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.     

H2/air旋流预混燃烧的流场特性和火焰结构分析

本文采用完全可压缩的N-S方程,对当量比为1.0的H₂/air旋流预混火焰进行了直接数值模拟研究。氢气和空气的化学反应采用9种组分19步的详细机理。模拟结果表明,强旋流流场中存在回流区,碗形旋流火焰稳定在回流区的外围。在火焰面上沿火焰法向提取了局部火焰结构,将局部湍流火焰结构与层流预混火焰的火焰结构进行了比较,发现局部湍流火焰比层流预混火焰更薄,燃烧强度更高。     

旋流燃烧室内湍流燃烧的PDA实验研究

本文建立了采用分级进风的旋流燃烧室实验台，实现了用三维激光粒子动态分析仪（ＰＤＡ）测最湍流旋流燃烧的热态瞬时速度场。在一次风旋流数为０．６９的工况下，衍到了燃烧室内气体时均轴向与切向速度和轴向与切向脉动速度均方根值的分布。     

旋流喷雾燃烧的直接数值模拟

对三维旋流喷雾燃烧进行了初步的直接数值模拟,其中液滴蒸发采用无限热传导蒸发模型描述,气相燃烧采用自适应单步反应机理,液滴的跟踪在拉格朗日框架中进行。模拟结果表明,喷雾燃烧的火焰结构十分复杂,仅采用传统的非预混燃烧模型是不够的。在蒸发和燃烧共存并存在强烈相互作用的区域,组分与混合物份额之间存在着复杂的关联,这给发展精确的湍流喷雾燃烧模型带来了挑战。     

气液两相旋流燃烧的时均统计特性

通过直接数值模拟的方法研究了旋流燃烧器中三维正庚烷喷雾燃烧,为实际喷雾蒸发和燃烧问题提供参考。气相燃烧模型采用自适应单步反应机理,液相采用拉格朗日方法跟踪,液滴蒸发采用无限传导蒸发模型。本文研究了气相和液相时均特性.结果发现燃烧和中心回流区(CRZ)之间有相互促进作用;同向旋流导致更强的中心回流区(CRZ),但是会有更小的外部回流区(ORZ);富预混燃烧会有更高的化学反应速率,并且蒸发冷却的影响更为明显;湍流入流会导致更高的液滴散布和更小的液滴直径。     

煤粉旋风燃烧过程流场特性研究

煤粉旋风燃烧器可用于工业加热过程,实现以煤代油,本论文根据旋流燃烧流动特点,采用能考虑非均向湍流应力的雷诺应力模型,对煤粉旋风燃烧器内气流流动过程场进行数值模拟计算,流场计算结果表明,燃烧室几何参数对其内部的流动特性有很大的影响。计算结果与流场实验测试相吻合。     

湍流旋流燃烧瞬时速度PDF的实验测量

本文应用三维激光粒子动态分析仪(PDA)对分级进风旋流燃烧室内的湍流燃烧过程进行了实验测量。通过瞬时速度场的测量结果,获得了燃烧室内各测点上气体轴向与切向瞬时速度的概率密度函数(PDF),揭示了热态速度场的湍流脉动特性。     

旋流对煤粉燃烧NO排放影响的数值模拟

本文用基于HCN释放的简化Solomon模型的NO生成湍流反应的统一二阶矩代数模型(AUSM)和煤粉燃烧的双流体模型,对不同旋流数下煤粉燃烧器内两相流动,煤粉燃烧和NO生成进行了数值模拟。模拟结果和文献中实验结果符合很好。模拟结果指出,随着旋流数的增加,NO的排放先减少后增加,燃尽率先增加后减小,和气体燃烧中得到的规律类似。     

受限空间内旋流回流区特性

为了研究受限空间内旋流回流区的三维结构特性,采用realizable k-ε模型模拟了旋流数等于0.884时,不同受限空间内的旋流流场.受限率是影响回流区形态的重要因素,受限率大于6时,中心回流区与下游回流区是两个独立的区域,有两对涡结构;受限率在3～6之间时,中心回流区与下游回流区合并到一起,存在两对独立的涡结构;受...     

湍流旋流燃烧与NO_x生成的实验测量

本文设计了采用分级进风方式的旋流燃烧室,建立了湍流旋流燃烧热态实验装置系统。对分级进风旋流燃烧室内的湍流燃烧与NO_x生成进行了实验测量,获得了在不同的分级进风流量比率即二次风率下燃烧室内气体温度和O₂.CO₂、CO与NO浓度的分布。     

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...     

非预混旋流火焰中部熄火及重新稳燃机理研究

本文利用5 kHz同步PIV/OH-PLIF实验装置,结合大涡模拟(LES)耦合PDF燃烧模型,系统研究燃料中心喷射下非预混旋流火焰中部熄火及再次稳燃机理,对比了两种旋流器出口结构的影响.结果 表明,LES-PDF模型可以准确地捕捉到旋流流场分布及火焰形态,包括中部熄火及火焰重新稳定.相比于直燃道的结构,扩张燃道的存在引导了更宽的回流区,改善了中部熄火现象,两种结构对其下游的主火焰再次稳燃高度影响不大.中央燃气射流带来的高标量耗散率使得热损失变大,从而引起中部熄火.同时进一步促进了CH4与空气的预先混合及部分反应前置物(CH2O),为非预混旋流火焰在下游重新稳燃提供了有利条件.通过对火焰再次稳燃处OH反应项及扩散项的分析,发现反应项占据主导地位,部分预混火焰传播为再次稳燃的主要机理.     

超低浓度煤层气在流化床中燃烧的实验和数值研究

超低浓度煤层气由于甲烷含量低、浓度变化大而较难加以利用。采用实验和数值模拟的方法,研究了超低浓度煤层气在流化床中的燃烧,分析了床层温度、甲烷体积浓度,流化风速对甲烷燃烧效率的影响,并用数学模型预测了甲烷沿床层高度方向的分布。研究表明,数学模型和实验数据吻合较好。床层温度是煤层气燃烧反应的关键因素,甲烷的转化率随着床层温...     

多孔焦炭燃烧特性的模型构建及数值模拟

焦炭燃烧在固体含碳燃料燃烧进程中占有主导地位,常规燃烧温度范围内(1273～1700 K)的焦炭燃烧过程研究及其模型化对于燃烧设备的设计和优化具有重要的意义。本文根据实际炉内的炭粒燃烧情况,将焦炭燃烧的模拟过程分解成几个环节分别进行研究,即热解后焦炭的初始化学反应活性、焦炭燃烧中化学活性变化、外部氧的扩散对于内孔燃烧的影响,并给出了相关过程的模型计算式。通过与已有管式炉实验结果的比较,新模型的预测结果能较好地反映焦炭的真实燃烧状况。与目前常用的焦炭燃烧模型相比,本模型具备一定的燃料通用性,计算负荷低且能保持相当的预测精度,可耦合到大型燃烧计算程序之中,更为有效地指导实际燃烧设备的优化设计。     

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。     

碳氢扩散火焰实验研究：燃烧气氛对火焰光谱与温度的影响

辐射是各种燃烧过程中热传递的主要方式。在不同的火焰中,辐射光谱分布十分复杂。在这项工作中,利用光谱仪测量了可见光(200～900 nm),近红外(900～1 700 nm)和中红外(2 500～5 000 nm)波段火焰的光谱强度,分析了空气和富氧气氛下扩散火焰的光谱特征。并基于光谱分析,定量得到了火焰中碳烟以及气体发射的辐射力,计算了火焰的温度分布。结果表明,空气燃烧中的火焰温度低于富氧燃烧中的火焰温度。在空气气氛下,火焰中的碳烟和气体均对中的热辐射起着重要作用。而在富氧气氛下,气体对于火焰热辐射更为重要。在可见光和近红外波段,由于在空气气氛下火焰中碳烟的大量形成,光谱曲线显示出了良好连续性。而富氧气氛下火焰的辐射光谱降低。在中红外波段,空气气氛下火焰的气体辐射明显弱于富氧气氛下火焰的气体辐射。     

钝体驻定湍流扩散火焰的数值研究——燃烧模型比较

分别采用标量联合的概率密度函数方法、稳态火焰面模型、Euler非稳态火焰面模型和基于有限体积/Monte Carlo混合算法的完备PDF模型对钝体驻定的Sydney湍流扩散火焰HM1进行数值模拟,以比较不同燃烧模型的性能,并比较标量联合的概率密度函数方法和Euler非稳态火焰面模型对氮氧化物排放预测的差异.计算结果和实验数据的比较表明,采用概率密度函数方法计算化学反应可以得到更好的结果但计算量较大,而用火焰面模型求解计算量较小,在接近完全燃烧的情形下,其计算结果比较合理.     

热辐射率对火焰温度测量精度影响的研究

分析了影响热辐射法测量火焰温度精度的主要因素,研究了基于灰体热辐射理论描述火焰介质的热辐射率变量特征的相关参量,构造了燃烧产物的热辐射率函数的理论模型。根据火焰产物的特性采用不同的近似方案,讨论了热辐射率准确性对温度测量精度的影响。结果表明,火焰介质可分为理想、线性和一般灰体,相关的热辐射率函数的表现形式是不同的,多波长辐射法比单波长辐射法测温精度要高。     

利用火焰发射光谱来研究汽油机的燃烧过程

本文用一套精密的光电转换系统，采集了一台汽油机燃烧过程中火焰辐射在可见光到近紫外波段内的光谱，探测到了燃烧中间产物ＣＨ、ＣＮ、Ｃ２、Ｈ２Ｏ等的特征光谱，并分析了这些产物在燃烧过程中的变化规律，以及随过量空气系数，缸内压力的变化．实验结果表明，汽油机三个不同的燃烧阶段具有不同的燃烧光谱特征：着火过程中，存在着大量的处于激发态的分子、原子、离子、自由基等活化中心的束缚态光谱，随着燃烧发展，ＣＨ、Ｃ２自由基的光谱强度明显加强；当减小过量空气系数时，光谱强度变弱并且着火延迟期增长；自由基特征光谱的光强变化曲线可以反映它们在燃烧过程中的浓度变化．所以火焰发射光谱是实时检测燃烧中间产物，特别是ＣＨ、Ｃ２等有害排放物变化规律的有效手段，可以为分析、模拟燃烧过程，控制排放提供有用的实验数据．     

甲醇对正庚烷层流预混火焰影响的实验研究

利用低压层流预混火焰结合同步辐射真空紫外光电离技术和分子束取样质谱技术,探测到并计算了甲醇摩尔掺混比为0%、11%、28%和50%的甲醇/正庚烷/氧气/氩气火焰中62种燃烧中间产物和最终产物的摩尔分数.结果发现,甲醇的加入对正庚烷的消耗速率和大分子裂解没有影响,其主要作用表现在对C1和C2小分子摩尔分数的影响.甲醇的氧...