气流入口条件对低旋流燃烧火焰稳定性的影响

为了研究低旋流燃烧器在喷嘴出口气流平均速度为10.12~19.12m/s、入口温度为300~500K、入口压力为101.325~8×101.325kPa条件下的火焰稳定性,对当量比为0.7的甲烷空气预混气体进行了数值模拟,分析了低旋流燃烧器的流场结构及火焰特性,揭示了燃烧稳定的根本原因。结果表明:低旋流燃烧器流场结构受气流入口条件的影响较小,且能够保持自相似特性;轴向和径向速度延伸率以及虚拟原点的位置基本不受气流入口条件的影响;低旋流燃烧器流场随喷嘴出口气流平均速度、入口压力的增加,回火的可能性减小,随入口温度的提高,回火的可能性增大。综合而言,低旋流燃烧器能够在较宽气流入口条件下保持火焰锋面稳定,有利于燃烧器的稳定工作。     

低旋流多喷嘴燃烧器性能实验

对燃气轮机低旋流多喷嘴燃烧器的性能进行了实验,分析了当量比和喷嘴出口气流速度对燃烧室压力脉动、排温和排放的影响.结果表明,低旋流多喷嘴燃烧器运行时存在稳定燃烧区、不稳定燃烧区和回火区.随着当量比的减小多喷嘴燃烧趋于不稳定,压力脉动幅值增加,主频降低.随着喷嘴出口气流速度的增加,燃烧趋于稳定,压力脉动幅值减小,主频增加.喷嘴出口气流速度大于12m/s时,多喷嘴燃烧器不存在不稳定燃烧工况.低旋流多喷嘴燃烧器NOx排放与绝热火焰温度呈对数线性相关,且NOx排放随火焰温度的变化比单喷嘴小.     

合成气预混层流火焰结构的实验和数值研究

利用OH-PLIF方法获得了当量比分别为0.6、0.8、1.0、1.2,CO2或N2稀释比分别为3%、5%时,合成气/空气/稀释气本生灯预混层流火焰中OH基的分布,结合STAR-CD模拟计算所得火焰中的流场和组分分布进一步分析了火焰结构。研究结果表明:随着混合气当量比的增加,OH基高浓度分布区域由火焰前锋面附近转移到火焰边缘;混合气较稀时,火焰前锋面附近OH基浓度最高且沿已燃区方向逐步递减,火焰顶端处OH基浓度减小,模拟计算结果显示火焰顶端并未发生燃料泄漏;化学当量比下,火焰前锋面附近和火焰边缘区域OH基浓度较高,火焰前锋面附近出现了预混燃烧区和扩散燃烧区,该区域中OH基呈现"W"型分布;受N2和CO2稀释的影响,混合气层流燃烧速度降低,火焰前锋面拉长,CO2对火焰结构的影响比N2更显著;火焰前锋面附近OH基浓度减小,扩散燃烧区OH基浓度增大,说明火焰的预混燃烧有所减弱,扩散燃烧有所加强。     

甲烷/空气燃烧NOx排放数值模型对比

为明确不同NO_x数值模型对甲烷/空气燃烧NO_x生成特性的适用性和差异性，以射流扩散火焰、旋流预混火焰、燃气轮机燃烧室为研究对象，分析了NO_x后处理模型法、解耦详细反应机理法和附加NO_x输运方程法对甲烷/空气燃烧NO_x生成特性模拟的适用性和差异性。结果表明：火焰后方N₂O的生成量较少，NO₂的生成量极少，NO含量占总NO_x的95.00%以上；NO_x后处理模型法可准确模拟火焰附近的NO_x生成位置和火焰后方的NO_x生成速率，但该模型低估了火焰位置的NO_x生成量和生成速率，并且不能再现火焰锋面附近N₂O浓度先升高后下降的变化规律；附加NO_x输运方程法对火焰锋面处的NO_x生成位置、生成量和生成速率的计算精度最高，但该模型低估了火焰锋面后方的NO_x生成...     

低旋流燃烧和流动特性数值模拟研究

为研究低旋流燃烧(LSC)技术背离传统旋流燃烧机理的燃烧方式,以及其所具有的燃烧效率高、稳定性强、火焰区域温度低和NOx排放量极低等特点,采用数值模拟方法,对LSC燃烧和流动特性以及受喷射器多孔板阻塞比的影响进行初步研究.结果表明:LSC喷射器能够形成典型扩散湍流流动和"扫帚形"低温火焰结构;多孔板阻塞比对LSC喷射器扩散湍流流动分布、中心线上轴向气流速度和湍流强度有很大影响.     

来流预混均匀性对湍流射流火焰回火特性的影响

微混燃烧器的可燃气体预混发生在距燃烧器喷嘴出口较近的地方,可燃气在喷嘴出口可能存在一定的不均匀性,对回火的影响值得关注。使用高速摄像和纹影法实验观测了4种燃料预混方式对氢气(H₂)、一氧化碳(CO)和空气湍流射流火焰回火特性的影响,并使用粒子图像测速(particle image velocimetry, PIV)技术测量了回火条件下的出口流场,结果表明在不同预混方式下,湍流射流火焰的回火都属于边界层回火,混合均匀性不影响湍流射流火焰回火机理。高速摄像结果显示,回火前接近化学当量状态下,预混火焰周围呈蓝色且存在扩散火焰层,而混合程度最劣条件下的一侧扩散火焰呈明显的橘红色,加之回火开始于同侧,表明该侧氢气浓度较高;随着混合均匀性改善,橘红色扩散火焰逐渐消失,发生回火的起始位置呈随机性。通过纹影图像能较清晰地分辨回火发生的时刻和位置,观测的回火过程用时与高速摄像结果一致。不同来流预混方式的回火速度范围存在一定差异,来流混合程度差更容易发生回火。结合PIV测量结果分析表明：来流预混形式对喷口附近气流速度场影响不大,其对回火的影响主要体现在浓度分布的变化,主要因素是壁面附...     

多孔式喷嘴加湿旋流扩散燃烧流场的实验研究

利用激光粒子图像速度场测量技术对环型多孔式喷嘴的加湿与不加湿旋流扩散燃烧流场进行了实验研究,分析了湿度对旋流扩散燃烧流场的影响.结果表明,随着燃烧流场湿度增大,火焰明显变暗,火焰宽度和高度增大,回流区漩涡与燃烧器出口和喷嘴轴线间的距离减小,轴线上最大回流速度降低,轴线最大回流速度点与喷嘴的距离增加,逆流区宽度和喷嘴旋转射流扩展角减小,流场轴向出口的不均匀系数增大.     

高频交流电场对预混稀燃火焰影响的机理分析

为了明确高频交流电场对火焰燃烧的影响机理,分别选取了初始压力为0.1、0.3、0.5 MPa的CH_4/空气和初始压力为0.1MPa的CH_4/O_2/Ar预混稀燃气,通过在定容燃烧弹内的网状电极上加载幅值为5kV、频率为15kHz的高频交流电场,对比分析了在高频交流电场下两种预混气火焰传播特性的异同,以及不同初始压力下CH_4/空气火焰传播特性的异同。结果表明:加载高频交流电场后,随着初始压力的增大,电场对CH_4/空气火焰面发展的影响程度逐渐减小,平均火焰传播速度增大率逐渐减小;随着过量空气系数的增大,加载电场后对CH_4/空气火焰的拉伸作用逐渐减小,对CH_4/O_2/Ar火焰的拉伸作用逐渐增大,CH_4/空气的平均火焰传播速度增大率逐渐减小,CH_4/O_2/Ar的平均火焰传播速度增大率逐渐增大,电场对两种混合气火焰传播的影响趋向相同。这说明在CH_4/空气预混稀燃气中,高频交流电场影响火焰燃烧的电化学效应中电子与燃烧产物分子的振动碰撞及其后续的链式反应占据主导。在不同初始压力下,平均火焰传播速度增大率随着简化场的增大呈线性增大,说明利用简化场来衡量高频交流电场电化学效应的强弱是可行的。     

壁面冷却空气对贫油吹熄特性影响的激光诊断研究

针对燃烧室中冷却壁面的冷却气膜会影响燃烧室内的流场、改变回流区结构,从而影响贫油吹熄特性这一问题,在一带有气膜冷却的旋流燃烧室上开展了不同壁面空气占比下的贫油吹熄极限测量。结果表明：壁面冷却空气占比达到0.2时,不同燃油流量下,以全局空气流量计算,燃烧室吹熄当量比降低的范围在0.09～0.1之间;以主流空气计算,吹熄当量比降低范围在0.01～0.028之间。为了更加深入研究这一规律的原因,开展了平面激光诱导荧光(PLIF)激光诊断测量,可知引入壁面冷却空气后,OH基更集中分布在靠近燃烧室底部的火焰根部。在稳定火焰工况中,与近吹熄火焰相比,在燃烧室底部附近的火焰中央有大量OH基分布,这将有助于火焰的稳定,并拓宽贫油吹熄极限。米氏散射实验结果表明,引入壁面冷却空气后可使燃油液滴更集中分布在燃烧室底部附近,这将导致根部火焰局部当量比提高,易于形成稳定的火焰。结合所得实验结果,在所使用的旋流模型燃烧室内,加入占比为0.2的壁面冷却空气,可以拓宽燃烧室的贫油吹熄极限,有助于火焰的稳定。研究结果有望对带有冷却气膜的燃烧室的燃烧稳定性调控问题提供一定的理论指导。     

低NOx旋流燃烧器燃烧特性数值模拟

为分析DBC-OPCC型低NO_x旋流燃烧器的燃烧性能与NO_x释放特性,通过数值模拟的方法研究燃烧室内燃料粒子的射流轨迹、温度分布、速度分布及各组分分布之间的规律。结果表明:温度分布表现为中央高两边低,氧量分布与温度分布规律相反,一次风喷口处温度分布、氧量分布与回流区的形状、大小以及煤粉颗粒密度密切相关。出口流域CO_2整体上沿中轴线呈对称分布,即中央高两边低,其变化趋势与氧量分布规律相反,与温度分布规律相近。喷口处CO含量极高,浓厚的还原性氛围对削减NO_x排放具有积极作用,在一次风喷口处煤粉形成外浓内淡的分布形态以及"三高一低"区,强化加热、析出挥发分、着火以及高温火焰内的NO_x还原,降低NO_x排放,提升稳燃能力。气流呈风包粉结构,可防范水冷壁结焦与高温腐蚀现象。