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.     

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.     

二甲醚发动机的新型可控预混合燃烧

提出一种二甲醚可控预混合新型燃烧(CPC)概念, 探索在发动机上实现无烟与超低NO_x排放的新途径. 采用电控低压喷射系统, 将燃料喷射到预混合室, 并由控制阀控制预混合气的形成及燃烧过程. 以单缸135柴油机为基础设计制作了试验装置. 初步试验表明: 在优化的发动机参数条件下, NO_x排放量低于 65×10^-6, 烟度为零. 燃烧过程分析发现, 控制阀对燃烧过程有着显著的影响, 是实现高效燃烧过程的关键.     

能否发展关于湍流动力学和颗粒材料运动学的综合理论?

自然界和工程应用中遇到的流动绝大部分是湍流问题.湍流流动中包含了不同尺度的旋涡,如何准确地定义湍流仍十分困难,湍流动力学的理论体系仍尚未完成.颗粒流是固相颗粒以气相或液相为载体的流动,缺乏普适的本构方程,处理颗粒运动时无法将微观的颗粒尺度与宏观的流场尺度分开.本文介绍了湍流和颗粒流的基本特性、研究的理论和方法,分析了湍流和颗粒流研究所面临的挑战.     

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.     

湍流换热的场物理量协同与传热强化分析

在层流换热场物理量协同原理的基础上, 针对湍流零方程模型和k-ε 两方程模型, 建立了湍流换热的能量和动量协同方程, 揭示了湍流换热流场中热流、质量流与流体流动驱动力之间的协同关系及其所反映的强化传热机理, 将强化传热的场物理量协同原理由层流延展到湍流. 通过圆管内置旋扭式螺旋片的强化传热计算分析, 证明了湍流换热场物理量协同原理具有普遍性. 因此, 根据湍流换热流场的物理量协同关系, 可对各种不同的管内强化传热元件和表面的换热性能和流动阻力进行分析比较, 从而为提高传热单元或换热器的综合性能提供理论和设计依据.     

石墨烯可控加工研究取得新进展

石墨烯是一种由单层碳原子组成的新型纳米材料,可用于制造多种纳米元器件.由于其电特性与几何构型密切相关,因此如何可控裁剪石墨烯是其得到实际应用的必然前提.目前,研究人员对石墨烯的裁剪技术进行了大量探索性研究,发展了如热驱动纳米粒子切割方法、基于SPM     

采用快速热管理系统研究乙醇SI/HCCI燃烧模式切换

在一台改进的单缸机实验系统上采用自行设计的快速热管理系统进行乙醇燃料HCCI燃烧的实验研究, 获得了乙醇燃料HCCI燃烧的运行工作范围. 与SI燃烧方式相比, 在HCCI运行区域内, 发动机的热效率高, NOx排放大幅度降低. 在SI和HCCI的工作区域边界进行了不同工况乙醇燃料SI/HCCI燃烧模式转换的实验研究. 结果表明, 在当前实验条件下, 采用进气热管理系统能实现乙醇HCCI和SI两种燃烧方式的转换, 但不能在一个工作循环内完成, 在转换过程中转速和平均有效压力出现波动. 考察了火花辅助点燃对乙醇HCCI临界温度工况燃烧稳定性的作用, 结果显示采用火花辅助点燃, 基本上能避免失火循环的产生, 改善了燃烧稳定性. 在此基础上, 研究了火花辅助点火对SI/HCCI混合燃烧模式发动机燃烧模式切换平顺性的影响. 研究发现, 单纯通过火花辅助点火并不能完全消除过渡过程中的波动, 需要进一步的优化模式转换的控制策略.     

基于碳烟表面活性的多步碳烟生成机理研究柴油机碳烟生成的主要影响因素

随着排放法规对发动机碳烟排放量以及碳烟颗粒尺寸的要求日益严格,柴油机部分预混燃烧技术通过协同控制燃烧过程中混合与化学反应参数,可以实现高热效率与超低的碳烟排放.这样使得燃烧边界条件对碳烟生成过程的影响成为研究的关键问题.本研究利用三维CFD数值模拟方法,耦合正庚烷化学动力学简化模型以及改进的多步现象学碳烟模型,来预报以正庚烷为替代燃料的柴油机部分预混燃烧过程及其排放特性.乙炔作为碳烟前驱物形成以及碳烟表面生长的主要组分,其生成历程的准确预报为模拟碳烟形成奠定了基础.碳烟表面生长过程是碳烟质量积累的重要过程,本研究引入碳烟颗粒活化表面比例分数αCH作为评价碳烟表面活化程度的标准,探讨了不同燃烧边界条件对碳烟表面活化程度的影响.研究结果表明,对于混合气均匀的燃烧工况,氧浓度降低导致燃烧温度降低,引起单位面积上的碳烟生长速率大幅降低是表面生长速率减慢的主要原因,最终导致碳烟的生成量减少;随着混合气分层程度增加,燃烧过程中积累了大量未燃碳氢化合物,促进了乙炔的生成和碳烟表面活化程度升高,加速了碳烟表面生长过程,导致最终碳烟排放恶化.此外,燃烧过程中残留的CO对碳烟后期氧化产生一定的抑制作用.     

竖直平板间湍流自然对流中的螺旋羽流结构

通过直接数值模拟研究竖直平板间温差湍流自然对流的相干结构。研究表明，流场中同时存在大尺度展向涡结构和螺旋羽流结构。螺旋羽流结构对应于流场中相对螺度、法向涡量及脉动温度较大的位置，定性分析了 螺旋羽流结构的形状、特点、成因以及与Rayleigh-Benard对流的异同，并应用条件采样分析说明了螺旋状热羽流结构的主要特性。     

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.     

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.     

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.     

南海北部琼东南海域活动冷泉流场特征初探

冷泉是甲烷流体运移的一种重要地质过程.作为一种重要的温室气体,海底冷泉处渗漏的甲烷流体,对全球气候变化具有重要的影响.因此,冷泉流场的研究对于冷泉地质过程和全球气候变化都具有重要的意义.本研究基于PIV(particle image velocimetry)技术,对南海琼东南海域新发现的活动冷泉视频资料进行了活动冷泉的流速流场的模拟定量研究.研究区活动冷泉的释放有两种形式:一种是天然气水合物分解形成甲烷气泡,缓慢地逸散至海水;另一种则是含甲烷流体从喷口快速喷发形成羽状流. PIV计算的结果显示,活动冷泉羽状流流场运动方向整体向上,内部为复杂的湍流,其流线呈现出蜿蜒的形态,冷泉羽状流的运动方向与流速大小均随时间的改变而改变.尽管存在一定的系统误差,但PIV计算的结果仍然是可信的,并且具有低成本、速度快、分辨率高等独特的优势.与热液流场相比,冷泉流场的研究程度相对较低,未来需要更多的工作来定量描述冷泉流场,并分析冷泉流场的变化规律.     

同步辐射单光子电离在燃烧研究中的应用

介绍了国家同步辐射实验室新建立的燃烧实验站及获得的初步实验结果. 由于同步辐射可以提供高亮度、高准直性和波长连续可调的真空紫外光, 并且真空紫外光电离是单光子过程, 与分子束质谱相结合, 能够精确地探测燃烧产物, 尤其是各种中间体、自由基等. 该方法为深入研究碳氢化合物的燃烧动力学, 揭示燃烧反应的机理, 提供了一种全新的研究手段.     

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.     

生物质的低温热解预处理实验研究

农作物秸秆类生物质水分含量高、能量密度低、资源分散,因此储存运输成本高,而且可磨性差不易制粉用于煤粉锅炉或气化炉的混合燃烧与气化.生物质低温预处理技术是一种能够解决上述问题的温和热解方法,能够显著改善生物质的特性.在固定床实验台进行了棉花秆和小麦秆N2氛围下的低温热解试验,200,230,250,270和300℃下加热时间均为30min.热解得到的固体焦产物能量密度显著提高,对比原始的生物质其可磨性得到明显改善,并且具有了疏水性,便于储存运输和磨粉用于气流床气化.热解气体产物以CO2,CO为主还有少量CH4,液体产物主要是水分和焦油.随着热解温度升高,液体产物和气体产物量均增加,固体焦的质量产率和能量产率都下降.对热解气体产生的动力学分析,作为相互平行独立的一级反应求解生成的动力学参数.     

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.     

塔里木盆地地质热事件研究

塔里木盆地是我国最大的沉积盆地,也是我国石油工业的重要战略接替地区,因此塔里木盆地油气形成与演化研究具有十分重要的意义.塔里木盆地发育了多期地质热事件,这些盆地地质热事件直接影响了盆地油气形成和演化.作者采用~(40)Ar-~(39)Ar快中子活化技术对盆地火山岩进行~(40)Ar/~(39)Ar坪谱年龄研究,获得了塔里木盆地火山岩的~(40)Ar/~(39)Ar年龄,查明了本区构造热事件的地质年代,并通过Ar在热事件中的逸散程度恢复样品遭受热历史过程,在此基础上探讨了盆地的构造演化及与油气生成、演化的关系.1 盆地火山岩~(40)Ar/~(39)Ar年龄谱特征~(40)Ar/~(39)Ar坪年龄谱不仅能够很好地反映岩石形成的年龄,而且能很好地记录岩石形成以后所经历的各种地质热事件.因此,塔里木盆地火山岩的~(40)Ar/~(39)Ar坪年龄谱的研究能很好地确定盆地地质热事件的历史.     

一种便携式温差发电炉的实验研究

为解决极端条件下的供电问题,设计了一种便携式温差发电炉,实验研究了其功率负载特性.温差发电炉可燃用干树枝等生物质,总质量为2.5 kg,折叠后尺寸为0.25 m×0.2 m×0.044 m.实验发现,设计的便携式温差发电炉在自供电散热后,当外部负载介于50~70?时,可对外提供2.45 W的电能;经过稳压模块转换成5 V后,当外部负载为12?时,可对外提供2.06 W的电能,系统的热电转换效率约为2.1%.此外,实验揭示了热管理在温差发电技术中的关键作用,即零耗电的热端设计、热端温度控制、热容匹配和冷端散热耗电负荷是实现净对外供电的核心参数.最后,通过实验对比了商业化销售的便携式温差发电炉,并进行了分析和讨论.