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.     

随机堆积床内甲烷/空气预混燃烧过程的数值模拟

通过离散元软件LIGGGHTS重现球体的重力堆积过程,建立三维随机堆积床几何模型.利用大涡方法结合双温度模型以及EBU-Arrhenius燃烧模型,模拟了甲烷/空气预混气体在堆积床内预混合燃烧过程.通过将模拟结果与实验数据对比验证了模型的有效性,在此基础上对随机堆积床内部的火焰分布结构、火焰面形状及温度分布规律等进行了分析.模拟结果表明:在燃烧后期,堆积床内的小球温度要高于同一高度上气体的温度,这体现了多孔介质良好的蓄热能力;壁面与轴线间的火焰面高度差远远小于无多孔介质的管内燃烧情况,表明随机堆积床可以通过分割火焰来提高燃烧的均匀性和稳定性.     

稀预混气体低速过滤燃烧的实验研究

为研究稀预混气体在填充床内的燃烧特性以及燃烧波的传播规律,对小球填充床内温度进行系统测量,研究流速和丙烷/空气的当量比对燃烧波的传播速度和燃烧区域最高温度的影响.结果表明,随着当量比的增大,燃烧波的传播速度减小,燃烧区域最高温度增大;气体入口流速增大导致燃烧波传播速度和燃烧区域最高温度增大.对于丙烷/空气的预混气体,贫可燃极限可以扩展到其当量比为0.15.     

多参数耦合作用对仲丁醇层流燃烧速度的影响

利用纹影法和球形火焰扩散法,在不同环境温度、压力和当量比下研究仲丁醇-空气层流燃烧特性.重点分析环境参数与当量比的耦合作用对仲丁醇层流燃烧的无拉伸火焰传播速度、无拉伸层流燃烧速度的变化值、变化率、变化率之比的影响.结果表明:在环境压力和当量比的耦合作用下,压力越大,无拉伸火焰传播速度变化越小;无拉伸火焰传播速度变化率比值随着当量比的增加而增加,直到当量比为1.10左右时,开始呈现下降趋势;当量比小于1.05时,低压环境对层流燃烧影响更大;在环境温度和当量比的耦合作用下,当量比为0.75~1.15时,无拉伸火焰传播速度变化受较高环境温度影响更大;在当量比小于0.85和大于1.45时,当量比对无拉伸层流燃烧速度影响较大.     

钝体阶梯扩管型微燃烧器内氢气-空气燃烧特性及协同性分析

为提高微燃烧器燃烧稳定性和燃烧效率,基于钝体直管和钝体阶梯扩管燃烧器进行微尺度燃烧数值模拟分析研究。研究结果表明:在钝体微燃烧器中加入阶梯扩管结构有助于促进火焰传播和扩大火焰稳定燃烧极限,而且两者的吹熄极限均随当量比(即完全燃烧所需的理论空气质量与实际供给的空气质量之比)的增大而增大;燃烧器的燃烧效率均随当量比和入口混合气速度的增大而降低,而且钝体直管型燃烧器的燃烧效率要比扩管型燃烧器低;散热损失比均随当量比增大呈先增大后降低,随入口速度增大而降低;钝体直管燃烧器协同数高于钝体阶梯扩管,两者的协同数都随入口的混合气速度增大先增大后降低再增大。     

正丁醇/正庚烷预混层流燃烧特性的试验研究

利用向外传播的球形火焰,试验研究了初始温度为393 K和初始压力为0.1 MPa时,当量比和正丁醇的掺混量对正丁醇/正庚烷掺混燃料的层流燃烧速度和火焰不稳定性的影响.试验结果表明:混合物的层流燃烧速度随当量比的增大先增大后减小,随正丁醇掺混量的增加逐渐增大;火焰不稳定性随当量比的增大而增加,低当量比时随正丁醇掺混量的增加逐渐增加,高当量比时随掺混量的增加逐渐减小,当量比1.1时火焰不稳定性受掺混量的影响不大.     

不同堆积结构颗粒床内的流动特性研究

为了研究不同堆积结构颗粒床内的流动特性,使用两种尺寸球形颗粒构建了均匀混合堆积结构和分层堆积结构床,在碎片床冷却性实验装置(DEBECO,DEbris BEd COolability)上进行了单相和两相流动实验。基于实验结果,对比分析了两种堆积结构的流动阻力压降,进一步验证了流动阻力模型。实验结果表明:对于不同尺寸颗粒均匀混合的堆积颗粒床,其有效直径在低速(Rep7)条件下更接近面积平均直径;随着速度(Rep7)升高,其有效直径更接近长度平均直径。当气液两相同向向上流过均匀堆积结构颗粒床时,实验测量的两相压降总体上与Reed模型预测值较为接近;与均匀堆积结构床相比,相同颗粒分层堆积结构床内的两相流动阻力压降较低。该实验研究结果对完善多孔介质结构内流动阻力分析具有重要的学术意义。     

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.     

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.     

基于点状火源的秸秆火焰蔓延及燃烧特性

该文开展了圆柱形堆积秸秆的燃烧实验，测量并研究了不同堆积直径和堆积厚度条件下秸秆火焰发展蔓延过程、火焰结构、秸秆质量损失以及火焰温度等，推导并建立了关于质量损失速率■、无量纲火焰温度的定量模型。结果表明：秸秆燃烧过程中随着燃烧区域的扩大，火焰结构会依次出现中空的锥形火焰、分离的环形火焰以及断裂的环形火焰形态；秸秆质量损失速率呈现先增加后减少的趋势，其峰值与秸秆初始质量具有良好的线性关系，表明秸秆的初始质量越大越有助于燃烧过程的热量积累；火焰轴心温度也呈现先增大后减小的趋势，无量纲火焰温度与■具有幂函数关系，随■增加呈现不同斜率的线性下降趋势，其中z-z₀为火焰相对高度。该研究结论有助于加深对秸秆火灾发展蔓延过程的认识。     

分层结构颗粒堆积床内的流动阻力特性

为了研究反应堆严重事故后分层结构碎片床的流动阻力特性,使用4种尺寸球形颗粒构建了3种颗粒堆积床,分别是颗粒均匀堆积床、水平分层颗粒堆积床和竖直分层颗粒堆积床。基于3种颗粒堆积床,开展了单相/两相流动实验,对比分析了不同堆积结构颗粒床内的流动阻力特性。研究结果表明:对水平分层结构,当下层为小颗粒、上层为大颗粒时,分层结构对流动阻力压降的影响可以忽略,堆积床上下层内的流动阻力压降和相同尺寸的颗粒均匀堆积床内的流动阻力压降基本相同;当下层为大颗粒、上层为小颗粒时,分层结构显著提高了上层小颗粒堆积床内的流动阻力压降,在最大实验流速工况下,上层小颗粒堆积床的流动阻力压降约是相同尺寸颗粒均匀堆积床的1.25倍,而下层大颗粒床内的阻力压降基本不变。竖直分层颗粒堆积床内存在横向流动,导致小颗粒堆积层内流动阻力压降降低而大颗粒层的流动阻力压降升高。研究结果对完善多孔介质结构内的流动阻力分析具有重要意义。     

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.     

内置隔板对微通道内CH_4/air预混燃烧特性的影响

在微尺度燃烧室内布置隔板会引起内部流场和热传递的变化,为分析其对内部燃烧过程的影响,采用CH_4/air预混气进行预混合燃烧试验,对有无隔板2种情况下的着火界限和外壁面温度进行了测试.结果表明:相同CH_4流量下,由于散热量增大,隔板的增加会增大火焰进入通道时的空气量;隔板布置在出口时火焰更容易在燃烧室内传播,且在小流量下火焰的稳定性更好;隔板分割出的通道宽度为2 mm时,在所有当量比下均不能燃烧,隔板间距为4 mm的燃烧室内,火焰的稳定性较好;与采用不锈钢材料对比,采用Pt作为隔板材料能拓宽燃烧室的可燃界限、提高燃烧室外壁面上温度分布的均匀性.     

碳酸二甲酯层流火焰特性的实验和数值研究

在定容燃烧弹上,利用高速纹影摄像系统对碳酸二甲酯(DMC)的预混层流燃烧特性进行了研究,获得了不同温度、压力和当量比下的层流燃烧速度、马克斯坦长度和胞状结构的临界半径,同时对火焰不稳定性进行了理论分析。研究表明:层流燃烧速度随当量比的增加先提高后下降,在当量比为1.1时达到峰值;层流燃烧速度随初始温度的升高而提高,随初始压力的增加而降低;马克斯坦长度、临界火焰半径随当量比和压力的增加而减小,表明火焰不稳定性随初始压力和当量比的增加而增强;临界贝克来数Pe随当量比的增加而减小。利用Chemkin软件对预混层流燃烧速度进行了数值模拟,结果显示,Glaude机理对DMC层流燃烧速度的模拟值与实验测量值有较大偏差,表明该机理不能很好地预测DMC的层流燃烧速度。     

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。     

低热值气体燃料层流燃烧特性

在定容燃烧弹中开展了当量比、燃料组分、初始压力对低热值气体燃料层流燃烧特性影响的试验研究,建立了准维双区模型,基于在定容弹内实测的压力曲线,计算了规范化质量燃烧率.研究结果表明:燃料中氮气比例的增加导致压力峰值降低,火焰发展期和燃烧持续期增长;化学计量比附近的燃料燃烧进行的较充分,压力峰值最高,火焰传播速率最快,燃烧持续时间短;初始压力的增加使质量燃烧率下降,燃烧持续期有所延长.     

微波瓣燃烧器的燃烧特性

采用三维仿真方法对微波瓣燃烧器、环形圆柱燃烧器的流动及燃烧情况进行了模拟,研究了甲烷与氧气的不同当量比对燃烧器燃烧特性的影响规律.结果表明:微波瓣燃烧器中流向涡的存在及甲烷同氧气混合面积的增加有助于燃料同氧化剂的混合,从而强化燃烧,提高燃烧效率及燃烧温度.此外,虽然微波瓣燃烧器的燃烧温度、燃烧效率在不同当量比下始终高于环形圆柱燃烧器,但随着当量比的减小,两者在相同位置处气体的温差及燃烧效率之差随之减少.     

基于OH-PLIF技术的合成气燃烧速度

为了解合成气燃烧特性,采用高精度光学测量技术PLIF,研究了不同生物质气化合成气在不同当量比下的燃烧火焰结构、OH基浓度以及火焰传播速度。采用CHEMKIN软件模拟计算了相同工况下合成气火焰传播速度,对引起温度变化和OH基浓度变化的原因进行了化学动力学分析。研究结果表明,合成气中CO含量的增加会使火焰整体结构变小,但对内焰影响程度不大,而H2含量的增加会增大火焰的传播速度。合成气燃烧过程中主要影响OH基生成的是R36:CO+OH=CO_2+H、R43:H+O2+M=HO_2+M和R45:H+HO_2=2OH这3个基元反应。     

垂直管道中锆粉云火焰传播速度特性及锆颗粒群燃烧模型

在粉尘云瞬态火焰实验系统上开展实验研究,揭示了垂直管道中锆金属云的火焰传播速度特性并建立了垂直管道中向上运动的锆颗粒群燃烧模型. 研究结果表明,锆颗粒的燃烧产物二氧化锆颗粒具有单斜和四方两种晶相. 管道中的锆粉云浓度高低可根据火焰锋面形状进行初始判断. 垂直管道中锆粉云的最大火焰传播速度随锆粉云浓度的增加先增大后减小,这是由于管道中富燃料燃烧缺氧和未燃颗粒吸收体系热能而造成. 锆粉云浓度为0.625 kg/m3时,管道中出现最快火焰的传播速度可达39.7 m/s. 在锆颗粒群燃烧模型中将颗粒燃烧过程分为4个阶段. 从宏观现象和微观机理上对锆粉云在垂直管道中的火焰传播过程进行了表征.      

不同电极结构下电场对甲烷/空气火焰的影响

基于电场促进燃烧的理论,为了进一步研究不同电极结构对燃烧的影响,利用定容燃烧弹来模拟发动机气缸内的燃烧,在常温常压不同当量比(0.8、1.0和1.2)下通过分别加载3种不同结构的电极对直流电场与甲烷/空气火焰的关系进行了研究。结果表明:3种电极结构下电场对火焰横向传播均有明显的促进作用,且网状电极下火焰横向传播的促进效果最明显,然后依次是柱状电极和点电极;3种电极结构下燃烧压力一开始均得到不同程度的提高,而网状电极下电场对燃烧压力的影响最为明显。综上所述:3种电极结构中,网状电极下电场对火焰的促进作用最大,在今后的应用中较其他两种电极有更为明显的优势。