基于Python的CO2/O2氛围下柴油燃烧火焰特征分析

为分析柴油在CO2/O2氛围下燃烧的火焰特征,利用光学定容燃烧室测试并拍摄了6种不同工况下的柴油燃烧过程. 基于自编的Python代码对火焰图像进行后处理,提取出火焰浮起长度、红绿分量比、平均亮度、相关性系数、面积变化率和重叠率等特征参数并进行分析. 结果表明：在空气和CO2/O2氛围下,柴油火焰浮起长度和相关性均随燃烧进程先增大后减小再增大,平均亮度则先增大后减小,其在空气下和35% CO2+65% O2氛围下的峰值分别为210.75 px和138.89 px. 在火焰发展阶段,红绿分量比保持在0.8~1.2之间,而在火焰熄灭阶段,随着CO2浓度减小和O2浓度增大,红绿分量比有所减小. 与在空气下燃烧相比,柴油在CO2/O2氛围下的燃烧火焰形状更加细长,湍流现象更加明显,火焰浮起长度缩短,平均亮度下降.     

高浓度CO2对柴油着火延迟特性的影响

为了研究柴油在高浓度CO2下环境中的着火延迟特性,提出了适用于该环境下的着火延迟时间公式。该公式考虑了CO2的热效应和第三体效应对着火延迟的影响,分析了CO2摩尔浓度与着火延迟的关系,运用chemkin模拟了CO2对OH自由基生成速率的影响。对该环境下柴油的着火问题进行了定容燃烧弹的可视化实验研究和仿真计算。结果表明：着火延迟时间公式在CO2浓度小于60%时能够有效表达CO2对着火延迟时间的影响;CO2浓度大于60%时,反应H2O2+M→2OH+M中的第三体效率降低导致着火延迟增长变慢。     

O2/CO2气氛下碱金属对煤燃烧特性的影响

采用热重分析仪对O2 /CO2气氛下碱金属对无烟煤燃烧特性的影响进行研究. 研究结果表明NaCl、K2CO3能够改善无烟煤的燃烧性能,这主要由于Na、K对无烟煤着火后挥发分和固定碳的燃烧起促进作用,而K对无烟煤燃烧的促进作用更明显. 通过TG-DTG切线法计算得出着火温度,与煤样相比分别降低了19.1 ℃和23.7 ℃,这主要由于Na、K催化剂在煤燃烧过程中,充当了氧的活性载体,促进氧从气相向碳表面扩散,从而降低了固定碳表面着火温度. 同时,计算得到煤和Na、K负载样品的燃烧特性指数分别为4.39×10-6、11.14×10-6、17.22×10-6,可见Na、K负载样品优于煤的燃烧特性,其燃烧特性指数的提高主要在于着火温度的降低,表明Na、K均可降低无烟煤高温燃烧区的表观活化能,提高燃烧反应速度.     

O2/CO2气氛下碱金属对煤燃烧特性的影响

采用热重分析仪对O2 /CO2气氛下碱金属对无烟煤燃烧特性的影响进行研究. 研究结果表明NaCl、K2CO3能够改善无烟煤的燃烧性能,这主要由于Na、K对无烟煤着火后挥发分和固定碳的燃烧起促进作用,而K对无烟煤燃烧的促进作用更明显. 通过TG-DTG切线法计算得出着火温度,与煤样相比分别降低了19.1 ℃和23.7 ℃,这主要由于Na、K催化剂在煤燃烧过程中,充当了氧的活性载体,促进氧从气相向碳表面扩散,从而降低了固定碳表面着火温度. 同时,计算得到煤和Na、K负载样品的燃烧特性指数分别为4.39×10-6、11.14×10-6、17.22×10-6,可见Na、K负载样品优于煤的燃烧特性,其燃烧特性指数的提高主要在于着火温度的降低,表明Na、K均可降低无烟煤高温燃烧区的表观活化能,提高燃烧反应速度.     

汽油在O2/CO2氛围下燃烧特性试验

基于定容燃烧可视化光学平台,模拟缸内直喷(GDI)汽油机缸内燃烧环境,研究汽油在O2/CO2氛围和空气氛围下均质燃烧特性以及火焰传播特性,研究结果表明当循环喷油量一定时,相比于空气氛围,汽油在氧气浓度为40%的O2/CO2氛围下燃烧的压力升高率提高了1.8倍,着火落后期和明显燃烧期缩短近50%,放热率的峰值增大了近1倍,且峰值相位提前。过量空气系数对汽油在O2/CO2氛围下燃烧的影响较大,化学当量比时放热率的峰值达到最大,随着过量空气系数增大,最大燃烧压力增大,最大压力升高率下降,放热率的峰值下降,且峰值相位后移,反应速率下降,明显燃烧期增大,且火焰传播速度明显下降。     

O2/CO2气氛下CH4火焰温度特性的实验研究

对O2/CO2燃烧方式下反应器内CH4火焰的温度特性进行了研究,结果表明：在还原性气氛下,初始CO2浓度的升高对CH4火焰高温区的影响是消极的,在完全燃烧和氧化性气氛下,初始CO2浓度的存在对CH4火焰温度分布的影响则比较复杂,存在一个初始CO2浓度临界点,在此临界点前后,CO2浓度对CH4火焰的温度水平分别有着不同的影响;同时在高浓度的CO2气氛下,整个火焰的温度分布趋于平均化。     

正庚烷在O2/CO2环境中的着火特性

为准确预测正庚烷(n-C_7H_(16))在O_2/CO_2环境中的着火延迟,提出了Chalmers 1(C1)化学动力学机理。该机理包含32个组分和96个反应,考虑了CO_2对正庚烷着火延迟的影响,计算了不同CO_2体积分数条件下的着火延迟时间。建立了定容燃烧弹(constant volume combustion chamber, CVCC)可视化试验平台在5个工况下对机理进行了验证,对CO_2的热效应、第三体效应和各基元反应对着火的敏感性进行了分析。结果表明:该机理能够预测正庚烷在不同体积分数比的O_2/CO_2环境中的着火延迟时间,与试验数据相比,最大误差6.5%,最小误差1.4%。CO_2的第三体效应导致着火延迟在工况1(65%O_2/35%CO_2)中缩短了6%,在工况5(30%O_2/70%CO_2)中缩短了27.3%。     

O2/CO2气氛下混煤燃烧过程中NOx排放特性

在滴管炉上对无烟煤、烟煤及其混煤在O2/CO2气氛下燃烧时的NOx排放特性进行了研究,重点分析了燃烧气氛、温度、氧浓度、掺混比例等对NOx排放浓度及氮转化率的影响.实验结果表明,较之O2/N2气氛下,无烟煤与烟煤在O2/CO2气氛下混烧时NO排放浓度平均低大约12%;随O2体积分数增加,NO排放浓度仅小幅增加;随混煤中无烟煤所占比例的增加,NO排放浓度先减小后增加,当无烟煤/烟煤比例为1:1时,其达到最小值;混煤的氮转化率随混煤中无烟煤比例的增加而逐渐减小.混煤的氮转化率与掺混比例有较大的关联,但并非简单的线性关系.     

O2/CO2气氛下煤燃烧过程中孔隙结构演化特征

在固定床和热重分析仪上对云浮烟煤焦在不同温度下O2/CO2燃烧特性进行研究. 研究结果表明热解终温和温度是影响煤焦燃烧特性的主要因素,反应速率随着温度的升高而增大,并且热解终温对焦结构的影响是不可忽略的,这主要是由于孔隙结构的变化主要受挥发分析出和焦受热变形的影响. 云浮烟煤O2/CO2燃烧过程中起始阶段比表面积（SBET）有增加趋势,这种现象的产生主要是由于煤焦燃烧过程中微孔的扩容和新孔的产生,并且比表面积与微孔孔容积的变化规律非常相似,而这由于SBET主要是由微孔来提供,但当转换率大于80 %时由于孔坍塌造成SBET有减小的趋势.     

O2/CO2气氛下燃煤过程中NOx排放特性实验研究

利用沉降炉在O2/CO2和O2/N2气氛下对煤粉燃烧过程中NOx排放特性进行实验,研究了不同停留时间、燃料/氧化学当量比、温度等因素对燃煤过程中NOx的排放特性的影响,并对2种燃烧方式下NOx的排放特性进行对比.结果表明:在O2/CO2气氛下NOx的生成量远远低于空气气氛下NOx的生成量,其主要原因是在O2/CO2气氛中高CO2质量浓度导致气氛中生成较高含量的CO,从而在未燃烧碳表面发生NO/CO/Char的反应,促进了NO还原为N2;O2/CO2气氛中没有N2,避免了热力型NOx和快速型NOx的生成;约80%的再循环烟气致使NOx的停留时间大为增加,即延长了NOx的还原反应时间,从而降低了NOx的排放.     

模拟海拔高度对柴油机燃烧影响的可视化试验

在定容燃烧弹内模拟一款重型柴油机喷油时刻的缸内热力学状态,基于高速摄影开展了不同海拔高度下柴油燃烧的可视化试验研究。结果表明,海拔高度对着火延迟、着火距离、升举长度、卷吸空气比率以及火焰亮度等都有显著的影响,海拔从0 m升高到4 500 m时,着火延迟由0.67 ms延长至1.04 ms,着火距离由22.09 mm增大到37.03 mm;升举长度由23.1 mm增大到34.5 mm;卷吸空气比率由12.0%增大到14.0%;空间积分火焰亮度峰值减小,且空间积分火焰亮度峰值的变化幅度和卷吸空气比率的变化幅度都随海拔升高而减小;时间积分火焰亮度减小,碳烟生成总量减少。     

低浓度煤层气火焰传播特性的实验研究

在定容燃烧弹上对低浓度煤层气火焰传播特性进行试验研究.对不同成分的低浓度煤层气、不同初始温度和不同当量比的火焰传播速度和稳定性进行分析.研究结果表明,甲烷浓度增加,火焰传播速度增加.当量比过大和过小都导致火焰传播速度降低.温度增加,拉伸火焰传播速度增加,马克斯坦常数减小,火焰稳定性降低.     

点火能量对天然气空气预混合气层流燃烧的影响

通过改变点火线圈的充电时间,研究了充电时间与天然气空气预混合气点火能量、预混层流燃烧速度及压力和放热率等燃烧特性参数之间的关系.结果表明:点火能量随充电时间的增加而增大,当充电时间增加到6 ms时,点火能量的增加趋势减缓;点火能量能会影响火核的形成和初期火焰的发展,当火核半径发展到8mm时,火焰传播速度不受影响;压力峰值随点火能量的增加逐渐增大且峰值位置提前,当充电时间由2 ms增加到8 ms时,最大压力峰值增加了3.8％,峰值提前8.6 ms出现,火焰发展期和快速燃烧期分别缩短了5.2 ms和1.7ms.     

Effects of Medium temperature on lean burn combustion duration of n-butanol

In this study,we did exploratory tests on the combustion duration of n-butanol,of which the object was lean mixture whose excess air ratio is 1.6,the independent variable was the initial temperature of combustion bomb.We did combustion tests on constant volume combustion bomb by changing the boundary conditions of the medium temperature.And we got its influence rules on the combustion duration of n-butanol,analyzing the combustion characteristic parameters about cylinder pressure,pressure rise rate,the combustion temperature,temperature rise rate,heat release and heat release rate.The results show that: With the increasing of medium temperature,the combustion duration is shortened significantly.     

离子电流法测量CH_4/H_2混合气燃烧火焰传播速度的实验研究

在定容燃烧弹上布置一对测量电极,运用离子电流法、根据燃烧火焰在接触测量电极时刻的离子电流信号值,对不同工况下CH4/空气及其掺氢混合气的平均火焰传播速度进行了计算,并与传统光学纹影法测得的火焰速度进行了对比。结果表明:对于CH4/空气混合气预混燃烧火焰,在过量空气系数分别为0.75、0.8、0.85、0.9、1、1.1时,利用离子电流法测得的火焰传播速度分别为1.714、1.935、2.195、2.250、2.045、1.538 m/s,相对纹影法误差分别为1.32%、2.09%、4.65%、3.48%、3.64%、7.06%;对于过量空气系数为0.8的CH4/H2燃料,在掺氢比为0%~80%(10%递增)的情况下,离子电流法测得的火焰传播速度相对于纹影法的误差均在5%之内。该结果为离子电流法的层流火焰传播速度测量提供了理论、实验依据,测量方法简单易行、快捷准确、可行性高。     

Effects of Excess Air Coefficients on Combustion Characteristics of N-butanol by a Constant Volume Combustion Bomb

The effects of excess air coefficients on the combustion characteristics have been experimentally investigated by means of a constant volume combustion bomb.N-butanol was tested as the research fuel at different air-fuel equivalence ratios.Through the discussion of the combustion pressure,the combustion temperature,accumulated heat release,ignition delay and combustion duration,the effects of the excess air coefficient on combustion characteristics is clarified.Experimental results show that near the theoretical air-fuel ratio,the combustion rate is the fastest accompanying with shorter combustion duration while the combustion pressure and temperature reach the maximum.With increase or decrease of the excess air coefficient the combustion pressure,the temperature and the heat release reduce.Simultaneously,the combustion timing is deferred and the combustion duration becomes longer.     

狭缝对火花点火发动机碳氢排放的影响

在利用激光干涉法测量定容燃烧弹燃烧室狭缝间隙内未燃混合气热力状态参数的基础上，分析了不同狭缝间隙宽度下狭缝内未燃混合气双壁激冷厚度的变化规律，定量地计算了狭缝容积内未燃碳氢（ＵＨＣ）的生成量。结果表明，狭缝间隙处未燃混合气的双壁激冷厚度不仅与狭缝宽度有关，也与未燃混合气在狭缝内所处的位置有关，理论计算和实验结果表明，存在一临界狭缝宽度，超出这一宽度将有助于火焰在其内部的传播，从而降低ＵＨＣ在缸内的生成量，在本实验的条件下，在火焰传播到狭缝入口处时，入口处双壁激冷临界厚度为０．５ｍｍ，这与作者根据纹影拍照得到的结果相符。实验结果也表明，火焰传播到狭缝入口处时，狭缝内ＵＨＣ量将增加到燃烧开始时的４倍左右。     

基于定容燃烧弹的正丁醚压力振荡特性试验研究

基于定容燃烧弹实验平台,在环境压力为0.05~0.20 MPa、温度为423~453 K、当量比为0.7~1.6条件下开展正丁醚的压力振荡特性试验研究,获得正丁醚燃烧过程中的燃烧压力、火焰形态、燃烧弹振动、声压实验数据并对其进行分析。研究结果表明：正丁醚在较低温度、较高压力下,当量比为1.5左右时产生的压力振荡强度最大,燃烧过程中的压力、振动、声压、亮度等信号具有相同的变化规律,均呈现出随温度增加缓慢降低、随压力增加显著增强、随当量比增加先增后减的趋势。随着压力振荡强度增大,振荡的主频向高频方向移动。正丁醚的火焰不稳定性与压力振荡的产生存在一定关系。     

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.     

不同频率高频交流电对球形传播火焰的影响

为研究不同频率高频交流电场对预混稀燃火焰的影响,对常温、常压下定容燃烧弹中过量空气系数为1.6时的甲烷/空气火焰的传播和燃烧特性进行了研究.结果表明:高频交流电场作用下,火焰均在水平方向被拉伸,当加载交流电压有效值一定时,交流电频率越高,火焰在水平方向的拉伸越剧烈.与未加载电压相比,当交流电压有效值u=5kV,交流电频率f为5、7.5、10、12.5和15kHz时,平均火焰传播速度分别提高43.10%、53.45%、63.79%、74.14%和84.48%,相对燃烧压力增大率的最大值分别为0.15、0.21、0.27、0.36和0.50.由此得出,高频交流电场对火焰燃烧有一定的促进作用,且交流电频率越高,促进作用越明显.