合成气纯氧高压预混湍流火焰结构研究

为了理解高压下合成气纯氧预混湍流火焰中火焰与流动的耦合作用,利用OH-PLIF激光测量技术开展了高压条件下合成气纯氧预混湍流火焰结构研究,获得了高压下预混湍流火焰前锋面结构,得到了火焰前锋面尺度信息,包括火焰体积、火焰面密度和火焰前锋面尺度,并分析了预混湍流火焰前锋面与湍流尺度和层流火焰尺度的相互作用关系.研究结果表明:高压预混湍流火焰前锋面为褶皱火焰面结构,火焰面为小尺度的尖峰结构和大尺度的树干状结构互相叠加;合成气火焰前锋面结构比甲烷混合气火焰更加精细,尺度更小;合成气预混湍流火焰体积较小,放热区较小,在预混贫燃燃气轮机燃烧室中容易产生燃烧振荡;合成气和甲烷火焰在湍流燃烧速率上表现出不同的转折规律,这可以通过火焰前锋面尺度和火焰自身不稳定性尺度来解释;湍流流动对火焰前锋面的扰动受到火焰自身不稳定尺度的限制.     

水蒸气对合成气层流火焰传播特性的影响

选用Davis-机理模拟研究初始温度400 K时,含有水蒸气的合成气/空气预混层流火焰传播特性.结合敏感性分析,从热力学效应、直接化学反应效应及化学三体反应效应方面详细分析水蒸气稀释作用.研究结果表明:当燃料中氢气的体积分数大于25%时,层流火焰传播速度、绝热火焰温度及重要自由基摩尔分数均随稀释剂比例的增加显著降低;在水蒸气整体稀释作用中,热力学效应起支配作用;随氢气体积分数的增加,当混合物当量比较小时,直接化学反应效应影响从促进作用发展为抑制作用;当稀释剂较少时,化学三体反应效应影响存在显著的抑制—促进—抑制作用的变化过程.     

部分预混层流火焰结构的数值研究

针对部分预混层流火焰,在分析了常见火焰面方程不足的基础上,使用了一套详细考虑了组分不同输运系数的火焰面方程对其进行数值模拟.模拟结果与物理空间求解结果间的比较表明,此套方程能够在保证相容性的同时获得相当好的模拟精确度.此外,在火焰面方程中采用不同的标量耗散率模型对部分预混火焰进行了数值计算,结果显示标量耗散率模型的精确程度对于模拟结果有着重要影响.进一步利用火焰面方程数值研究了部分预混层流火焰结构对于标量耗散率变化的响应,捕捉到其在低标量耗散率下区别于非预混火焰的双火焰结构的存在,并讨论了此现象产生的原因.     

二甲醚层流预混火焰试验及数值模拟

为了研究层流预混火焰中二甲醚的氧化分解路径,利用同步辐射真空紫外光电离及分子束取样质谱技术,测量了二甲醚浓燃火焰主要物种及主要中间物种的摩尔分数空间分布曲线。基于典型的二甲醚燃烧化学反应机理和CHEMKIN化学反应动力学模拟软件,对相同条件的一维平面火焰进行了数值模拟,结合试验及数值模拟结果对二甲醚的氧化分解路径进行了分析。研究结果表明:甲醛和甲基是二甲醚燃烧过程中最主要的C1中间物种,乙烯和乙炔是主要C2中间物种;浓燃条件下,二甲醚主要通过脱氢反应消耗,使二甲醚产生脱氢反应的最主要的原子是H,其次是OH、CH3和O;二甲醚的脱氢产物甲氧基甲基极不稳定,在火焰中一经生成马上就被消耗掉,试验中没有观测到它的存在;CH2O脱氢生成HCO,HCO脱氢生成CO,CO再被OH氧化成CO2;反应CO+OHCO2+H是火焰后期生成CO2的主要方式。     

拉伸对甲烷/空气层流预混火焰影响的数值研究

对甲烷/空气对撞拉伸层流预混火焰进行了数值求解,所采用的化学反应机理为GRI_Mech3．0(包含53种物质和325个基元反应),讨论分析了火焰面的拉伸对层流火焰的结构、温度和组分分布的影响．结果显示,火焰面的拉伸降低了火焰的厚度和化学反应速率,高温区域的减小,是一些自由基如N0,0,H等的生成量减少的主要原因;0,H等活性自由基的减少会导致熄火．     

稀释气体对甲烷层流预混火焰燃烧速度的影响

基于GRI-Mech 3.0详细化学反应机理,利用预混燃烧模型(PREMIX Code)研究了甲烷-空气-稀释气层流预混火焰燃烧特性及火焰结构.重点探讨了不同化学当量比(0.5～1.5)、初始压力(0.05～0.40 MPa)、稀释气体种类(N2,CO2及H2O)和稀释摩尔比(0～0.35)对甲烷-空气-稀释气混合气层...     

碳酸二甲酯层流火焰特性的实验和数值研究

在定容燃烧弹上,利用高速纹影摄像系统对碳酸二甲酯(DMC)的预混层流燃烧特性进行了研究,获得了不同温度、压力和当量比下的层流燃烧速度、马克斯坦长度和胞状结构的临界半径,同时对火焰不稳定性进行了理论分析。研究表明:层流燃烧速度随当量比的增加先提高后下降,在当量比为1.1时达到峰值;层流燃烧速度随初始温度的升高而提高,随初始压力的增加而降低;马克斯坦长度、临界火焰半径随当量比和压力的增加而减小,表明火焰不稳定性随初始压力和当量比的增加而增强;临界贝克来数Pe随当量比的增加而减小。利用Chemkin软件对预混层流燃烧速度进行了数值模拟,结果显示,Glaude机理对DMC层流燃烧速度的模拟值与实验测量值有较大偏差,表明该机理不能很好地预测DMC的层流燃烧速度。     

耦合详细反应机理的低碳烷烃预混火焰结构三维数值预测

通过刚性反应系统算法器,将KIVA III源码与CHEMKIN III程序有机耦合形成大型计算燃烧学程序IPIC-CFD II,用于研究在考虑详细化学反应动力学机理下,低碳烷烃类燃料的三维复杂流动燃烧过程.以一个模型燃烧室内的高压C7H16/O2/N2预混气燃烧作为计算背景,对其着火和火焰传播过程进行三维数值模拟,以具体说明该软件的应用效果.     

CO2和N2惰化条件下合成气可燃下限实验研究

利用自主搭建的可燃极限实验系统,对含有CO₂和N₂的合成气可燃下限进行实验研究,并对Le Chatelier公式进行校核.结果表明,合成气可燃下限随含氢量的增加而降低,由于反应控制机理的影响效应,少量氢气的加入对混合物可燃下限具有显著影响;合成气可燃下限随N₂和CO₂比例的增加近似线性升高,而CO₂较强的热效应及化学效应使其对混合物可燃下限的影响更显著;由于Le Chatelier在推导过程中对化学反应作用的简化及忽视,使其对含氢量较低及惰化比例较高的合成气可燃下限的预测准确性较差,且计算结果不能区分不同惰性气体对合成气可燃下限的影响差异.     

管道内甲烷-空气预混火焰传播特性的实验与数值模拟研究

采用高速纹影摄像系统、压力传感器等对小型水平封闭管道内甲烷-空气预混燃烧火焰的传播过程进行了实验研究,得到了火焰锋面结构、传播速度和压力随时间的变化关系.研究结果表明,管道内预混火焰传播过程中,火焰结构会发生明显变化,即从向未燃气体凸出的球形层流火焰转变成向已燃气体凹陷的V形湍流火焰,同时伴有火焰传播速度的减小、压力的不断增大.另外运用标准k-ε模型,对非定常时的甲烷预混燃烧火焰进行数值模拟,得到了与实验结果类似的火焰传播特性和火焰结构的变化规律.     

掺氢对二甲醚预混层流燃烧特性的影响

利用定容燃烧弹试验和化学反应动力学数值模拟相结合的方法,研究了不同氢气掺混比下的二甲醚-氢气-空气预混层流火焰特性,分析了氢气掺混量(掺氢比)对二甲醚预混层流燃烧速度、绝热火焰温度以及火焰中主要活化自由基的影响。试验结果显示:随掺氢比的增大,混合气体的层流燃烧速度、绝热火焰温度逐渐增大,且在掺氢比小于80%时增大幅度较小,在掺氢比大于80%时,增大幅度较大;掺氢比较小时,混合燃料燃烧初期,火焰中会有一定量的氢气生成,说明混合燃料燃烧过程中,二甲醚会被优先氧化分解,在掺氢比较小的混合燃料燃烧过程中二甲醚的氧化分解占主导地位;随掺氢比的增大,火焰中自由基的浓度逐渐增大,大掺氢比时H自由基浓度增大幅度更为明显,H自由基浓度随掺氢比增大的剧增导致层流燃烧速度的剧增。     

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293～500 K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...     

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。     

二甲醚-氢气-空气混合气预混燃烧的实验研究

在定容燃烧弹中,研究了不同燃空当量比、掺氢比和初始压力下的二甲醚-氢气-空气预混合气的一系列层流燃烧特性参数,并且系统地分析了当量比、掺氢比和初始压力对燃烧的影响.结果表明:随着掺氢比的增大,火焰传播速率、层流燃烧速率、燃烧压力升高率和质量燃烧速率都明显增大,火焰发展期和燃烧持续期则随之缩短;当掺氢比较低时,随着当量比的升高,马克斯坦长度不断递减,即稀混合气的燃烧稳定性更高;当掺氢比较高时,随着当量比的升高,马克斯坦长度不断递增,即浓混合气的燃烧稳定性更高;最高燃烧压力随着初始压力的升高而升高,受掺氢比的影响相对较小.     

贫油预混燃烧室燃烧稳定性的数值研究

对工业燃气轮机所使用的典型贫油预混燃烧室内的不稳定燃烧特性进行了数值研究．应用非定常N—S方程，基于重整化群的RNG k-ε紊流模型及甲烷与空气的单步反应模型，数值模拟了某典型燃烧装置内2种条件下（空气入口速度分别为30和60m／s）的气流流动和压力振荡特性．在2种情况下分别可观察到稳定燃烧和不稳定燃烧，数值再现了由于当量比的扰动产生的不稳定振荡燃烧，所得结果同实验结果吻合很好．在模拟的2种情况下，燃烧可以是稳定的或非稳定的，取决于燃料喷注位置到火焰前沿的迟滞时间．通过改变燃料喷注位置，可使得振荡情况发生变化．所得结果为振荡燃烧的进一步分析和有效控制提供了研究基础．     

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.