湍流和预混火焰相互作用的实验研究

建立了湍流预混火焰实验系统并实现了驻定火焰。无条件示踪条件下的研究结果表明,火焰区的速度分布呈现 双峰分布,初步证实火焰区湍流度峰值的存在是由于火焰脉动导致速度测值分散,最终由统计得到表观湍流度的增大。条 件示踪测量结果表明,在火焰区反应物来流的湍流度与上游的测值并没有明显的变化,进一步证实了这一结论。     

多孔介质中甲烷预混气火焰传播特性实验研究

本文对甲烷预混气在多孔介质中的火焰传播特性进行了实验研究,在开口竖直管中充填多孔介质,通过改变预混气氧含量使火焰在不同多孔介质中传播并测量火焰传播速度。预混气中氧含量最高达到29％。实验结果表明:多孔介质中甲烷可燃预混气火焰传播速度大于其层流火焰传播速度,可达到5倍以上(当量比的甲烷-空气预混气);多孔介质当量孔直径越大,或预混气层流火焰速度越高,则预混气火焰传播速度越高;多孔介质中可燃混气的火焰传播界限变小,当量孔直径大的多孔介质其界限值较大。实验结果与Babkin提出的多孔介质中的火焰传播机理相符。     

湍流预混火焰传播速度的分形模型研究

本文利用激光层析技术和数字图像处理技术,在对Ｒｅｄ＝４３３５～１１１００范围内的Ｂｕｎｓｅｎ式湍流预混火焰热图像序列进行分形分析的基础上,提出了一种基于分形理论的湍流预混火焰传播速度模型,该模型将小尺度涡团在火焰锋面的强化湍流扩散效应归结为对锋面结构的改变上。结果表明：利用该模型预测的火焰传播速度与试验结果基本吻合。     

湍流对多孔介质内预混火焰影响的初步研究

当气流速度较大时,多孔介质内预混燃烧的模拟需要考虑湍流的影响,本文利用简化的k-ε双方程湍流反应流模型对多孔介质内的预混火焰进行了数值模拟.结果表明,湍流大大加强了气流的组分和能世扩散,计算得到的火焰传播速度、CO及NO的排放量都与实验值符合得比较好,与层流模型相比,湍流模型能够改善计算结果.     

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。     

坡度条件下湍流扩散火焰形态的实验研究

本文以湍流扩散火焰为研究对象,在不同坡度及热释放速率条件下开展了火焰形态参数演化的实验研究。结果表明,当坡度在10°~15°范围内上升,火焰附着长度的增加主要是由于火焰两侧空气卷吸差异引起的压差。火焰附着长度和水平火焰长度之间呈现出较好的线性关系,火焰附着范围可通过火焰长度及火焰倾斜角来表征。当坡度为0°和40°时,无量纲火焰长度和无量纲热释放速率之间满足幂律关系;相对于坡度为0°时,40°时火焰长度随热释放速率的增长速率较为缓慢。     

甲烷湍流射流火焰锋面结构的激光PLIF测量

利用OH-PLIF技术,研究了甲烷空气预混射流火焰,在不同出口雷诺数下,不同氮气稀释比例下火焰OH自由基的二维分布以及火焰的前锋面结构特性,以此实现对柔和燃烧的基础特性研究。实验结果显示,在获得大量氮气稀释后,预混火焰的OH浓度峰值减少了30%以上,并且整个燃烧反应明显延迟,但火焰面面密度没有发生明显变化。同时发现,改变出口雷诺数对火焰OH浓度影响较小,但是增加出口雷诺数可以扩大燃烧反应区。     

网格湍流对剪切层中预混火焰结构的影响

本文研究网格湍流对射流剪切层以及建立在其中的预混火焰的影响。利用热线风速仪测量射流的速度场,发现网格湍流使剪切层内湍流强度明显降低,抑制了低频速度脉动,同时增加了湍动能在小尺度脉动上的分配,使湍流更趋于各向同性,这表明网格湍流抑制了剪切层内的大涡和拟序结构。用细丝热电偶测量了火焰温度,结果显示网格湍流使火焰前峰的低频大幅摆动减少,小尺度皱褶增加,火焰区平均温度更高,说明网格湍流有利于剪切层中预混火焰的强化和稳定。     

湍流预混滞止火焰冷态流场的实验研究

本文建立了预混滞止火焰燃烧实验装置,采用激光多普勒技术对湍流冷态流场进行了诊断。对测量的速度信息进行了分析和处理,得到了该测点的欧拉时间关联函数和积分时间尺度,并通过傅立叶转换得出湍流冷态流场的湍谱特性。该实验结果和数据处理方法为将来的热态实验提供了基础数据和技术支持。     

氢气扩散火焰中辐射源项湍流脉动特征的PDF模拟

采用κ-ε湍流模型、标量联合的概率密度函数(PDF)输运方程和层流火焰面模型相结合,模拟氢气自由扩散火焰中辐射源项湍流脉动特征.给出了主燃区内辐射源项湍流脉动的频率图.辐射源项的样本点分布集中,大约95%以上的样本落在其系综的±3倍方差以内,频谱图为单峰.     

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。     

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...     

反扩散火焰温度场特性的实验研究

本文设计搭建石英管反扩散层流燃烧实验系统,研究了不同雷诺数和燃料组分条件下反扩散火焰的温度场特性。实验表明,反扩散火焰中心某一高度存在燃料和中心空气快速混合区域,体现出一定的预混燃烧特性。随中心射流雷诺数增大,火焰底部冷核区增大,高温区位置沿轴线上移,但火焰最高温度点的水平高度先升高后降低。不同燃料组分下,反扩散火焰的整体温度有所变化,但火焰温度的分布特性基本相似。     

壁面反应对微小通道内燃烧影响的数值模拟

对微小通道内氢气／空气预混火焰进行了数值模拟。通过对比考虑壁面反应和不考虑壁面反应的微通道内燃烧特性的差异,考察了壁面反应对微通道内燃烧状况的影响,揭示了壁面附近自由基行为和壁面反应、气相反应的相互关系,并探讨了不同尺度下壁面反应效应的程度。结果表明,壁面反应改变了微火焰结构,近壁面附近的自由基被吸附,在径向上出现了明...     

Entropy Generation during Head-On Interaction of Premixed Flames with Inert Walls within Turbulent Boundary Layers

The statistical behaviours of different entropy generation mechanisms in the head-on interaction of turbulent premixed flames with a chemically inert wall within turbulent boundary layers have been analysed using Direct Numerical Simulation data. The entropy generation characteristics in the case of head-on premixed flame interaction with an isothermal wall is compared to that for an adiabatic wall. It has been found that entropy generation due to chemical reaction, thermal diffusion and molecular mixing remain comparable when the flame is away from the wall for both wall boundary conditions. However, the wall boundary condition affects the entropy generation during flame-wall interaction. In the case of isothermal wall, the entropy generation due to chemical reaction vanishes because of flame quenching and the entropy generation due to thermal diffusion becomes the leading entropy generator at the wall. By contrast, the entropy generation due to thermal diffusion and molecular mixing decrease at the adiabatic wall because of the vanishing wall-normal components of the gradients of temperature and species mass/mole fractions. These differences have significant effects on the overall entropy generation rate during flame-wall interaction, which suggest that combustor wall cooling needs to be optimized from the point of view of structural integrity and thermodynamic irreversibility.     

H_2/N_2湍射流抬升火焰的直接数值模拟

使用上海超算中心的并行计算机模拟了一个实验参数下的湍流射流抬升火焰。该实验的喷口直径为4.57 mm,实验雷诺数达到了23600。为了完成这个高雷诺数射流燃烧的直接数值模拟,共采用了1024个CPU,共计2.85亿网格。主要介绍了采用的直接数值模拟方法,实验的具体参数以及选取该实验作为模拟对象的原因。最后用直接数值模拟的结果具体分析该实验的着火机理。     

Influence of Burner Geometry on Heat Transfer Characteristics of Methane/Air Flame Impinging on Flat Surface

An experimental study has been conducted to find the heat transfer characteristics of methane/air flames impinging normally to a flat surface using different burner geometries. The burners used were of nozzle, tube, and orifice type each with a diameter of 10 mm. Due to different exit velocity profiles, the flame structures were different in each case. Because of nearly flat velocity profile, the flame spread was more in case of orifice and nozzle burners as compared to tube burner. Effects of varying the value of Reynolds number (600–2500), equivalence ratio (0.8–1.5) and dimensionless separation distance (0.7–8) on heat transfer characteristics on the flat plate have been investigated for the tube burner. Different flame shapes were observed for different impingement conditions. It has been observed that the heat transfer characteristics were intimately related to flame shapes. Heat transfer characteristics were discussed for the cases when the flame inner reaction cone was far away, just touched, and was intercepted by the plate. Negative heat fluxes at the stagnation point were observed when the inner reaction cone was intercepted by the plate due to impingement of cool un-burnt mixture directly on the surface. Different heat transfer characteristics were observed for different burner geometries with similar operating conditions. In case of tube burner, the maximum heat flux is around the stagnation point and decay is faster in the radial direction. In case of nozzle and orifice burner, the heat transfer distribution is more uniform over the surface.     

高比例氢气对受限空间旋流钝体火焰结构的影响

氢是非常有潜力的清洁能源载体,富氢燃料燃烧是降低碳排放的可行方式.燃料掺氢会使火焰结构发生明显改变,进而会影响燃烧过程的排放特性与稳定性.然而,氢气掺混对旋流钝体火焰结构影响机理还不甚明确,高掺氢比下火焰结构特征的研究尚且不足.本文基于预混CH4/H2旋流钝体火焰,对宽广掺氢比范围内(0％～80％)的火焰多场信息进行了...     

基于FGM的湍流射流扩散火焰超大涡模拟

为了研究超大涡模拟(VLES)预测湍流燃烧问题的能力,本文采用VLES结合基于假定概率密度函数的火焰面生成流型(FGM)建表湍流燃烧模型对值班甲烷/空气湍流射流扩散火焰(Sandia Flame D)开展了高精度数值研究,并与实验结果进行了详细比较.结果表明本文发展的VLES-FGM方法可以较准确地预测出湍流射流扩散火...     

亚微米颗粒湍流团聚特性的实验研究

燃煤电厂亚微米颗粒物排放是造成大气环境污染和影响人体健康的重要因素。本文搭建亚微米颗粒湍流团聚实验平台,通过场发射扫描电镜(FESEM)对亚微米颗粒的团聚形貌进行微观表征以及扫描电迁移率粒径谱仪(SMPS)对亚微米颗粒团聚前后的粒径分布特性进行宏观测量。结果表明:亚微米颗粒湍流团聚形成多分叉颗粒树聚团结构,进口流速为0.8?5.3m/s条件下,PM1和PM0.1的脱除效率分别为5.6%?18.6%和7.0%?21.4%,且PM1和PM0.1的脱除效率曲线随速度变化呈现二次函数规律。