直流电场对预混CH4/O2/N2火焰传播特性影响的试验研究

为研究直流电场及其极性对火焰传播行为的影响,利用高速摄像法和球形扩展火焰理论在定容燃烧弹上展开了正负直流电场作用下预混CH4/O2/N2火焰传播规律的试验研究.试验结果表明:对于化学计量空燃比混合气,施加电场后球形火焰面在水平方向上被拉伸,拉伸火焰传播速率、无拉伸层流燃烧速率以及马克斯坦长度均随着输入电压幅值的增大而增大,且负电场比正电场的作用更加显著.当输入电压为-5 kV与5 kV时,火焰传播速率相对于未加电场时分别增加了10.85％和5.66％,而层流燃烧速率则分别增加了13.13％和6.98％.因此,电场能有效促进火焰传播,改善燃烧以及提高燃烧稳定性.     

高初始压力下交流电场对甲烷/空气预混球形火焰燃烧特性的影响

为了明确在高初始压力下外加交流电场对天然气预混火焰的影响,以甲烷/空气预混的瞬态球形火焰为研究对象,利用定容燃烧弹探究了在过量空气系数为1.2、常温298K、高初始压力300kPa下,加载电压有效值5kV的低频和高频交流电场对甲烷/空气预混火焰燃烧特性的影响。结果显示:低频条件(f=40,60,80,100 Hz)下,火焰传播速度分别增大17.41%、6.53%、3.99%、1.54%时,燃烧压力峰值分别增大2.06%、1.73%、1.04%、0.79%,质量燃烧率达到100%所用的时间分别缩短11.96%、10.27%、7.78%、3.74%;高频条件(f=10,15,20kHz)下,火焰传播速度分别增大13.69%、19.76%、22.21%时,燃烧压力峰值分别增大1.00%、2.37%、3.07%,质量燃烧率达到100%所用的时间分别缩短11.03%、14.94%、16.13%。对低频和高频交流电场的助燃机理——双离子风效应和电化学效应进行了具体的分析,分析结果与实验现象吻合,证明了电场助燃技术的可行性与有效性。     

交流电场对高压下甲烷/空气预混稀燃火焰的影响

为了改善天然气燃烧速率慢、稀燃条件下着火延迟以及火焰稳定性差等不足,在常温、初始压力为3×97kPa下,研究分析了定容燃烧弹中低频交流电场对甲烷/空气预混稀燃火焰形状、火焰传播速度、燃烧压力相关特性参数等的影响。结果表明:与未加载交流电压相比,加载10~100Hz交流电压的火焰在水平方向均发生拉伸变形,电压频率越小,拉伸变形越明显,在15 Hz附近时变化最明显;加载电压后火焰传播速度增大,且随电压频率的减小先增大后减小,在接近15 Hz时最大;交流电场作用下燃烧压力峰值增大,压力峰值到达时间、初始燃烧期和主燃烧期均缩短;随着电压频率的减小,燃烧压力峰值与火焰传播速度变化相一致,而压力峰值到达时间的变化则相反,但均在15Hz附近其绝对值出现最大值,比未加载电压时分别增加了19.90%、-42.23%。     

直流电场对甲烷/氨/空气预混层流火焰的影响

为了初步探究直流电场对氨/碳氢混合燃料燃烧特性的影响,在定容燃烧弹台架上开展正、负直流电场对甲烷/氨/空气预混层流火焰传播特性影响的研究。实验分为两部分:在常温常压条件下,保持过量空气系数不变,改变甲烷/氨混合气中氨的掺混比,对不同配比的甲烷/氨/空气混合气分别加载正、负直流电场;保持氨在甲烷/氨混合气中的掺混比不变,对不同过量空气系数的甲烷/氨/空气混合气分别加载正、负直流电场。实验处理后得到各工况下火焰传播发展图像、平均火焰传播速度、速度提高率、完全燃烧时间和完全燃烧时间提前率。结果表明:负直流电场比正直流电场促进火焰传播效果略强,负直流电场对火焰的拉伸近似为圆角矩形而正直流电场近似为梭形,且拉伸效果随氨的掺混比增加以及过量空气系数的增大而增强;正、负直流电场能够加快火焰传播速度,缩短完全燃烧时间,且促进效果随着电压增大而增加;两种电场的促进效果都会随着氨掺混比增加和过量空气系数的增大而增强。本实验说明,高压直流电场对促进氨/碳氢混合燃料的稀薄燃烧有明显提升作用。     

负直流及低频交流电场对预混火焰影响的实验研究

为了比较直流及低频交流电压的助燃效果,在常温常压下,对定容燃烧弹内的网状电极分别加载负直流和低频交流电压,研究了两种电压对甲烷/空气预混火焰的火焰形状、火焰传播速率和燃烧压力的影响。结果表明:负直流和低频交流电压对平均火焰传播速率和燃烧压力均有一定的促进作用,且低频交流电压的助燃效果要强于负直流电压,随着低频交流电频率的降低,对火焰的促进作用增大。当过量空气系数为1.6时,与未加载电压相比,负直流电场(电压为-5kV)和低频交流电场(频率为40、60、80、100Hz,电压有效值为5kV)作用下的平均火焰传播速率分别提高37.93%、72.41%、55.17%、48.28%和39.66%,相对燃烧压力增大量的最大值分别为0.23、0.65、0.58、0.48和0.28。     

低频交流电场对甲烷/空气预混火焰影响的机理研究

为了明确低频交流电场对火焰的作用机理,在常温、初始压力0.3MPa下,施加电压有效值为5kV、频率f=40,60,80,100Hz的电场对甲烷/空气混合气的燃烧特性进行研究,建立了预混甲烷/空气火焰离子反应模型,对燃烧过程各粒子的浓度变化进行模拟,将实验与模拟结果综合进行了分析。结果表明:加载低频交流电场后,预混球形火焰在横向发生明显形变,随着频率的增大,平均火焰传播速度S_L和压力峰值Pmax均逐渐减小;模拟计算表明随着频率的增大,双离子风发展程度ξ_(eff)逐渐减小,平均火焰传播速度增大率ΔS_L和压力峰值增大率ΔPmax与双离子风发展程度ξ_(eff)的线性拟合相关系数分别为0.995 82和0.919 96,ξ_(eff)与电场对火焰的促进作用密切相关;电场下火焰前锋面粒子间的碰撞作用程度与火焰的宏观拉伸形变之间存在着直接联系,基于碰撞作用的双离子风效应是低频交流电场对预混火焰的主要促进因素。     

1万2千伏直流高压电场对火焰传播速度影响的研究

从研究火焰的传播速度出发,在大气压条件下,利用高压发生器,探讨了1万2千伏直流高压电场对火焰形状及传播速度的影响。实验测定了电场对本生灯和玻璃管内火焰形状的影响。并对焰传播速度的改变作了测量计算。两种装置的实验结果表明:对本生灯火焰形状有明显影响,对管中火焰速度有不同程度的改变。文中从高压电场产生的离子风角度对实验结果作了浅析。     

甲烷/空气预混气的火焰传播过程

为研究爆炸罐内甲烷/空气预混气中火焰的传播过程,利用高速摄像仪对火焰的传播过程进行了拍摄,用压力测试系统测量了爆炸罐中压力的成长过程,分析了火焰传播特性,计算了层流燃烧速度和不同位置的爆炸特性值.研究结果表明:根据高速摄像仪得到的图片将预混火焰分为火焰稳定成长及剧烈燃烧阶段,用两种方法测得预混气的层流燃烧速度分别为0.344和0.391m/s.爆炸特性值的最大值出现在离点火位置0.75m处,壁面的爆炸特性值偏小.     

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。     

正/负电场对预混稀燃火焰影响的对比研究

为了比较正/负电场的助燃效果,在室温298K、气压100kPa条件下,通过对定容燃烧弹内的网状电极分别加载正直流电压和负直流电压,研究了正/负电场助燃机理,由此分析了2种电压对甲烷/空气预混火焰形状、火焰传播速度以及燃烧压力等参数的影响。结果显示:正/负直流电场对过量空气系数分别为1.2、1.6的预混稀燃火焰均有促进作用,平均火焰传播速度在施加电压的电极方向得到增强;在施加电场后,相同过量空气系数下的火焰燃烧峰值压力增大,且随着电压幅值绝对值的增大,峰值压力到达时间相应缩短;在相同的电压幅值下,正电场的促进效果优于负电场。该结果对电场辅助燃烧的进一步研究具有指导意义。     

低旋流CH_4/H_2火焰的燃烧特性及稳定性机制研究

为了研究低旋流CH_4/H_2火焰在不同H_2占比(体积分数)条件下的燃烧特性及稳定机制,对当量比为0.7的CH_4/H_2预混气体进行了数值模拟,分析了CH_4/H_2火焰的自相似特性、流场结构及火焰特性,研究了旋流数对富氢燃料回火性的影响。结果表明:随H_2占比增加,CH_4/H_2火焰仍保持自相似特性,其剪切层强度逐渐增加,内剪切层逐渐向中心低速区移动,火焰锋面逐渐向喷嘴移动,火焰形状由碗型逐渐变为W型,最后变为V型,而轴向、径向速度延伸率以及虚拟原点几乎不受H_2占比影响。在H_2占比从80%增加到95%时,燃料的层流火焰速度变化较大,使得流场结构和火焰锋面位置发生剧烈变化。对于中心低速区的CH_4/H_2火焰,当火焰传播速度等于当地气流速度时,火焰稳定;对于内剪切层区的CH_4/H_2火焰,速度梯度产生的旋流使得当地气流产生向下和向中心低速区移动的趋势,从而火焰产生向上移动的趋势,实现火焰稳定。适当减小旋流数,有利于减小富氢燃料回火发生的可能性。     

不同电极下电场对甲烷/空气稀燃火焰影响的试验研究

针对稀燃条件下燃烧存在燃烧速率慢、循环变动严重的问题,研究了定容燃烧弹内点、柱、网3种电极结构下的电场对火焰形状、火焰传播距离及速率、燃烧压力的影响。结果表明:3种电极下加载电压,火焰形状均发生变形且在水平方向被拉伸;3种电极中网电极下的电场对火焰的促进作用最大;混合气越稀,火焰在电场中停留的时间越长,电场对火焰的影响越大。过量空气系数为1.2、1.4、1.6,网电极在加载-10kV电压时,平均火焰传播速率比未加载电压时分别提高了66.82%、112.42%、126.16%,相对燃烧压力增大率的最大值分别为71.60%、113.55%、114.97%。     

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。     

空气管出口布置方式对平焰燃烧特性的影响

为了减少CO和NO的排放,采用不同的空气出口布置方式,对平焰燃烧特性进行分析.实验结果表明:四管切圆和三管切圆两种空气出口布置方式都能形成平焰,空气旋流造成的负压区使回流阻力减少,高温炉气回流到焰心挤压在旋流的中央,也促进气流附壁,使燃烧更稳定;随着空气管至烧嘴中心轴线距离的增加,火焰面逐渐扩展,从而降低了燃烧区峰值温度,进而促使CO和NO含量的降低;在相同空气管距离下,四管切圆比三管切圆具有更大的火焰面和更均匀地分布,且峰值温度和CO、NO含量略低于后者.可见采用四管切圆布置方式,并适当增加空气管至烧嘴中心轴线的距离,更适合平焰燃烧器的低氮燃烧.     

稀燃条件下甲烷-空气预混射流的着火特性

基于可控热氛围燃烧试验系统,探究射流当量比、射流速率和协流速率对甲烷-空气预混射流着火特性的影响。根据试验规律对天然气发动机稀薄燃烧的控制策略提出优化建议,以减少失火现象的发生。结果表明：随着协流温度的升高,甲烷-空气预混射流的稀燃极限降低而富燃极限升高,符合大多数碳氢燃料预混合气的着火界限分布规律。不同的射流速率和协流速率下均存在临界当量比,当低于临界当量比时,着火温度随射流当量比的升高而显著降低,当高于临界当量比时,着火温度趋于稳定。在较低的射流当量比工况（0.20 ~ 0.62）下,提高射流速率可以降低着火温度从而优化着火性能。