合成气纯氧高压预混湍流火焰结构研究

为了理解高压下合成气纯氧预混湍流火焰中火焰与流动的耦合作用,利用OH-PLIF激光测量技术开展了高压条件下合成气纯氧预混湍流火焰结构研究,获得了高压下预混湍流火焰前锋面结构,得到了火焰前锋面尺度信息,包括火焰体积、火焰面密度和火焰前锋面尺度,并分析了预混湍流火焰前锋面与湍流尺度和层流火焰尺度的相互作用关系.研究结果表明:高压预混湍流火焰前锋面为褶皱火焰面结构,火焰面为小尺度的尖峰结构和大尺度的树干状结构互相叠加;合成气火焰前锋面结构比甲烷混合气火焰更加精细,尺度更小;合成气预混湍流火焰体积较小,放热区较小,在预混贫燃燃气轮机燃烧室中容易产生燃烧振荡;合成气和甲烷火焰在湍流燃烧速率上表现出不同的转折规律,这可以通过火焰前锋面尺度和火焰自身不稳定性尺度来解释;湍流流动对火焰前锋面的扰动受到火焰自身不稳定尺度的限制.     

二甲醚-空气-N2/CO2混合气层流燃烧特性研究

利用容弹球形火焰法测量了常温、常压下不同稀释系数、不同当量比时二甲醚-空气-N2/CO2混合气的层流燃烧特性.研究结果表明:拉伸火焰传播速度、无拉伸火焰传播速度、无拉伸层流燃烧速率均随稀释系数的增大而减小.Markstein长度值随稀释系数的增大而增大,二甲醚-空气混合气中加入稀释气后提高了火焰前锋面的稳定性.二甲醚-空气混合气进行少量稀释后即可提高火焰的稳定性,继续增大稀释系数对提高火焰稳定性的作用不明显.无拉伸层流燃烧速率最大值随着稀释系数的增加向浓混合气方向偏移.随着稀释系数的增大,二甲醚-空气-稀释气混合气的稀燃极限向浓混合气一侧移动,浓燃极限向稀混合气一侧移动,可燃范围变窄.CO2作为稀释气对火焰传播速率和可燃区域的影响大于N2作为稀释气对火焰传播速度和可燃区域的影响.     

火焰面方法进展及在燃机燃烧室模拟中的挑战

现代燃气轮机燃烧室参数持续提高，燃料种类不断丰富，燃烧技术深入开发，这对燃机燃烧过程数值模拟方法的发展提出了更高的要求。火焰面方法兼具准确性和计算效率高的特点，是燃气轮机燃烧室成熟数值模拟方法的主要选择之一。该文针对燃气轮机燃烧室未来多工况、高参数、低污染的发展趋势，从火焰面方法在自适应湍流燃烧模型中的应用、进度变量的优化选择、湍流燃烧耦合模型以及火焰面方法在污染物预测中的应用等4个方面，回顾了火焰面方法的相关模型及适用范围，分析了该方法在燃气轮机燃烧室中的应用及面临的挑战。在此基础上，对火焰面方法在未来燃气轮机燃烧室模拟中的发展方向提出了针对性建议。     

高温高压条件下甲醇-空气-稀释气层流燃烧速度测定

利用高速纹影摄像法在定容燃烧弹内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一空气混合气预混层流燃烧速度和Markstein长度,分析了火焰拉伸对火焰传播速度的影响．基于火焰纹影照片,分析了火焰前锋面形态随混合气初始状态的变化规律．结果表明：甲醇-空气混合气层流燃烧速度随初始压力的增加而降低,随初始温度的增加而增加．氮气作为稀释气添加后,混合气的燃烧速度随稀释度增加而减小．Markstein长度值随初始压力增加而减小,随初始温度增加而减小,随气体稀释度增加而增大．随初始压力增加,火焰前锋面不稳定性增加,皱褶火焰前锋面出现的时刻提前．     

低热值气体燃料掺氢火焰稳定性的研究

基于直接数值模拟方法和详细化学反应机理研究了流体动力学不稳定性和热-质扩散不稳定性共同作用下的低热值气体燃料掺氢胞状火焰的发展和演变过程.建立了多组分气体燃料燃烧控制方程,获得了不稳定性作用下的低热值气体燃料掺氢胞状火焰的多种演变形式:胞的分裂、局部熄灭、二次熄灭和再燃.研究结果表明随着燃料中H2的增加,胞状火焰出现的时间提前,火焰胞的幅值增加.随着燃料中CO2的增加,火焰的不稳定性受到抑制.低热值气体燃料掺氢火焰在不稳定时会出现火焰胞的分裂、局部熄灭和再燃等3种动力学形态.胞的二次熄灭只发生在热-质扩散不稳定性较强的稀燃H2/空气火焰中.     

直流电场对预混CH4/O2/N2火焰传播特性影响的试验研究

为研究直流电场及其极性对火焰传播行为的影响,利用高速摄像法和球形扩展火焰理论在定容燃烧弹上展开了正负直流电场作用下预混CH4/O2/N2火焰传播规律的试验研究.试验结果表明:对于化学计量空燃比混合气,施加电场后球形火焰面在水平方向上被拉伸,拉伸火焰传播速率、无拉伸层流燃烧速率以及马克斯坦长度均随着输入电压幅值的增大而增大,且负电场比正电场的作用更加显著.当输入电压为-5 kV与5 kV时,火焰传播速率相对于未加电场时分别增加了10.85％和5.66％,而层流燃烧速率则分别增加了13.13％和6.98％.因此,电场能有效促进火焰传播,改善燃烧以及提高燃烧稳定性.     

二甲醚-空气-N2／CO2混合气层流燃烧特性研究

利用容弹球形火焰法测量了常温、常压下不同稀释系数、不同当量比时二甲醚-空气-N2／CO2混合气的层流燃烧特性．研究结果表明：拉伸火焰传播速度、无拉伸火焰传播速度、无拉伸层流燃烧速率均随稀释系数的增大而减小．Markstein长度值随稀释系数的增大而增大,二甲醚-空气混合气中加入稀释气后提高了火焰前锋面的稳定性．二甲醚-空气混合气进行少量稀释后即可提高火焰的稳定性,继续增大稀释系数对提高火焰稳定性的作用不明显．无拉伸层流燃烧速率最大值随着稀释系数的增加向浓混合气方向偏移．随着稀释系数的增大,二甲醚-空气-稀释气混合气的稀燃极限向浓混合气一侧移动,浓燃极限向稀混合气一侧移动,可燃范围变窄．CO2作为稀释气对火焰传播速率和可燃区域的影响大于N2作为稀释气对火焰传播速度和可燃区域的影响。     

二甲醚-氢气-空气混合气预混燃烧的实验研究

在定容燃烧弹中,研究了不同燃空当量比、掺氢比和初始压力下的二甲醚-氢气-空气预混合气的一系列层流燃烧特性参数,并且系统地分析了当量比、掺氢比和初始压力对燃烧的影响.结果表明:随着掺氢比的增大,火焰传播速率、层流燃烧速率、燃烧压力升高率和质量燃烧速率都明显增大,火焰发展期和燃烧持续期则随之缩短;当掺氢比较低时,随着当量比的升高,马克斯坦长度不断递减,即稀混合气的燃烧稳定性更高;当掺氢比较高时,随着当量比的升高,马克斯坦长度不断递增,即浓混合气的燃烧稳定性更高;最高燃烧压力随着初始压力的升高而升高,受掺氢比的影响相对较小.     

火焰拉伸率对层流燃烧速度的影响

将层流火焰消耗速度的概念与反应进程变量(progress variable)的定义相结合,给出了积分层流燃烧速度的广义定义.在准一维稳态系统中,分析了积分层流燃烧速度与未燃气体位移速度和已燃气体位移速度之间的关系.对甲烷空气和丙烷空气拉伸层流预混火焰在常温常压下进行了数值计算,研究不同当量比时,火焰拉伸率对层流燃烧速度的影响.通过火焰前锋放热率的积分层流燃烧速度和燃料消耗率的积分层流燃烧速度进行比较,结果表明,低拉伸火焰的马克斯坦数(Markstein number)与渐进分析一致,也与球形火焰获得的实验数据吻合.     

正丁醇预混层流燃烧试验

基于定容燃烧弹,利用高速纹影摄影和球形火焰扩展法,分析了不同燃空当量比(0.7~1.6)、初始温度(400,430,460 K)、初始压力(0.1,0.2,0.3 MPa)对正丁醇-空气预混层流燃烧的影响.研究了正丁醇-空气层流燃烧速度、火焰传播速度和拉伸率等关键层流燃烧特性参数的变化规律.结果表明:随着燃空当量比的增加,火焰前峰面稳定性变差,火焰传播速度和无拉伸火焰层流燃烧速度均呈现先增加后减小的趋势;随着初始温度的增加,火焰传播速度和无拉伸层流燃烧速度均增加,火焰前峰面稳定性下降;随着初始压力的增加,无拉伸层流燃烧速度和火焰传播速度均减小,火焰前峰面稳定性变差;火焰前峰面拉伸率随拉伸火焰传播速度的增加而逐渐减小.     

湍流热伴流中氢气与乙炔射流自着火实验

氢燃料燃气轮机是碳中和目标下氢燃料发电的关键设备,因此探究湍流热伴流中氢气自着火特征以及与碳氢燃料间的差异具有重要意义。该文采用湍流热伴流自着火实验系统,通过获取火焰图像和OH自由基分布,对比分析了氢气和乙炔在自着火类型、结构等方面的差异。结果表明：受氢气的高扩散系数和高火焰传播速度影响,氢气随机着火分布区域较紧凑,OH自由基分布较连续,同时难以观测到独立自着火核。此外,相较于乙炔,氢气自着火抬升高度对燃料射流速度敏感性较低,自着火位置波动性较弱。基于氢气射流自着火特征,该文还改进了自着火抬升高度预测模型,并证明了火焰传播在氢气射流自着火火焰稳定方面的重要作用。     

低旋流CH_4/H_2火焰的燃烧特性及稳定性机制研究

为了研究低旋流CH_4/H_2火焰在不同H_2占比(体积分数)条件下的燃烧特性及稳定机制,对当量比为0.7的CH_4/H_2预混气体进行了数值模拟,分析了CH_4/H_2火焰的自相似特性、流场结构及火焰特性,研究了旋流数对富氢燃料回火性的影响。结果表明:随H_2占比增加,CH_4/H_2火焰仍保持自相似特性,其剪切层强度逐渐增加,内剪切层逐渐向中心低速区移动,火焰锋面逐渐向喷嘴移动,火焰形状由"碗"型逐渐变为"W"型,最后变为"V"型,而轴向、径向速度延伸率以及虚拟原点几乎不受H_2占比影响。在H_2占比从80%增加到95%时,燃料的层流火焰速度变化较大,使得流场结构和火焰锋面位置发生剧烈变化。对于中心低速区的CH_4/H_2火焰,当火焰传播速度等于当地气流速度时,火焰稳定;对于内剪切层区的CH_4/H_2火焰,速度梯度产生的旋流使得当地气流产生向下和向中心低速区移动的趋势,从而火焰产生向上移动的趋势,实现火焰稳定。适当减小旋流数,有利于减小富氢燃料回火发生的可能性。     

高雷诺数预混湍流火焰的数值模拟与结构表征

高雷诺数湍流预混燃烧是先进发动机高效清洁燃烧中的共性问题.为发展发动机燃烧室工况下的预混燃烧可预测模型,亟需开展高湍流度、宽压力范围内的湍流预混火焰基础研究.本文就近期相关进展进行综述,重点内容包括:(1)主要处于薄反应区预混燃烧模式下的自由传播与射流火焰的直接数值模拟;(2)湍流预混火焰结构演化中的几何与拓扑性质表征方法;(3)预混火焰锋面前后密度与黏度变化对临近流体局部各向异性与小尺度涡结构的影响机理;(4)高雷诺数湍流预混火焰中高拉伸率与差异扩散对燃烧速率和局部熄火的影响;(5)湍流预混燃烧大涡模拟中的亚格子模型.     

基于RANS求解的火焰面/反应进度变量湍流燃烧模型研究

通过求解稳态一维拉伸层流扩散火焰面方程,得到混合物分数及反应进度Z-C双标量建表的层流火焰面数据库,并结合混合物分数满足β分布及一阶近似的反应进度变量条件概率密度分布,建立了湍流火焰面平均值数据库.通过将双参数火焰面模型的查表和求解过程与OpenFOAM计算平台相结合,发展了基于RANS方法的双参数湍流燃烧火焰面模型及数值计算求解器ZCFoam.对轴对称湍流射流Sandia D火焰的模拟表明,计算给出的温度分布、主要组分的分布等与实验值吻合较好.     

甲烷/空气燃烧NOx排放数值模型对比

为明确不同NO_x数值模型对甲烷/空气燃烧NO_x生成特性的适用性和差异性，以射流扩散火焰、旋流预混火焰、燃气轮机燃烧室为研究对象，分析了NO_x后处理模型法、解耦详细反应机理法和附加NO_x输运方程法对甲烷/空气燃烧NO_x生成特性模拟的适用性和差异性。结果表明：火焰后方N₂O的生成量较少，NO₂的生成量极少，NO含量占总NO_x的95.00%以上；NO_x后处理模型法可准确模拟火焰附近的NO_x生成位置和火焰后方的NO_x生成速率，但该模型低估了火焰位置的NO_x生成量和生成速率，并且不能再现火焰锋面附近N₂O浓度先升高后下降的变化规律；附加NO_x输运方程法对火焰锋面处的NO_x生成位置、生成量和生成速率的计算精度最高，但该模型低估了火焰锋面后方的NO_x生成...     

高辛烷值燃料-空气预混层流燃烧特性研究

在定容燃烧弹中采用高速纹影摄像方法研究了不同当量比(φ=0.8～1.4)和初始温度(373K,423 K,473 K)下高辛烷值燃料-空气预混合气的层流燃烧特性,分析了当量比和初始温度对燃烧的影响.结果表明:拉伸火焰传播速率、无拉伸火焰传播速率、拉伸层流燃烧速率和无拉伸层流燃烧速率随着初始温度的增加而增加,无拉伸层流燃烧速率在φ=1.0～1.1附近有最大值;马克斯坦长度随初始温度的增加而增加,随当量比的增加而减小;燃烧压力峰值与混合气质量的比值在φ=1.1时出现最大值,初始温度增加,该比值相应增加.     

MILD燃烧条件下掺氢比对甲烷-氢气湍流扩散火焰的影响

采用二维轴对称的仿真方法对JHC实验中的第二级MILD燃烧进行数值模拟,研究了燃料体积流量不变时,掺氢比对甲烷-氢气湍流扩散火焰的影响规律.结果表明:随着掺氢比增加,燃料与氧化剂的混合程度逐渐提高,混合气体的总流速及其径向分量不断减小,火焰锋面逐渐向氧化剂侧倾斜,OH自由基的最大质量分数呈现出先上升后下降的趋势;在燃烧温度方面,虽然MILD燃烧主要放热反应区域内的燃烧温度随掺氢比的增加不断增大,但当掺氢比大于20%时,掺氢比的进一步提高对最高燃烧温度影响很小.     

管道内甲烷-空气预混火焰传播特性的实验与数值模拟研究

采用高速纹影摄像系统、压力传感器等对小型水平封闭管道内甲烷-空气预混燃烧火焰的传播过程进行了实验研究,得到了火焰锋面结构、传播速度和压力随时间的变化关系.研究结果表明,管道内预混火焰传播过程中,火焰结构会发生明显变化,即从向未燃气体凸出的球形层流火焰转变成向已燃气体凹陷的V形湍流火焰,同时伴有火焰传播速度的减小、压力的不断增大.另外运用标准k-ε模型,对非定常时的甲烷预混燃烧火焰进行数值模拟,得到了与实验结果类似的火焰传播特性和火焰结构的变化规律.     

富氢重整气对天然气发动机燃烧反应过程的影响

为研究基于废气重整再循环(REGR)技术的天然气发动机燃烧排放调控机制,开展了富氢重整气添加对点燃式天然气发动机缸内燃烧过程影响的数值模拟研究。结果表明,添加富氢重整气与增大过量空气系数对天然气发动机的燃烧过程的影响规律相反。增大重整气添加率可使燃料着火时刻提前1.42°,燃烧持续期缩短;增大过量空气系数则会使缸内平均压力峰值和放热率峰值降低,着火时刻滞后2.24°。REGR率增加到16%时可使总碳氢化合物排放降低26.98%,NO_x排放降低62.52%,但会导致发动机功率降低9.52%。基于此,从化学动力学角度进一步解析REGR率对天然气发动机缸内燃料燃烧反应过程与污染物生成演化过程的影响。结果表明,随REGR率增大,OH自由基参与CH_4消耗反应占比增大,从而加快基元反应速率,使燃烧相位提前,并使未燃HC排放降低。     

掺氢对二甲醚预混层流燃烧特性的影响

利用定容燃烧弹试验和化学反应动力学数值模拟相结合的方法,研究了不同氢气掺混比下的二甲醚-氢气-空气预混层流火焰特性,分析了氢气掺混量(掺氢比)对二甲醚预混层流燃烧速度、绝热火焰温度以及火焰中主要活化自由基的影响。试验结果显示:随掺氢比的增大,混合气体的层流燃烧速度、绝热火焰温度逐渐增大,且在掺氢比小于80%时增大幅度较小,在掺氢比大于80%时,增大幅度较大;掺氢比较小时,混合燃料燃烧初期,火焰中会有一定量的氢气生成,说明混合燃料燃烧过程中,二甲醚会被优先氧化分解,在掺氢比较小的混合燃料燃烧过程中二甲醚的氧化分解占主导地位;随掺氢比的增大,火焰中自由基的浓度逐渐增大,大掺氢比时H自由基浓度增大幅度更为明显,H自由基浓度随掺氢比增大的剧增导致层流燃烧速度的剧增。