辛烷和空气逆向流扩散火焰的数值模拟

以多孔壁注入燃料流与逆向空气射流所构成的有燃烧的层流边界层流动为研究对象，建立了一组描述在边界层中有气相反应的偏微分方程组。该方程组经相似变换和线性化，然后采用带系数的牛顿迭代法求解，首先对甲烷和空气逆向流扩散火焰结构进行了算例分析与结果验证，然后对目前尚属首例的辛烷和空气逆向流扩散火焰进行了预测分析，其中燃烧反应计算涉及５１种化学组分、３６９步基元反应。     

辛烷和空气逆向流扩散火焰的数值模拟

以多孔壁注入燃料流与逆向空气射流所构成的有燃烧的层流边界层流动为研究对象,建立了一组描述在边界层中有气相反应的偏微分方程组.该方程组经相似变换和线性化,然后采用带系数的牛顿迭代法求解.首先对甲烷和空气逆向流扩散火焰结构进行了算例分析与结果验证,然后对目前尚属首例的辛烷和空气逆向流扩散火焰进行了预测分析,其中燃烧反应计算涉及51种化学组分、369步基元反应.     

自由火焰影像发展的测量和分析

利用ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅｓ）摄像和计算机图像采集技术，测量了若干种自由火焰在形成及燃烧蔓延过程中的影像发展．可用几何函数和傅立叶函数分别描述火焰形成及燃烧蔓延过程中的影像发展．通过对有关回归函数数据的分析表明，火焰形成受燃烧规律控制，火焰波动受空气介入影响．     

旋进涡核与火焰面耦合作用对燃烧稳定性影响的数值研究

对PRECCINSTA模型燃烧室中的动态燃烧过程进行了大涡模拟数值研究。在固定当量比为0.7时,对热功率分别为10、35kW的两种燃烧工况的燃烧特性进行了非定常数值模拟,模拟结果与实验数据吻合良好。研究表明,两种工况的冷态流场均在射流与内回流区之间的内剪切层中存在一个螺旋形的旋进涡核(PVC),而热态时却展现出了不同的流场特性和火焰形式。当热功率为10kW时,火焰呈现V型且燃烧稳定,流场内剪切层中的PVC消失,仅存在对称布置的旋涡;当热功率为35kW时,火焰呈现M型且发生了热声耦合不稳定燃烧现象,此时流场内剪切层中的PVC依然存在。通过对不稳定工况下瞬态流场、温度场及放热特性的分析,发现PVC引起了规律性的火焰卷曲,对低温未燃和高温已燃气体的混合起到了加速作用,从而导致了局部区域内混合物的引燃。这些过程与PVC引起的周期性的涡运动直接相关,可以证实PVC对燃烧及放热的影响是35kW工况下发生不稳定燃烧的重要因素。     

极小子流形的稳定性

该文通过对常曲率为ａ的空间形式Ｗ＾ｎ＋ｐ（ａ）中完备极小子流形的讨论，得到一种新的区域稳定性结论：设（Ｍ＾ｎ，ｇ）是Ｗ＾ｎ＋ｐ（ａ）中的ｎ维完备定向极小子流形，Ｄ∪→Ｍ＾ｎ是单连通、相对紧的抛物型区域，则当ａ〉０时，Ｄ是稳定的；当ａ＝０时，如果Ｄ上不存在全测地子区域，则Ｄ是稳定的；当ａ〈０时，如果Ｄ上不存在满足条件Ｓ≡－ｎａｐ的子区域，则Ｄ是稳定的。     

基于光流法和深度学习的燃气火焰稳定性

结合光流法和深度学习对燃气火焰稳定性进行了研究.采用光流法直接计算出火焰图像的光流矢量,观察火焰在二维图像中的脉动情况,并提出光流脉动评价模型,可以评估火焰的燃烧稳定性.此外,搭建基于VGG-Nets的深度卷积神经网络模型,在ImageNet预训练权重上进行微调,结合火焰静态与动态特征,实现了对五种典型燃烧状态的分类与识别.结果表明:该方法对火焰的不同燃烧状态具有很好的判断能力,对不稳定燃烧的火焰识别率很高.     

不同环境条件下轻油燃烧器火焰结构特性数值分析

为研究低温低压特殊环境下轻油燃烧器的火焰结构特性,运用燃烧学和喷雾学原理,以标准k-ε湍流模型、离散坐标辐射模型和平衡混合分数模型为燃烧单元本构模型,建立了具有圆筒形燃烧室的物理模型并进行计算分析。结果表明,当环境温度为273K,环境压力为0.1 MPa时,在不同截面处,燃烧室内的温度随着与燃烧头距离的增加而逐渐增大,截面处最高温度出现在火焰中心或边缘处;火焰最高温度随着外界温度、压力的降低而减小;火焰长度随着环境压力与温度的降低而增大。     

高压直流电场作用下的甲烷-氧气层流扩散火焰稳定性

设计开发了直流电场作用下层流火焰实验系统，通过对甲烷-氧气非预混层流火焰施加直流电场，改变电极间距及燃烧当量比（氧气与甲烷实际物质的量之比与氧气和甲烷完全燃烧时物质的量之比的比值），对高速相机下火焰脉动幅度受电场影响的变化规律进行分析，探究了直流电场对火焰稳定性的作用及电场约束火焰的可行性。结果表明：对于存在脉动的层流扩散火焰，当对其施加高压直流电场时，火焰受到离子风的作用，其脉动幅度会逐渐减弱直至趋于稳定状态，且火焰稳定时所对应的电场强度与其初始的脉动幅度有关，初始振幅越大则火焰稳定所需的电压越高。同时，电极间距的改变也会影响火焰稳定时所需的电场强度，当电极间距改变较大时，对同一当量比的火焰，间距越大则所需的稳定电压就越高。     

预混可燃气火焰传播速度的研究

采用传动的热力理论,在火焰上建立热能平衡式,该平衡式不仅考虑了新鲜混合气的热焓变化以及反应过来的热量,更进一步了考虑燃烧反应本身的放热率,采用奇异摄动法得到预混丁烷气的流火焰传播速度表达式,并与采用本生灯试验测试系统测得的预混气平均火焰传播速度进行了比较,得到了较为满意的结果。     

多孔介质催化燃烧特性的数值分析

采用Deutschman甲烷/空气/铂氧化表面反应机理,气相反应采用GRI3.0机理,基于体积平均的双温度模型,对Pt催化的甲烷/空气在多孔介质燃烧器内的预混燃烧进行一维数值模拟,并与惰性多孔介质内预混燃烧结果进行比较.数值研究结果表明,有催化时,多孔介质内火焰面前移,且随着进口质量流率增大,火焰面前移更明显.催化使得多孔介质内温度分布更均匀,反应区内的最高温度亦低于惰性多孔介质过滤燃烧的最高值.催化剂的引入还可缩小燃烧器尺寸,有效降低污染物的排放.     

Flame propagation characteristics and flame structures of zirconium particle cloud in a small-scale chamber

Flame propagating through zirconium particle cloud in a small-scale vertical rectangle chamber was investigated experimentally. In the experiments, the zirconium quoted 99% purity was used and the diameter of particles was distributed 1–22 μm. The zirconium dust was dispersed into the chamber by air flow and ignited by an electrode spark. A high-speed video camera was used to record the images of the propagating flame. Micro-thermocouples, schlieren optical system and microscopic lens were used to obtain temperature profiles and flame structure, respectively. Based on the experimental results, flame propagation characteristics and flame structure of zirconium particle cloud were analyzed. The propagation velocity of the flame is quite slow in the initial 14 ms and then accelerates to maximum value. Subsequently, the propagation velocity of the flame almost keeps constant. The combustion zone width of zirconium particle cloud is 5–6 mm. Smaller particles burn mainly at the leading edge of combustion zone in the width of 1.4 mm followed by larger particles burning 1.4–6 mm behind the leading edge of the combustion zone. Gas phase flame is not seen in zirconium particle cloud and the combustion time of single zirconium particle is 1–5 ms, which depends on its original size. The preheated zone is 7–8 mm thickness ahead of the combustion zone and intensive chemical reaction takes place at 490 K. The maximum flame temperature increases at lower concentrations, reaches the maximum value, and then decreases slightly at higher concentrations.     

甲烷一维层流预混火焰的详细和单步反应机理模拟

为了解单步反应机理的不足及其不同速率表达式之间的差异,分别采用详细和单步化学反应机理数值模拟了甲烷一维层流预混火焰。详细机理预报的火焰速度在整个可燃范围都与实验结果吻合,而单步机理只在贫燃条件下才能给出定量相符的结果,在富燃条件下定性和定量预报结果均不合理。同时,单步机理预报的温度和浓度分布也存在较大偏差,特别是在富燃区。进一步研究表明,用有些常见单步反应速率表达式获得的预报值在整个可燃范围都是不合理的。这些结果对选取反应模型和获得可信预报结果有参考意义。     

一种基于视频多特征融合的火焰识别算法

根据燃烧过程中火焰的物理特性，结合火焰的静态和动态特征，设计了一种多特征融合的火焰识别算法，对火灾进行快速判别．基于信任度模型建立了火焰识别的概率模型，以疑似概率反映视频图像中出现火焰的几率．实验表明，该算法识别火焰速度快，能够达到25帧／s的处理速度，与其他的火焰识别算法相比，算法在识别过程中无需人工调整即可自动完成，在复杂实际环境中，算法识别的准确性高，抗干扰能力比较强，如对车灯、路灯等干扰疑似概率始终小于10％．因此，算法在实际运用中有着广泛的应用前景．     

多孔陶瓷材料中的预混火焰

本文实验研究了在一种专门设计的具有多孔惰性介质燃烧器中预混火焰的燃烧特性.初步结果已经表明,在多孔介质中,热辐射对其火焰结构和燃烧速度有较大影响.燃烧速率比无惰性介质时提高了若干倍,最大火焰温度比普通的绝热预混火焰温度也高许多,火焰稳定性亦明显增强.     

刚塑性黏结剂的双球壳塌缩热点反应模型

基于Kim的弹黏塑性球壳塌缩模型,假设黏结剂为刚塑性材料,炸药为弹黏塑性材料,建立了刚塑性黏结剂的双球壳塌缩热点反应模型,给出了炸药球壳在冲击压力作用下的速度、应变、温度和化学反应速率的时空分布,以及新的热点反应速率理论表达式.将新的热点反应项与低压下慢反应项和高压反应项结合,得到了炸药冲击起爆三项式细观反应速率模型,并将该模型加入DYNA2D中,模拟了PBX-9404炸药的一维冲击起爆过程,结果表明:该模型不仅可以解释炸药颗粒度和孔隙度对起爆过程的影响,还可以描述黏结剂强度对PBX炸药冲击起爆过程的影响.     

考虑热解产物组分的煤粉着火燃烧数学模型

建立了球坐标系下考虑煤粉挥发分释放、传热、传质和化学反应全耦合的单颗粒热解、燃烧瞬态数值模型,并对陕西神木烟煤的着火、燃烧特性进行分析.结果表明,单颗粒煤粉的着火始于挥发分,且受氧气扩散速率的控制,挥发分火焰能够到达距颗粒中心约29倍颗粒半径的地方.当煤粉热解完成时,炭粒表面生成的CO被引燃,火焰退回炭粒表面附近而使炭粒快速升温,燃烧进入表面氧化反应控制状态.随着燃烧速率进一步提高,炭粒燃烧又开始受到表面还原反应的控制,火焰再次离开炭粒表面.
     

小尺度沸溢油池火灾燃烧速率特性试验研究

使用胜利原油对小尺度沸溢火灾燃烧速率特性进行了试验研究。分别记录了直径为0.1、0.15、0.2 m的原油沸溢油池火灾的燃烧过程,测量了燃烧速率和温度随时间的变化。根据燃烧速率和火焰高度变化对沸溢火灾燃烧进行阶段划分。探讨了不同直径及初始油层厚度对沸溢火灾燃烧速率的影响,在燃烧速率基础上建立沸溢强度模型。结果表明:沸溢火灾燃烧可以分为预燃、准稳态燃烧、沸溢燃烧、火焰熄灭4个典型燃烧阶段;沸溢燃烧阶段的燃烧速率和火焰高度显著大于准稳态燃烧阶段;沸溢火灾各阶段燃烧速率均随油池直径的增大而增大,且沸溢燃烧阶段的增幅明显大于准稳态燃烧阶段的增幅;准稳态燃烧阶段的稳定燃烧速率与初始油层厚度无关,随油池直径的增大而增大;沸溢强度随初始油层厚度的增加及油池直径的减小而增大,并与初始油层厚度和油池直径间的比值成正比。     

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.     

Laminar premixed methane/air flame extinction characteristics influenced by co-flow water mists

Based on the tubular burner, the burning velocities, flame stretch and inhibition rules influenced by co-flow water mists were studied using a high-speed schlieren system. Moreover, the variation rules of the flame critical extinction in our burner equipment were also obtained by analyzing the process and mechanism of flame extinction and inhibition. It is shown that the flame stretch is related to the fuel concentration, co-flow fluxes and water mist diameters. For droplets with a larger diameter, the smaller the co-flow fluxes, the more obvious the flame stretch. When the water mist loading rate is rather smaller, for fuel-rich premixed flame with Le〉1, the flame with larger burning rate tends to backfire more easily. Under the same water mist conditions, for fuel-lean premixed flame with Le〈1, the smaller the gas concentration, the easier the flame is extinct.     

不同搅拌桨对反应结晶效果的影响

在直径为0.285m的立式搅拌槽中，通过测定氯化钾溶液结晶的平均粒径、分布以及不同桨型的混合时间，对CBY桨、锚式桨等桨型在反应结晶过程中的效果进行了实验研究。结果表明，大直径(D/T=0.67)的下压式两叶CBY+三叶后掠桨的组合，最适用于反应结晶过程，而工业中适用于降温结晶操作的锚式桨，不能同时满足结晶与反应的要求。晶体平均粒径d_m与叶端线速度v的0.15~1.76次方成反比，晶体大颗粒分数x_(0.45~0.6mm) 与叶端线速度v的1.7~3.59次方成反比。