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。     

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.     

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．     

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。     

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.     

N2、CO2和H2 O稀释对天然气层流燃烧速度的影响

利用CHEMKIN PRO软件分别探究了在标准大气压、393 K条件下, N_2、CO_2和H_2O三种稀释成分对天然气层流燃烧速度的影响规律,并进行了化学动力学分析.结果表明,天然气的层流燃烧速度随稀释气掺混量的增大逐渐降低,其中CO_2对层流燃烧速度的影响最为显著.自由基OH、H和O的浓度随稀释气掺混量的增大而逐渐减小,并且,天然气层流燃烧速度与OH和H的浓度之和密切相关.此外,通过设计几种虚拟成分分离了稀释气对天然气层流燃烧速度影响的物理效应(包括稀释效应与吸热效应)与化学效应,结果显示,稀释气体主要通过吸热效应对天然气的层流燃烧速度产生影响.在不考虑NO_x生成情况下,N_2影响天然气层流燃烧速度的主要方式是稀释与吸热;CO_2的化学效应随着稀释比增大逐渐减小,稀释与吸热效应则有所增强;不同稀释比下,H_2O的三种效应贡献率基本不变.     

异辛烷掺混乙醇在高温下层流预混燃烧特性的研究

利用高速纹影摄像系统,在定容燃烧弹上对异辛烷掺混乙醇的层流预混燃烧特性进行了研究,获得了两组压力为0.1、0.5MPa,5组乙醇体积掺混比为0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0,初始温度为433K下的层流火焰速率。为了去除火焰面拉伸作用的影响,数据处理采用非线性方法进行推导。研究结果表明,在不同当量比条件下,异辛烷/乙醇混合燃料的层流火焰速率均随初始压力的增加而降低,随乙醇体积掺混比的增加而逐渐增大。根据一步总反应假设理论,对该实验规律进行了分析,并且计算了热力学参数、输运特性参数和总体活化能,发现了化学反应动力学因素对层流燃烧速率的变化所起的主导作用。利用Chemkin软件,对预混层流燃烧速率进行了数值模拟,结果表明,Dagaut模型对异辛烷/乙醇混合燃料的预测效果更好。另外,采用Dagaut模型,对总体反应路径和火焰面结构进行了分析,发现乙醇的替代作用是乙醇掺入后对混合燃料层流燃烧速率起促进作用的原因。     

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.     

不同初始条件下页岩气层流燃烧火焰结构分析

应用Chemkin4.5中预混层流火焰速度模型,调节燃烧初始条件,针对页岩气层流燃烧的火焰结构开展了研究.探讨了页岩气层流燃烧时,初始温度、初始压力和氮气稀释度对页岩气反应物、生成物和自由基摩尔分数的影响,分析了H+OH基摩尔分数峰值和绝热火焰温度的变化规律.结果表明:当燃烧初始温度升高时,燃烧反应速度加快,H+OH基摩尔分数峰值提高,页岩气预混层流燃烧速度加快;燃烧反应速度随初始压力的增大而加快,自由基摩尔分数下降,由于反应速度的增加小于密度的增加,火焰传播速度下降;由于反应物裂解作用减弱,初始压力增大时,绝热火焰温度提高;氮气稀释度升高,空燃比提高,反应物、生成物和自由基摩尔分数下降,绝热火焰温度降低,燃烧速度下降.     

采用机器学习的二甲醚层流燃烧速度预测研究

为了明确二甲醚层流燃烧速度与混合气初始条件(温度、压力、当量比)之间的关系,基于大量的实验及数值模拟数据,利用机器学习多变量回归算法,建立了二甲醚/空气预混层流燃烧速度随初始条件的拟合关系式。通过与文献及数值模拟结果的对比,发现所建立的函数关系式能够在0.8～1.4当量比、298～373K初始温度和0.1～1.0MPa初始压力范围内得到准确的二甲醚层流燃烧速度预测结果。二甲醚层流燃烧速度随初始压力呈负指数关系,随初始温度呈正指数关系,化学当量比时,压力和温度指数的绝对值较小,混合气较浓或较稀时,压力和温度指数的绝对值增大,表明二甲醚层流燃烧速度随初始压力的增大而减小,随初始温度的升高而增大,且在较浓或者较稀的混合气条件下,层流燃烧速度随初始压力和温度的变化更为敏感。研究结果可以为二甲醚发动机数值模拟提供简单准确的层流燃烧速度输入数据,从而节约研究成本和计算时间。     

Jet-A表征燃料/乙醇掺混燃料层流燃烧特性研究

为了研究初始温度470 K、初始压力0.1 MPa下乙醇掺混对航空煤油层流火焰燃烧特性的影响，文中利用定容燃烧弹设备结合仿真进行对比分析。结果表明，乙醇的加入显著提升了航空煤油的层流火焰燃烧速度，但仿真结果与试验数据之间存在较大的偏差，在低当量比时尤为严重，需进一步优化机理。在此基础上通过敏感性分析，发现对层流火焰燃烧速度影响较大的4个基元反应，通过对4个基元反应的参数进行调整，修改得到新模型，该模型与试验值存在较好的吻合度。     

四氢呋喃族燃料层流燃烧特性的实验研究

为探究高温高压条件下四氢呋喃族燃料的层流燃烧过程,利用高速摄影和纹影技术的定容燃烧弹实验,采用非线性外推方法,获得了四氢呋喃(THF)、2-甲基四氢呋喃(MTHF)、2,5-二甲基四氢呋喃(DMTHF)在初始压力为0.1～0.4MPa、初始温度为373～453K及当量比为0.7～1.6下的层流燃烧特性。结果表明:3种燃料的层流燃烧速率随初始温度升高而增大,随初始压力增大而减小,随当量比增加先增大后减小,峰值出现在当量比为1.1附近,三者层流燃烧速率的关系为S_(u,THF)S_(u,MTHF)S_(u,DMTHF);三者速率的差异主要是由于绝热火焰温度关系为T_(ad,THF)T_(ad,MTHF)T_(ad,DMTHF)、热扩散率关系为D_(th,THF)≈D_(th,MTHF)D_(th,DMTHF)所致。定量分析表明:层流燃烧速率与初始温度之间呈正指数幂函数关系,与初始压力呈负指数幂函数关系,三者中MTHF对于初始温度与压力的变化最敏感;三种燃料的火焰面不稳定性关系为L_(b,THF)L_(b,MTHF)L_(b,DMTHF)。     

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.     

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.     

初始压力与掺比对2-甲基呋喃汽油预混火焰发展的影响

以定容燃烧弹为试验平台,探究了初始压力和掺比对2-甲基呋喃汽油混合燃料火焰传播的影响.结合高速纹影成像,得到了各工况下的层流火焰传播照片,分析火焰发展形态,得到拉伸火焰传播速度及不稳定临界火焰半径等参数,再根据马克斯坦长度理论,求解了无拉伸火焰传播速度,并分析了火焰传播速度与火焰拉伸率的关系.研究结果表明,随着初始环境压力的升高,层流火焰传播速度减小,不稳定临界火焰半径减小,火焰不稳定性增大.随着2-甲基呋喃在混合燃料中体积分数的增加,层流火焰传播速度增大,不稳定临界火焰半径减小,火焰不稳定性增大.     

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。     

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.     

稀释对射流扩散火焰抬举及吹熄特性影响的实验研究

以低热值气体燃料的燃烧利用为背景,以N_2或CO_2稀释的甲烷或丙烷及内径2mm或3mm的喷管作为多重变量,实验研究了射流扩散火焰的抬举速度及吹熄速度随燃料稀释比的变化规律.结果发现,随着稀释比的增大,火焰抬举速度近似呈线性缓慢减小,吹熄速度近似呈指数快速衰减.分析表明,这主要归因于稀释导致了当量混合层流火焰速度、初始燃料质量分数及燃烧放热的减小,并对低热值气体燃料的燃烧器设计提出了建议.此外,大于临界稀释比时,附着火焰随射流速度的增大不能转变为稳定的抬举火焰而会发生直接吹熄,依据甲烷和丙烷临界稀释比对应的射流雷诺数推测出二者的临界稀释比可能受不同机理的控制.     

稀释气对高甲烷含量天然气燃烧特性的影响

针对高甲烷含量天然气在实际发动机中燃烧温度过高、NOx排放过高的问题,利用定容燃烧弹实验和Chemkin软件模拟计算相结合的方法,对其预混层流燃烧特性进行研究,分析了不同稀释比和稀释气种类(N2和CO2)对混合气的层流火焰速度、NOx摩尔分数、燃烧压力和燃烧期等燃烧特性参数的影响。研究表明,层流火焰速度、质量燃烧率和热释放率均随稀释比的增加而减小,稀释气添加导致火焰温度下降,从而降低了NOx摩尔分数。Markstein长度和火焰厚度都随稀释比的增加而增加,火焰流动不稳定性得到抑制。添加稀释气导致燃烧压力峰值和压力升高率降低、燃烧期延长,与N2相比,CO2对混合气燃烧特性的稀释效果更加显著,从而为通过废气再循环技术路径降低高甲烷含量天然气发动机燃烧温度,控制NOx排放提供了理论指导。     

初始压力对氢气燃烧影响的试验分析

构建了氢气燃烧试验回路,获得了氢气在不同初始压力下燃烧的温度、压力以及燃尽率等试验数据.通过计算不同位置热电偶温度曲线变化率极值与时间的关系,获取了氢气火焰传播速度,研究了不同初始压力对氢气燃烧火焰传播速度、最高燃烧温度、峰值压力以及氢气燃尽率的影响.结果表明:在氢气体积分数较低时,随着初始压力的升高,火焰传播速度随之升高,燃烧过程中的最高温度随初始压力的增加而逐渐减小;在氢气体积分数较高时,随着初始压力的升高,火焰传播速度略有降低,燃烧过程中的最高温度随初始压力的增加而增加,但是初始压力对燃烧过程中的最高温度的影响并不明显,峰值压力随初始压力的升高而升高,初始压力对氢气燃尽率没有影响.