同燃空当量比和初始温度时2,5-二甲基呋喃-空气混合气的层流火焰特性,获得了拉伸和无拉伸火焰传播速率,无拉伸层流燃烧速率和马克斯坦长度。研究结果表明:2,5-二甲基呋喃-空气混合气的无拉伸火焰传播速率和无拉伸层流燃烧速率在燃空当量比1.2附近达到最大值,它们都随着初始温度的增加而增加。随着初始温度的增加,无拉伸火焰传播速率的峰值位置向浓混合气(燃空当量比增大)的方向移动。随着燃空当量比的减小和初始温度的增加,马克斯坦长度增加,表明火焰前峰面的稳定性增强。基于实验结果数据,拟合得到了2,5-二甲基呋喃-空气混合气的无拉伸层流燃烧速率的关系式。     

甲烷层流和湍流预混火焰OH^*和CH^*的化学发光特性

化学发光能够对火焰结构和燃烧过程进行良好的表征,但利用化学发光对湍流火焰进行测量的研究相对较少。为了更深入地研究和发展湍流燃烧理论,设计了伴燃射流燃烧器,通过ICCD相机和相应滤波片获取了OH^*和CH^*的化学发光图像,对甲烷/空气层流和湍流预混火焰的化学发光特性进行了研究,并利用分布高度、峰值位置、强反应区占比、峰值等参数对不同速度和当量比时的OH^*和CH^*进行表征。结果表明,层流时OH^*和CH^*的分布明显不同,而湍流的混合作用导致二者的分布范围趋向一致。随着当量比增大,不同速度下OH^*和CH^*的分布高度都呈单调递增趋势,但湍流的增长趋势要相对平缓;峰值位置的变化趋势与分布高度几乎一致,间接表明OH^*和CH^*的主导生成反应不变。强反应区占比在层流和湍流状态下的表现完全相反:从贫燃到富燃,层流中由大于0.1降低到0.05以下,而湍流中则由0.05上升到0.1以上,表明湍流对贫燃时的燃烧反应起抑制作用,在富燃时反而起促进作用。另外, OH^*和CH^*的峰值变化可以对火焰的流动状态进行判断,且CH^*尤为明显:随当量比增加,如果峰值先升后降,则可以认为火焰为层流状态;如果峰值单调递增,则是湍流状态。以速度和当量比为自变量,以OH^*和CH^*的峰值比为因变量,提出了不同速度条件下利用化学发光对当量比进行定量表征的统一关系式,解决了不同速度时需要分别进行拟合的问题,对后续的化学发光燃烧诊断研究具有重要意义。     

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。     

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。     

乙烷含量对天然气、煤层气燃烧速率和火焰稳定性的影响

本文在定容燃烧弹中,研究了高温高压(0.75 MPa,450 K)下甲烷-乙烷-空气预混合气火焰传播规律,并系统分析了当量比、混合气中乙烷含量对混合气层流燃烧及火焰稳定性的影响.实验结果表明:随着混合气中乙烷含量的增加,不同当量比下无拉伸火焰燃烧速率均增大,马克斯坦长度增大,表明火焰稳定性增强.在实验范围内,无拉伸火焰...     

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...     

预混火焰拉伸和曲率效率的物理分析

湍流燃烧的基本火焰结构是拉伸的曲面涡管;拉伸流场中的管形火焰模拟了湍流燃烧的细微结构。本文对平面预混火焰、拉伸预混火焰和管形拉伸预混火焰进行了质量、能量和组分的守恒分析。通过对比这几种火焰,揭示了火焰拉伸效果是通过优先扩散改变火焰温度和熄火极限;而火焰曲率通过增强或削弱这种优先扩散效果来影响火焰温度,影响的大小和火焰厚度与火焰半径的比值呈正比。     

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。     

可控热氛围下正庚烷液滴流燃烧火焰特性研究

基于超声雾化技术,通过配比不同载气流量和燃料流量制备了四种当量比的正庚烷液滴流,利用Spraytec喷雾粒度分析仪确定其粒径分布,并在可控热氛围下对其稳态火焰特性进行了研究,分析了液滴流贯穿高度、火焰起升高度、火焰高度、火焰宽度等参数的变化规律。结果表明:液滴流燃烧时总体呈淡蓝色预混火焰,但液滴流浓度增大、热氛围温度升高时会产生暗红色尾焰;液滴流贯穿高度、火焰起升高度和火焰宽度都随热氛围温度升高而减小,而火焰高度随热氛围温度先降低后升高,且在高温区随当量比增大而升高;燃料流量增大使液滴流贯穿高度和火焰起升高度降低,使火焰宽度变小;载气流量增大使液滴流贯穿高度减小,使火焰起升高度在高温区减小,在低温区增大。     

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。     

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。