稀疏波对层流传播火焰干涉作用实验研究

为了揭示稀疏波对甲烷空气预混气中层流传播火焰结构及压力特性等的影响规律, 利用高速纹影摄像、压力测试等实验手段对小型密闭燃烧容器内甲烷-空气预混气中传播的层流火焰与稀疏波的相互作用规律进行了实验研究. 研究结果表明, 当稀疏波作用于层流传播火焰后, 在数毫秒内火焰就由层流燃烧充分发展成湍流燃烧, 其结果使得燃烧面积迅速增大, 压力上升速度加快.     

丙烷/空气预混火焰层流向湍流转变中微观结构的研究

为揭示丙烷-空气层流火焰向湍流燃烧转变过程中的基本结构和燃烧反应区的反应特性, 运用高速摄影和纹影摄像技术实时记录了丙烷-空气预混火焰由层流向湍流的转变过程, 得到了火焰结构形状的变化规律. 结合离子探针和微细热电偶测试技术, 根据实测结果分析了丙烷-空气爆炸过程中传播火焰的基本结构, 揭示了燃烧反应区的反应特性、反应强度及温度分布规律, 研究发现层流预混火焰中也存在小尺度湍流燃烧.     

甲醇-空气-稀释气预混燃烧的数值分析

基于扩展甲醇氧化机理,数值分析了不同氮气稀释比下的甲醇-空气-稀释气的层流预混燃烧特性和火焰结构特性.获得了甲醇-空气-稀释气的层流燃烧速度、质量燃烧流量、绝热火焰温度、全局活化温度、泽多维奇数和有效路易斯数等燃烧特性参数以及层流预混火焰结构信息.研究表明,扩展甲醇氧化机理适用于计算稀燃和化学计量比附近甲醇-空气-稀释气层流预混火焰特性和燃烧化学反应过程.层流燃烧速度和质量燃烧流量随氮气稀释比的增加而减小,且在混合气较稀时受稀释气的影响更明显.混合气有效路易斯数随稀释比的增加而略有增加,火焰锋面热扩散不稳定性被抑制.热膨胀比随稀释比的增加而降低,火焰厚度随稀释比的增加而增加,稀释气的加入抑制了火焰锋面的流体力学不稳定性.稀释气添加导致的反应物浓度下降和火焰温度下降影响了甲醇燃烧火焰结构,降低了甲醛和NOx浓度.     

甲醇-空气-稀释气预混燃烧的数值分析

基于扩展甲醇氧化机理, 数值分析了不同氮气稀释比下的甲醇-空气-稀释气的层流预混燃烧特性和火焰结构特性. 获得了甲醇-空气-稀释气的层流燃烧速度、质量燃烧流量、绝热火焰温度、全局活化温度、泽多维奇数和有效路易斯数等燃烧特性参数以及层流预混火焰结构信息. 研究表明, 扩展甲醇氧化机理适用于计算稀燃和化学计量比附近甲醇-空气-稀释气层流预混火焰特性和燃烧化学反应过程. 层流燃烧速度和质量燃烧流量随氮气稀释比的增加而减小, 且在混合气较稀时受稀释气的影响更明显. 混合气有效路易斯数随稀释比的增加而略有增加, 火焰锋面热扩散不稳定性被抑制. 热膨胀比随稀释比的增加而降低, 火焰厚度随稀释比的增加而增加, 稀释气的加入抑制了火焰锋面的流体力学不稳定性. 稀释气添加导致的反应物浓度下降和火焰温度下降影响了甲醇燃烧火焰结构, 降低了甲醛和NO_x浓度.     

异丁醇-空气层流燃烧速率的测定

在定容燃烧弹上, 利用纹影摄影法和球型发展火焰测量了不同燃空当量比, 初始压力和初始温度下异丁醇-空气预混火焰层流燃烧速率. 通过对异丁醇-空气拉伸层流火焰传播速率与拉伸率的关系的分析, 获得了无拉伸火焰层流燃烧速率和马克斯坦长度. 并结合火焰纹影照片分析了火焰传播的稳定性及其影响因素. 结果表明: 随着初始压力的增加, 层流燃烧速率减小; 随着初始温度的增加, 层流燃烧速率增加. 对于给定的初始温度和初始压力, 当量比为1.2处时层流燃烧速率最快. 异丁醇-空气混合气的马克斯坦长度随当量比的增加而减小; 在当量比一定时, 随初始温度和初始压力的增加而减小, 火焰不稳定性随当量比、初始温度和初始压力的增加而增加.     

氢气-空气-稀释气混合气层流燃烧速度的测定和火焰稳定性分析

利用球型发展火焰研究了常温常压下不同燃空当量比(0.4~4.5)、稀释气(N₂, CO₂和15%CO₂+85%N₂)和稀释度(0, 0.05, 0.10和0.15)时氢气-空气-稀释气混合气的预混层流燃烧速度和马克斯坦长度, 分析了火焰拉伸对火焰传播速度的影响. 研究结果表明: 氢气-空气-稀释气混合气的层流燃烧速度和马克斯坦长度均随稀释度的增大而减小, 火焰稳定性下降, 胞状火焰前锋面出现的半径位置提前. 在同一稀释度下, 层流燃烧速度在当量比为1.8处达到最大值, 马克斯坦长度随当量比的增加而增大. CO₂作为稀释气对层流燃烧速度和马克斯坦长度的影响大于N₂作为稀释气对层流燃烧速度和马克斯坦长度的影响.     

水雾协流作用下甲烷层流预混火焰熄火规律

在自行研制的水雾协流管式燃烧器的基础上, 利用高速纹影实验系统对水雾协流作用下层流预混火焰燃烧速度、火焰拉伸以及熄火规律进行了实验研究, 分析其现象产生过程与机理, 得到了不同浓度甲烷预混火焰临界熄火时火焰拉伸率与燃烧速度的变化规律. 结果表明, 管式燃烧器预混火焰面拉伸与燃料浓度、混合气体流量以及水雾雾滴直径有关; 对于较大粒径的细水雾, 水雾载荷比越小, 火焰面拉伸现象越明显; Le > 1的富燃料预混火焰, 当水雾载荷比较小时, 燃烧速度越大的预混火焰更容易发生回火; 而Le < 1的贫燃料预混火焰, 在相同水雾条件下, 预混气体浓度越小, 火焰就越容易产生熄脱.     

污染组分对氢燃料发动机燃烧动力学的影响

选择氢气及氢气-乙烯混合气体两种燃料, 在风洞加热器中加热空气来开展氢气燃烧的试验研究. 试验结果表明, 两种气体获得的发动机燃烧室稳定压力基本一致, 推力收益基本相同. 但是, 不同加热方式下壁面压力达到平衡值所需的时间明显不同, 采用氢气-乙烯混合气加热时, 燃烧室达到平衡所需的时间较长, 表现为点火延迟时间比氢气加热时增长. 初步从燃烧反应链传递步骤的连续性和含C自由基活性两个方面讨论了两种加热方式对点火延迟特性的影响.     

燃油溶气喷雾速度和粒度的PDA测试研究

燃油溶气喷雾燃烧可以同时降低柴油机的氮氧化物和碳烟排放. 为了深入了解燃油溶气喷雾的雾化特性, 利用激光Doppler技术对溶有二氧化碳燃油喷雾速度和粒度特性进行了测量. 实验采用单孔柴油机喷嘴, 研究了4种不同燃油溶气浓度在大气环境下的稳态喷雾特性. 实验表明, 燃油溶气量对燃油溶气喷雾有重要的影响, 当燃油溶气量超过临界值时, 由于气爆雾化作用, 雾化质量得到改善. 喷雾的裂化长度变短, 粒径分布更均匀. 在喷嘴附近, 微爆雾化喷雾的径向速度和轴向速度均要大于未发生微爆雾化的喷雾. 在喷雾轴线上, 微爆雾化喷雾的轴向速度下降较快. 该方法是一种有发展前途燃油雾化与发动机燃烧的新技术.     

不可压湍流燃烧大涡模拟的分步投影方法

通过对Ma<<1的湍流燃烧过程物理现象的分析, 从数学和物理上讨论了低Ma数湍流燃烧的“不可压”性质, 在此基础上采用改进的不可压湍流燃烧数值模拟的分步投影方法对甲烷-空气平面射流扩散火焰进行了大涡模拟. 该方法不需对密度进行预估而是直接显式求得, 仅需对动量方程进行一次投影即可实现对N-S方程的显式求解, 计算量小, 求解效率高, 在Ma<<1的变密度有反应或无反应湍流流动的细观数值模拟中具有明显优势. 甲烷-空气的化学反应采用简化的四步反应机理模拟, 应用动态亚格子模式及动态相似模式分别模拟湍流流动的亚格子项及化学反应速率的亚格子项. 计算结果得到了射流扩散火焰中瞬态发展变化的涡运动以及涡-火焰相互作用的细节结构.     

空气污染与癌症

随着城市工业化程度的提高,在经济迅猛发展的同时,我们的环境也正遭受着史无前例的破坏。空气作为我们赖以生存的基本条件,其纯净度将直接影响我们的身心健康。以下几种化学物质是很容易造成空气污染的。1.多环芳烃类物质在空气污染物中的多环芳烃化合物主要来自各种燃料,为不完全燃烧的产物,由燃烧过程中产生的各种碳氢游离基烃环化聚合而成。目前发现有致癌活性的这类物质有:苯并(a)芘(Bap)、二苯并(ah)蒽等10余种组分。其中苯并(a)芘在空气中存在较为普遍,致癌能力也最强,故通常以苯并(a)芘作为致癌组分代表。苯并(a)芘在煤烟中约含12～…     

同步辐射光电离研究甲烷-氢气-氧气低压层流预混火焰

利用同步辐射真空紫外单光子电离,结合分子束取样质谱技术,对掺氢比为0%,20%,40%,60%和80%的甲烷-氢气-氧气-氩气低压层流预混火焰进行了实验研究.通过测量光电离质谱和光电离效率谱曲线,探测了甲烷-氢气-氧气-氩气火焰的中间物,得到了不同掺氢比甲烷-氢气-氧气-氩气火焰的主要产物H2,CH4,CO,CO2,O2和H2O的摩尔分数分布曲线,以及火焰中间产物CH3(甲基),C2H2(乙炔),CH2O(甲醛),CH3OH(甲醇),C2H4(乙烯)和C2H2O(乙烯酮)的摩尔分数分布曲线,分析了掺氢对火焰主要产物和中间产物摩尔分数的影响.实验结果表明,甲烷掺氢燃烧可以降低燃烧产物中CO,CO2和CH4摩尔分数.掺氢后实验测得的火焰中间产物摩尔分数均大幅降低,由于掺氢后火焰中H和OH摩尔分数增加,氢的强扩散性和活性增大了火焰化学反应速率,且掺氢后混合燃料H/C比值增加,使火焰C基中间产物摩尔分数降低,有助于降低不完全燃烧产物摩尔分数.     

贫燃2, 5-二甲基呋喃火焰中初级燃烧产物的产生和鉴定

利用同步辐射真空紫外光电离质谱结合分子束取样技术研究了燃烧当量比为0.8的2,5-二甲基呋喃(DMF)/氧气/氩气低压层流预混火焰中的初级燃烧产物, 得到了DMF火焰的光电离质谱和燃烧中间产物的光电离效率曲线, 从光电离效率曲线得到了相应分子/自由基的电离能, 将实验测量得到的电离能与文献值或者利用量子化学方法计算得到的理论值比较, 确定了DMF火焰中燃烧中间产物的化学结构, 包括尚未报道的DMF的氧化产物和更高级的衍生物, 并根据这些燃烧中间产物的化学结构推断和分析了DMF及其初级燃烧产物的生成与消耗过程.     

小尺度庚烷池火燃烧速率实验研究

对小尺度庚烷薄油池火燃烧速率特性进行实验研究. 测量了不同直径庚烷油池火焰高度、燃烧速率以及燃油温度随时间变化规律, 计算了燃烧过程中燃油的液面温度和池壁热流密度. 综合油池燃烧现象和各种测量参数提出了小尺度薄油池火的4个典型燃烧阶段, 并探讨了池壁热流密度对油池沸腾燃烧的影响. 结果表明: 油池沸腾燃烧阶段的火焰高度和燃烧速率明显大于准稳态燃烧阶段; 燃油液面温度在油池燃烧初期迅速上升至沸点, 随后基本保持不变; 池壁温度达到并超过燃料的沸点, 从而在油池壁面上发生核态沸腾, 是油池发生沸腾燃烧的条件.     

2,5-二甲基呋喃/氧气/氩气低压预混层流火焰燃烧中间物种的鉴定

利用同步辐射真空紫外光电离质谱结合分子束采样技术, 研究了燃烧当量比(Φ)为2.0的2,5-二甲基呋喃(DMF)/氧气/氩气低压预混层流火焰燃烧特征, 得到DMF火焰的光电离质谱和燃烧中间物的光电离效率谱. 将实验测量得到的电离能与文献中的电离能或者利用量子化学从头算(ab initio)方法得到的理论电离能比较, 确定了DMF燃烧中间物种的化学结构. 在DMF火焰中探测到了包括呋喃类、芳香烃、自由基等在内的70多种分子和自由基.     

氧传感器研究

引言氧传感器是检测气氛中氧浓度的器件,对钢铁、汽车、电力、石油等耗能较大的工业部门控制燃烧,实现节能,保护环境等,有很大作用。例如:用氧传感器能控制进入汽车内燃机的燃料-空气比,使燃料充分燃     

生物油燃烧与污染物排放特性的数值模拟

应用CFD(computational fluid dynamics)软件FLUENT对实验室自砌小型窑炉装置内生物油的燃烧进行三维数值模拟.获得了炉膛流场、温度场、组分分布、火焰形状及污染物排放的详细信息,揭示了炉膛内部流动、燃烧及传热传质过程的特点.对不同过量空气系数下生物油的燃烧进行数值模拟,结果表明,随着过量空气系数的增加,炉膛内最高温度减小,燃烧区域增大,尾气中CO的浓度减小,但NO的浓度增加.模拟结果与试验数据吻合良好,验证了模型的可靠性,为燃烧工况的优化设计和污染物的控制提供了一定的依据.     

受损伴流湍流氢气射流火焰的直接数值模拟

采用直接数值模拟DNS的方法对受损伴流湍流氢气射流火焰进行了数值模拟, 采用16步的氢气燃烧详细化学反应机理, 冷的高速H₂/N₂燃料射流喷入热的低速伴随流, 伴随流由贫燃氢气预混火焰燃烧产生, 温度1045 K, 氧量较低. 化学反应源项由主程序在每一时间步长内动态调用CHEMKIN库函数获得. 计算采用消息传递MPI的并行计算方法, 采用12颗CPU在并行计算机上完成. 作为与实验对比的Faver平均结果由DNS瞬态结果做长时间的统计平均后获得. 火焰中涡结构的卷起以及发展过程均能很好地被捕捉, 可以观察到同旋向涡结构之间的相互吸引和反旋向涡结构之间的相互排斥过程, 伴随射流两侧涡结构彼此复杂的吸引、合并、挤压和撕裂过程, 湍流拟序结构由最初的轴对称模式开始向非对称模式演化. 流场中5.67 ms时刻瞬态的H, OH和H₂O分布, 表征了燃料射流自点燃过程中的详细火焰结构. 计算中获取的火焰抬升高度为9d ~ 11d, 与实验结果相吻合. 计算发现由OH和H粒子表征的火焰锋面中, 在火焰锋面转角位置, 燃烧过程得到强化, 可能与火焰面的拉伸以及较长的停留时间有关. 从湍流强度的分布曲线来看, 火焰的传播应该是从两侧向中心发展的. 这里的DNS结果可以作为今后发展更准确通用湍流燃烧模型的参考.     

湍流提升火焰条件矩封闭模拟

采用k-ε-g湍流模型、23步反应机理和径向平均条件矩封闭(Conditional Moment Closure)CMC技术, 模拟了氢气湍流提升火焰结构, 并探讨了火焰稳定机理. 作为针对湍流提升火焰进行耦合CMC模型的多维大涡模拟LES的第一步, 计算考虑了湍流对燃烧的作用, 数值格式采用高精度Padé格式, 推导并采用了基于特征波分析的多组分条件矩Navier-Stokes特征边界条件NSCBC, 本研究暂不考虑热释放对湍流的影响, 模拟集中于火焰提升区域. 与国际上公布的相关实验数据的比较表明, 模型精确地预测了提升高度、Favre径向平均温度和组分浓度. 研究结果表明, 径向平均CMC模型能够较好重构目前仍争议较大的提升火焰稳定机理.     

活化热氛围下柴油喷雾多点自燃特性及影响因素的实验研究

利用高速摄影技术, 研究了柴油高压喷雾在活化热氛围下的自燃特性, 观察到了高压柴油喷雾在活化热氛围中的多点自燃现象, 初步探讨了不同协流温度下喷雾火焰的稳定机理, 分析了影响自燃的相关因素. 结果表明, 不同协流温度下, 柴油喷雾起升火焰的稳定机理不同. 低温协流条件下喷雾火焰的稳定受自燃现象的控制, 而高温协流下火焰的稳定是火焰传播速度和燃烧供应速度平衡的结果. 柴油喷雾着火滞燃期受协流温度的影响较大, 呈非线性关系. 协流温度低, 则随温度上升滞燃期迅速减小, 滞燃期由996 K时的16.9 ms下降至1048 K时的7.1 ms, 减小了约10 ms; 协流温度高, 滞燃期随温度上升而减小的趋势变缓, 温度由1048 K升高至1101 K时, 滞燃期仅降低4 ms左右. 喷油系统参数对柴油喷雾滞燃期存在一定的影响, 但影响程度与协流温度有关. 协流温度越低, 则滞燃期受喷孔直径、启喷压力和油泵转速的影响越大. 喷油系统参数对滞燃期的影响主要体现在两个方面, 即改善喷雾效果从而降低物理滞燃期, 以及由于喷雾锥角或贯穿速率增加导致的物理滞燃期缩短.