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。     

湿空气扩散燃烧火焰结构特性研究

利用二维粒子成像速度仪(PIV)对钝体燃烧器中的甲烷／湿空气扩散燃烧的速度场进行测量,考察其火焰的结构特性及其内部流动状况。通过对湿空气燃烧流场与普通燃烧流场的对比分析表明,湿空气燃烧情况下,两种燃烧状态的火焰(回流燃烧火焰和中心射流主导火焰)相互转换的燃空速度比(γ)值要比普通燃烧的小;湿空气燃烧使得喷嘴后的同流空气的速度降低,空气的回流作用减弱,燃料更容易冲出回流区,火焰的稳定性能变差。     

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。     

旋流非预混燃烧火焰流动特性的实验研究

利用粒子图像速度场测量技术(PIV)对不同工况下的旋流非预混燃烧流场进行了测量,考察不同燃空速度比下旋流火焰的流动特性.结果表明,轴向截面上径向平均速度流场以燃烧器轴线呈中心对称,轴向平均速度、轴向脉动速度和径向脉动速度沿燃烧器轴线成对称分布,且轴向平均速度和轴向脉动速度的最大值出现在轴线处.随燃空速度比的增大,轴向平均速度和脉动速度增大,随着与燃烧器表面的距离增加,流场截面上轴向平均速度和脉动速度差异不断减小.     

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。     

预混湍流3D火焰面密度和燃料消耗率的估计

利用平面激光诱导荧光(OH-PLIF)技术测量了CH_4/air预混湍流火焰前锋面结构,通过图片处理得到了测量平面上的二维火焰面密度。基于不同的假设建立了三种不同模型,利用二维探测得到的火焰面信息来估计三维火焰面密度在测量面上的值,通过积分三维火焰面密度估计值得到燃烧系统的燃料消耗率。结果表明,预混湍流火焰前锋面为凹凸的褶皱结构,平面测量的二维火焰面密度明显低估了真实的火焰面密度,利用模型估计得到的3D火焰面密度对2D值有明显的改善。燃烧系统的燃料消耗率可以用来评估模型的可靠性,结果表明模型的误差都在40%以内。     

过滤燃烧火焰锋面倾斜演变的二维数值研究

通过二维双温模型研究过滤燃烧火焰锋面倾斜的演化规律。给定初始倾斜角度(8°),甲烷/空气在当量比为0.2～0.5,流速为0.4～1.2 m/s的范围内,研究倾斜火焰锋面的演变。结果表明,在流速较大时,火焰锋面演化类似于S形的火焰;在流速较小时,火焰锋面演化为特征火焰。分析表明,形成以上火焰的原因是由于初始倾斜火焰在燃烧器中径向不同位置的传播速度不同。数值计算捕捉到了倾斜火焰发展的基本形态。     

显示OH浓度分布图像的平面激光诱导荧光技术

用平面激光诱导荧光 (PLIF)技术测量平面火焰炉、狭缝火焰炉的单脉冲激光诱导OH荧光。由平面荧光图可得到氢氧基相对浓度分布和它的宽度。对于扩散火焰 ,高温区在OH带内侧 ;而对于预混火焰 ,二者基本一致。湍流火焰的PLIF图则清晰地显示出火焰面的不规则性。氢氧基的PLIF图像是研究火焰结构和流场的有力工具。     

基于欧拉喷雾与火焰面/反应进度变量湍流燃烧模型的PRF燃料喷雾燃烧模拟研究

在开源计算流体软件OpenFOAM环境下,将基于欧拉方法的Σ-Y喷雾模型与非稳态火焰面/反应进度变量湍流燃烧模型相耦合,发展用于高温高压环境中液体燃料喷雾湍流燃烧高精度计算模型,分别对非燃烧和燃烧工况下的五种典型参比燃料(Primary Reference Fuel,PRF)的燃油喷射雾化与湍流燃烧过程开展数值研究。结果表明：该新型耦合模型能够准确的预测PRF燃料的喷雾和着火燃烧特性;所开发的重构数值喷雾纹影图像和燃烧OH^*图像处理方法能够很好地捕捉到试验的滞燃期、火焰浮起长度及喷雾火焰结构;研究揭示了不同比例的PRF燃料对喷雾及着火燃烧过程的影响特性,为替代燃料在发动机上的高效应用提供了理论指导。     

回流扩散燃烧火焰湍流结构特性的PIV测量

利用粒子图像速度场测量(PIV)技术对不同燃空速度比下的钝体回流扩散燃烧流场进行了测量,考察不同火焰的湍流结构特性.结果表明,流场中轴向脉动速度沿钝体中心轴线成对称分布,轴向脉动速度最大值出现在钝体中心轴线处,流场切向雷诺应力以饨体轴线呈中心对称,在中心轴线处切向雷诺应力值为0,随燃空速度比的增大,轴向脉动速度和切向雷诺应力不断增大,随着与钝体表面的距离增加,流场截面上最大轴向脉动速度不断减小,最大切向雷诺应力先增大,后减小.     

高压下湍流火焰速度测量与拟合

利用连续燃烧本生灯结合OH-PLIF火焰结构激光诊断技术获得了高压下预混湍流火焰瞬时前锋面图像,通过图像处理,得到了高压下多种混合气的湍流火焰速度及其拟合关系式。结果表明:高压预混湍流火焰前锋面为高度褶皱凹凸结构,现象上表现为大尺度的凸向未燃气的凸结构和小尺度的凸向已燃气的凹结构。合成气火焰比CH_4/air更加褶皱,前锋面更加精细。本文所有实验点高压湍流火焰速度可以拟合为S_T/S_L与[(P/P_0)(u′/S_L)]~n的形式,n约为0.4左右,表明湍流涡与火焰面的相互作用遵循自相似的规律。     

基于紫外可调谐激光吸收光谱技术的甲烷/空气平面预混火焰温度测量研究

火焰温度是燃烧领域最重要的宏观物理量之一,使用紫外可调谐激光吸收光谱技术,以火焰中的OH自由基作为测量对象对甲烷/空气平面预混火焰进行了温度测量。首先使用平面激光诱导荧光(PLIF)技术对甲烷/空气平面预混火焰不同燃烧工况条件下火焰中的OH基分布进行了测量,选取火焰中OH基分布均匀工况进行了紫外吸收光谱温度测量。通过LIFBASE仿真计算,综合考虑温度测量灵敏度、测量信噪比等因素,选择OH基A-X(0,0)吸收带中的P_1(2)和Q_1(8)两支谱线作为被测跃迁。测量时使用Nd∶YAG激光器泵浦染料激光器,经倍频后输出308~311nm紫外可调谐激光。通过染料激光器以0.4pm为步长进行激光波长调谐,分别扫描获得两条吸收谱线的吸收峰线型。对实验数据进行voigt拟合后,通过计算两条谱线的积分吸收值之比,获得了平面预混火焰中的温度信息。分别测量了燃烧器表面不同水平位置与燃烧器中心不同高度处的火焰温度。测量结果与文献报道的采用同样结构燃烧器,通过其他光谱技术获得的测量结果进行了横向对比。在OH基浓度较高的火焰锋面区域测温结果吻合度较高,验证了该技术测量结果的可信度。由于其测量对象与双线OH-PLIF测温的一致性,该技术未来可作为局部温度测量方法,进一步应用于对双线PLIF等二维火焰温度空间分布测量结果的标定当中。     

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。     

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。     

管状火焰燃烧器中高氧气浓度丙烷燃烧特性

对两种不同入口尺寸的急速混合管状火焰燃烧器开展了丙烷富氧燃烧特性研究,着重从火焰结构、燃烧范围、燃烧模式等,分析了燃料与氧化剂切向入口尺寸分别为0.5/0.5 mm(燃烧器A)及0.25/0.5 mm(燃烧器B)的丙烷燃烧特性,并基于Chemkin计算分析了内在机制。结果表明:在氧气浓度β≤0.5时,两者均能获得均匀稳定的管状火焰,火焰特征和燃烧范围相近;对于燃烧器A,随着β增加至0.7,化学反应时间缩短,掺混效果不足以维持火焰稳定;燃烧器B入口尺寸较小,入口速度更大,掺混更充分,在β=0.7时火焰仍稳定,β=0.8时火焰不均匀但仍稳定。此外,β≥0.7时,随当量比增加,燃烧器A、B均在低当量比和化学计量当量比附近出现了声不稳定现象,管状火焰区随β增加不断缩小。     

预混火焰传递函数的测量与分析

火焰传递函数是理解和控制振荡燃烧的理论基础.本文通过自发化学荧光法测量放热率,双传声器技术获得燃烧器出口的压力和速度脉动,研究了不同雷诺数、当量比和扰动频率下的预混火焰传递函数.结果显示,随着脉动幅值的增加,火焰传递函数将出现由线性到非线性的变化过程.当量比、雷诺数和扰动频率的改变,都会影响火焰传递函数的幅值和相位特性...     

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。     

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 Fluorescence)同步测量技术,获得了火焰预热区、反应区以及已燃区的详细火焰结构信息。本文对反应区和预热区火焰厚度进行了提取和统计。研究表明,氢气对火焰反应区、预热区均有明显作用。结果表明,掺氢小幅度增厚反应区厚度,但能够比较明显地降低预热区厚度。     

采用一维湍流模型对瞬态煤粉气化火焰的数值模拟

煤的气化火焰中,湍流脉动与煤颗粒气化过程间存在着强烈的相互作用。为了在全尺度范围内直接模拟这种相互作用,本文采用一维湍流模型(ODT)与煤的气化过程相耦合,在Kolrnogorov尺度下对煤气化火焰区域进行数值模拟,得到了二维平面煤气化火焰的瞬态结构。模拟结果表明,大尺度涡团能够显著改变火焰的结构,并诱发局部小尺度涡团的产生。颗粒粒径决定湍流-气化过程作用的尺度范围,粒径较小的煤颗粒容易受到气体温度和速度脉动的影响,从而改变其运动轨迹和气化反应进程。     

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。