Influence of rarefaction wave on premixed flame structure and propagation behavior

To explore the influence of rarefaction wave on the structure and propagation behavior of the premixed propane/air flame in a rectangle combustion pipe, the techniques of high speed Schlieren photograph method, pressure measurement and so on are used to study the interaction processes between rarefaction wave and flame. Two cases of rarefaction wave-flame interaction were performed in the experiment. The experimental result shows that both the rarefaction waves can cause the flame transition from laminar to turbulent combustion quickly. The cowflow rarefaction wave decreases the flame speed, while the counterflow rarefaction wave leads the flame propagation speed to increasing on the whole, accompanied with sharp vibration.     

Influence of rarefaction wave on premixed flame structure and propagation behavior

To explore the influence of rarefaction wave on the structure and propagation behavior of the premixed propane/air flame in a rectangle combustion pipe, the techniques of high speed Schlieren photograph method, pressure measurement and so on are used to study the interaction processes between rarefaction wave and flame. Two cases of rarefaction wave-flame interaction were performed in the experiment. The experimental result shows that both the rarefaction waves can cause the flame transition from laminar to turbulent combustion quickly. The cowflow rarefaction wave decreases the flame speed, while the counterflow rarefaction wave leads the flame propagation speed to increasing on the whole, accompanied with sharp vibration.     

Experimental study on interference effect of rarefaction wave on laminar propagating flame

In order to study the interference effect of rarefaction wave on the laminar flame propagating structure and pressure characteristics of methane-air mixture, a small scale combustion chamber has been built. The techniques of high speed Schlieren photograph, pressure measurement and so on, are used to study the influence of rarefaction wave on the laminar flame propagating through methane-air mixture. The results show that, after the rarefaction wave acts on the propagation laminar flame, the laminar combustion is fully transformed into turbulent combustion just during several milliseconds, which leads to a sharp increase in the burning surface area and the pressure rise rate.     

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.     

相连容器中粉尘爆炸的火焰传播

采用实验和数值模拟相结合的方法对相连容器中玉米淀粉粉尘爆炸的火焰传播行为进行了研究.实验装置为通过长管相连接的两个容器,爆炸在一个容器中引发后通过管道传播到另一个容器中.采用欧拉-拉格朗日方法模拟粉尘爆炸的两相流问题,气相湍流模型采用k-ε模型,粒子燃烧模型考虑了水分蒸发、挥发分分解、气相反应和粒子的表面反应,气相湍流燃烧模型采用涡旋破碎-阿累尼乌斯模型,数值求解采用算子分裂方法和FCT格式.仿真结果揭示了火焰在长管中的加速行为,计算结果与实验结果符合得较好,表明所采用的模型可以很好地应用于粉尘爆炸火焰传播的研究.     

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.     

燃气流量低频脉动下的火焰结构特征

针对一种可降低天然气高温燃烧过程中NOx生成量的脉动供燃料燃烧技术,研究了一个采用燃气流量脉动燃烧方式的射流扩散火焰。采用纹影和直接摄像手段观察了在燃气流量低频率(10Hz以下)脉动工况下的火焰特征及其变化,分析了火焰长度脉动特征和火焰内部结构的周期发展过程。研究发现:火焰内部结构的周期发展过程包括高速(波峰流量)燃气脉冲冲出、增长、燃气惯性冲出、回吸、低速(波谷流量)和高速燃气脉冲的分离、低速脉冲的增长等阶段。其中低速和高速燃气脉冲的分离是单火焰燃烧不稳定的原因。     

化学反应机理和弥散效应对多孔介质内燃烧过程的影响

采用一维反应流模型,考虑不同的化学反应机理和弥散效应的影响,数值求解多孔介质内的燃烧过程.通过对火焰结构,火焰传播速度及污染物的计算与分析,得到了不同机理的优缺点及适用范围,分析了弥散效应的影响.结果表明,当量比较小时,化学反应机理和弥散效应的影响不大;当量比较大时,结果差别较大,需要仔细选择化学反应机理和考虑弥散效应.     

预混燃烧中火焰长度的变化规律研究

 通过采用不同的组合模型进行湍流燃烧数值模拟的研究,筛选出能与实验结果相吻合的模型,给出了适合该模型系统的网格密度。探讨预混燃烧中火焰长度的影响因素,结果表明：要控制火焰长度应全面考虑空气消耗系数的影响。     

光滑管中预混火焰传播物理机理的实验研究

开展了常温常压下二元燃料氢气/丙烷和空气预混气体在光滑方管道中火焰传播物理机理的实验研究。采用压力-时间记录法和纹影法两种测试方法,获得火焰传播速度和火焰阵面结构沿管道变化情况。结果表明:两种方法所测得的火焰传播速度在所测量范围内都先增加后减小。火焰加速传播机理主要是前方未燃气体受到前驱压缩波作用而被加热和压缩的正反馈微分加速机制,之后在管端反射的压缩波影响下,火焰传播速度略有降低。     

氧浓度对斯特林发动机燃用不同燃料时燃烧火焰特征的影响

利用高速摄影技术,研究了以乙醇为燃料时斯特林发动机引射气流中氧浓度对燃烧的火焰长度、色度、燃烧速度以及燃烧稳定性等的影响.结果表明：在引射空气时,随着氧气浓度的提高,火焰的稳定性及火焰传播速度提高,燃烧火焰长度变短,火焰变得更明亮,且柴油火焰亮度比乙醇大;在有引射气流的作用下,氧浓度对燃烧特征参数的影响较小.

     

非均匀电场对火焰传播速率的影响

在定容燃烧装置上,通过改变加载电压和电极结构形成了不同的非匀强电场,由此研究了电场对预混层流火焰形状和传播速率的影响.结果表明:在非均匀电场下,尖-网电极对应的火焰形状发生了显著变化,尖-柱电极对应的火焰形状变化较小；受离子风的影响,沿电场方向的火焰水平方向传播速率增加,加载电压越大,火焰水平方向传播速率增加得越多；当加载电压为-5 kV、-10kV、-12 kV时,尖-网电极对应的水平方向平均传播速率分别增加了10.4％、23.7％、34.1％,尖-柱电极对应的水平方向平均传播速率分别增加了2.5％、7.5％、8.8％；加载电压相同时,尖-网电极比尖-柱电极对应的火焰水平方向传播速率增加得更多.     

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.      

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。     

大加速度场中燃烧过程的计算机仿真

提出了大加速度场中燃烧过程的计算机仿真 ,建立了大加速度场中二维层流燃烧的数学模型 ,对控制方程组进行离散 ,采用SIMPLE算法和交错网格设计并调试程序。在调试成功的程序上进行了丙烷和空气混合气在大加速度场中燃烧的模拟实验。对比了大加速度场中燃烧与非大加速度场情况下的不同 ,当离心力与流速方向相反时 ,流场上流的回流方向为顺时针 ,下游有一顺时针方向的回流区 ,随着加速度的加大 ,两个回流区之间又出现一个逆时针方向的回流区 ,并逐渐加大 ,直到流场紊乱     

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.     

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.     

预混气体在多孔介质中燃烧火焰面倾斜的演变

为研究多孔介质中火焰面倾斜演变及出现倾斜演变的原因,建立了二维碳化硅堆积小球的多孔介质燃烧器双温模型,对预混气体在燃烧器内的流动、传热和燃烧进行模拟.分析火焰面倾斜演变,并从温度场、气体流速场、压力场三个方面对火焰面出现倾斜演变现象进行分析.结果表明:给定初始倾斜角的火焰面会持续发展,出现更严重的倾斜现象;温度场、气体流速场、动压场通过影响燃烧化学反应速度、气体流动方向、壁面散热等间接影响火焰面的倾斜演变,导致火焰面倾斜的持续发展.     

多重射流气相燃烧反应器内三维流场的数值模拟

采用标准的k-ε湍流模型、EDC(涡耗散)燃烧模型和DO(离散坐标)辐射换热模型对多重射流燃烧反应器内的流动及燃烧状况进行了三维全尺寸数值模拟。研究了不同工艺条件下燃烧反应器内温度、速度以及各反应组分的分布状况,考察了燃烧反应器径向温度分布等参数对最终颗粒尺寸、形貌特征的影响规律,并与同工艺条件下实验结果进行了验证,数值模拟与实验结果吻合良好。所建立的数学模型为燃烧反应器结构设计和工艺条件优化提供了依据,同时模拟结果也为纳米颗粒成核生长过程的研究提供理论依据。     

加湿回流湍流扩散燃烧流场的实验研究

实验测量了加湿、不加湿状况下钝体后丙烷/空气湍流扩散燃烧流场,分析了两种燃烧流场的异同点.实验中采用粒子图像速度场(PIV)测量技术测量了钝体后加湿、不加湿扩散燃烧流场的速度分布,利用高温热电偶测量了两种流场火焰内部的温度分布,使用气体分析仪测量了两种流场的NO分布.结果表明:加湿扩散燃烧流场与不加湿扩散燃烧流场虽然总体相似,但加湿使得燃烧流场回流区中心的位置前移、回流区长度减小、燃烧区最高温度降低,并且使得燃烧室内的NO浓度降低;加湿有利于燃烧室轴向尺寸的缩小,提高了燃烧室内温度分布的均匀度,降低了污染物的排放.