多孔介质内气/液燃料过滤燃烧的试验

摘要： 研究了小球自由堆积型多孔介质内丙烷/空气混合气的低速过滤燃烧过程,分析了燃烧室内温度、燃烧波传播速度和排放特性,以及当量比、入口气体速度等参数对过滤燃烧与排放特性的影响;实现了常压下柴油在多孔介质内的预蒸发自维持过滤燃烧,并研究了液体燃料过滤燃烧的温度特性.结果表明：在燃烧的不同阶段,预混合气燃烧波的传播速度与燃烧室内高温区域的范围差别较大;随着当量比增加,燃烧波的平均传播速度降低,燃烧温度升高,排放量增加;随着入口气体速度增大,燃烧波的传播速度增大,排放量降低;液体燃料过滤燃烧的最高温度低于气体燃料的最高温度,且燃烧器的中心温度与壁面温度差异较大.     

过滤燃烧火焰锋面不稳定性的实验研究

实验研究甲烷/空气预混气体在多孔介质燃烧器中燃烧的火焰锋面不稳定特性.结果表明,给定一个初始非均匀预热区域,在当量比为041,流速为042m/s时,在6mm的小球填充床内,火焰锋面由较为规则的对称火焰逐渐演变为倾斜火焰,并最终分裂为上下两个区域.在布置填充床的同时,对填充床进行夯实,降低孔隙率分布不均匀性.在孔隙率均匀的填充床内,初始的非均匀预热区域,使得火焰的传播极其不稳定,最终导致熄火;即使给定初始均匀的预热区域,火焰锋面依然具有一定的不对称性.填充床的结构不均性是过滤燃烧火焰锋面倾斜的主要原因,而初始的不均匀因素将加剧火焰传播的不稳定性.     

简单立方堆积床内火焰特性的试验研究

多孔介质燃烧具有效率高和稳定性好等特点，提出一种简单立方堆积结构.该结构由氧化铝颗粒堆积床和双层碳化硅泡沫陶瓷组成，用以对其中的过滤燃烧特性开展试验研究.通过改变预混气体当量比和入口速度，研究在不同工况下的火焰可燃界限、火焰传播规律、CO排放规律和燃烧效率.研究发现：火焰的驻定和传播取决于区域温度、当量比和流速；在颗粒直径为40 mm的堆积床中，火焰易于传播且燃烧效率较高，而颗粒直径为20 mm的堆积床更有利于稳定火焰.     

不同初始条件下预混气体爆轰波传播研究

为了研究预混气体爆轰波的传播速度与初始压力、温度、预混气体密度等因素之间的关系,首先分析了丙烷和空气的混合气体爆轰波的传播速度与各影响因素的关系,利用自制的方形激波管,通过实验测试了预混气体的爆轰波传播特性,然后采用定性矩阵的分析手段来定性分析各个初始条件对爆轰波传播速度的影响,结合定量的实验和定性的分析可以看出,预混气体爆轰波的传播速度与初始条件(ρ、T、C、P)之间定量的影响结果和定性的分析是一致的。该手段验证了实验结果,为研究未知初始条件的影响提供了一种方法,对于爆轰波传播机理的深入研究具有重要意义。     

光滑管中预混火焰传播物理机理的实验研究

开展了常温常压下二元燃料氢气/丙烷和空气预混气体在光滑方管道中火焰传播物理机理的实验研究。采用压力-时间记录法和纹影法两种测试方法,获得火焰传播速度和火焰阵面结构沿管道变化情况。结果表明:两种方法所测得的火焰传播速度在所测量范围内都先增加后减小。火焰加速传播机理主要是前方未燃气体受到前驱压缩波作用而被加热和压缩的正反馈微分加速机制,之后在管端反射的压缩波影响下,火焰传播速度略有降低。     

高温下掺氢天然气层流预混火焰传播特性

利用本生灯-纹影系统及CHEMKIN-PRO对高温下掺氢天然气层流预混火焰传播速度进行实验及数值模拟研究,并从热力学及化学动力学效应方面讨论了初始温度对掺氢天然气层流预混火焰传播特性的影响.结果表明:GRI-3.0机理能较准确地预测293~500K条件下的掺氢天然气层流预混火焰传播速度;在相同初始温度下,混合物层流预混火焰传播速度在高掺氢比时增幅更显著;在相同当量比下,混合物层流预混火焰传播速度及绝热火焰温度随初始温度的升高呈近线性增加;高温下,H自由基浓度的增大进一步增强了H+O₂=O+OH对整体燃烧反应的促进作用,使混合物层流预混火焰传播速度显著加快.     

甲烷在具有隔热通道的微燃烧器中的燃烧特性

为了解微小Swiss-roll燃烧室的工作特点,用平板Swiss-roll燃烧器进行CH4/空气预混气的燃烧实验,获得了不同甲烷流量时燃烧器的熄火极限,分析了燃烧产物成分.结果表明:该燃烧器能够实现CH4/空气的稳定燃烧,并确保火焰位于燃烧器的中心;当存在回热时,未燃气体被加热,燃烧器的可燃极限范围增大,但上下极限并不对称,富燃极限比较小,而富氧极限比较大,预混气体能够在较大的空气流量下稳定燃烧;燃烧器最高的壁面温度在理论当量比附近,且随着空气流量的增大,火焰温度逐渐下降;空气过量时甲烷可实现较完全燃烧,空气不足时过剩的甲烷转化为H2和CO,减小了燃烧放热量,使燃烧器容易熄火.     

微细通道中甲烷预混火焰传播的实验

对微细通道中甲烷/氧气(空气)预混火焰传播现象进行了实验研究。确定了火焰能够在细管中稳定传播的当量比极限,以及在不同甲烷百分比下火焰的传播速度。结果表明:在室温条件下,甲烷和氧气预混火焰可以在细管中稳定地停留在一点燃烧,并且可以很好地控制其移动;相反,对于甲烷和空气的预混气体,即便环境温度在1 100K以上,也不能在微细通道中得到稳定的火焰。在同一甲烷流量下存在着两个当量比极限。在这两个当量比之间,火焰可以进入细管传播。在较小气体流量下,当氧气过量时微细通道中甲烷和氧气预混火焰的传播速度与宏观尺度下火焰的传播速度基本相当,随着流量的增加火焰传播速度很明显地增加。     

稀疏波对预混火焰影响规律的试验研究

为揭示稀疏波与层流传播火焰的相互作用规律,以管道中传播的丙烷-空气预混火焰为研究对象,利用高速纹影摄像和压力测试等手段对稀疏波与火焰的干涉过程进行了研究．实验过程中采用不同的点火方案,分别对同向稀疏波和逆向稀疏波与火焰的干涉作用进行了研究．实验结果表明,稀疏波的干涉作用均能使火焰阵面结构发生变化、火焰产生明显震荡,并导致火焰由层流向湍流燃烧的迅速转变;但在稀疏波对火焰的作用的初始阶段,同向稀疏波会明显降低火焰传播速度,而逆向稀疏波则迅速增大火焰传播速度,并伴随着剧烈的震荡．     

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.     

喷水对天然气发动机性能影响的数值模拟

通过数值模拟的方法研究喷水技术对重型天然气发动机燃烧和排放特性的影响.结果表明,喷水对天然气的低温反应阶段无显著影响,但是在高温反应阶段,OH自由基的生成速率被抑制,使得没有足够的氧化剂氧化CO,燃烧持续期延长,反应温度降低.随着喷水质量的增加,火焰传播速度减慢,致使燃料放热速率减缓,燃烧的持续期延长,最高温度降低,相位推迟.喷水位置距离燃烧室越近,水雾蒸发吸热降低燃烧室温度的作用越明显,这有利于增加进气过程的缸内充量密度.此外,喷水可以显著降低发动机的热负荷,抑制燃烧室内氮氧化物的生成,从而为天然气发动机的当量比燃烧提供可能性.     

Influence of rarefaction wave on premixed flame structure and propagation behavior

To explore the influence of rarefaction wave on the structure and propagation behavior of the premixed propane/air flame in a rectangle combustion pipe, the techniques of high speed Schlieren photograph method, pressure measurement and so on are used to study the interaction processes between rarefaction wave and flame. Two cases of rarefaction wave-flame interaction were performed in the experiment. The experimental result shows that both the rarefaction waves can cause the flame transition from laminar to turbulent combustion quickly. The cowflow rarefaction wave decreases the flame speed, while the counterflow rarefaction wave leads the flame propagation speed to increasing on the whole, accompanied with sharp vibration.     

Influence of rarefaction wave on premixed flame structure and propagation behavior

To explore the influence of rarefaction wave on the structure and propagation behavior of the premixed propane/air flame in a rectangle combustion pipe, the techniques of high speed Schlieren photograph method, pressure measurement and so on are used to study the interaction processes between rarefaction wave and flame. Two cases of rarefaction wave-flame interaction were performed in the experiment. The experimental result shows that both the rarefaction waves can cause the flame transition from laminar to turbulent combustion quickly. The cowflow rarefaction wave decreases the flame speed, while the counterflow rarefaction wave leads the flame propagation speed to increasing on the whole, accompanied with sharp vibration.     

Measurement of laminar burning velocities of iso-butanol-air mixtures

The laminar burning velocity of iso-butanol-air mixtures was measured under different initial pressures, initial temperatures and equivalence ratios using high-speed schlieren photography and outwardly propagation flame in a constant volume combustion bomb. Based on the analysis of stretched flame propagation speed and stretch rate, the laminar burning velocities and Markstein lengths of iso-butanol-air flames are obtained. In accordance, with photos of flame, an analysis of flame stability and the influencing factors is carried out. The results show that the laminar burning velocity is decreased with the increase of initial pressure and is increased with the increase of initial temperature. The maximum value of laminar burning velocity is presented at the equivalence ratio of 1.2. The Markstein length is decreased with the increase of equivalence ratio. For specified equivalence ratio, the Markstein length is decreased with the increase of initial temperature and initial pressure. Thus, the flame instability is increased with the increase of equivalence ratio, initial temperature and initial pressure.     

混合气压力对爆震波特征参数的影响规律

在混合气当量比一定的条件下，采用平衡常数法对烃-空气系统的爆震燃烧产物的平衡温度、平衡压力及爆震波速进行了计算及比较。在此基础上研究了混合气压力对爆震波特征参数的影响规律。结果表明：在同一当量比下，平衡温度和爆震波速随混合气压力变化规律一致，随着初始压力的增大而增大，逐渐趋于一最大值。平衡压力与初始压力呈线性增大。同时，对于不同燃料，分子量越大，其平衡温度、平衡压力就越大。     

Fuel design real-time to control HCCI combustion

In order to achieve lower emissions and extensive load in the homogeneous charge com- pression ignition (HCCI) engine system, a novel fuel design concept that high-octane number fuel and high-cetane number fuel are mixed real-time to con- trol HCCI combustion is proposed in this study. HCCI combustion fueled with iso-octane/n-heptane mix- tures controlled real-time on a single-cylinder HCCI combustion engine is studied. The test results show that the equivalence ratio of n-heptane in mixtures decides ignition and controls the combustion phase of HCCI combustion. The addition of iso-octane ex- tends knocking limit in equivalence ratio somewhat, but knocking occurrence mainly depends on the total concentration of mixture. Although operating range in equivalence ratio becomes narrow with the increas- ing proportion of iso-octane, the maximum load of HCCI combustion fueled with iso-octane/n-heptane mixtures controlled real-time is increased about 80% more than that of pure n-heptane. When iso-octane/ n-heptane mixtures are controlled in optimized method, it is proved that the load of HCCI combustion can be fully extended and emissions can be de- creased remarkably, while at the same time the higher indicated thermal efficiencies are obtained over the extensive operation range.     

O2/CO2气氛下燃煤过程中SO2排放特性实验

通过沉降炉对O2/CO2气氛和空气气氛下煤粉燃烧过程中SO2排放特性进行实验,结果表明,随燃料/氧化学当量比的增加,烟气中SO2浓度升高,单位煤生成SO2的量随燃料/氧化学当量比的增加而减少.在实验条件下,不加石灰石时,气氛和温度对SO2的生成无明显影响,SO2的生成量只与煤中含硫量以及煤的种类有关.当煤中加入石灰石后,O2/CO2气氛下SO2的排放量远小于空气气氛下,这主要是因为石灰石在O2/CO2气氛下取得的脱硫效率大大高于空气气氛下的脱硫效率.     

改善增压天然气发动机排放特性的途径

通过试验研究增压稀薄燃烧天然气发动机的排放特性,以及排气温度受过量空气系数λ的影响,研究结果表明:随着过量空气系数的增大,NOx与CO和HC的排放量变化趋势相反;压缩天然气发动机采用稀薄燃烧(λ＞1.0)技术的源排放能达到国Ⅲ标准,在加装普通三效催化转化器(TWC)后,其排放也只能达到国Ⅲ标准.原因是普通三效催化转化器只有在λ≈1.0时,其转化效率最高;米勒循环发动机的膨胀比大于压缩比,这有利于降低排气温度和提高热效率.因此,本文提出天然气发动机达到国Ⅳ排放标准一种新的技术路线:基于当量比燃烧(λ=1.0)的米勒循环技术,通过连续可变气门正时(CVVT)机构来调节气阀的开启和关闭时刻.采用该技术可以适当地增大发动机的压缩比,从而保证发动机的动力性和提高热效率,又可有效地降低排气温度,实现当量比燃烧,极大地提高了排放污染物在三效催化转化器中的转化效率,使天然气发动机排放达到国Ⅳ排放标准.