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.     

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.     

甲烷,丙烷和甲烷／丙烷混合燃料层流火焰传播速度的测定

实验对甲烷、丙烷和60％甲烷/40％丙烷(气体体积百分数)的火焰传播速度进行了测量。实验在室温和大气压下采用圆管法进行。结果表明,60％甲烷/40％丙烷的层流火焰传播速度在相当宽的当量比范围内,夹于甲烷和丙烷的层流火焰传播速度之间。对这个现象,文章用对火焰传播速度起决定作用的阿仑尼乌兹因子作了粗略的分析。实验还发现,在富燃料区,混合燃料的火焰传播速度将大于甲烷或丙烷的火焰传播速度。     

层流中粉尘的火焰传播速度

建立了筛落式粉尘火焰试验装置和火焰信的号光电测量系统。提出确定火焰前沿位置的“最大斜率切线法”和判定火焰传播稳定性的“相对入射能量法”。测定了硅钙粉和煤粉的火焰传播速度和火焰厚度。结果表明数据合理,测量装置和方法可用于速度范围很宽的粉尘火焰传播研究,用修正的田中达夫模型计算的硅钙粉层流火焰传播速度与实验值接近。     

超细水雾作用下CH4层流火焰传播速度数值研究

层流火焰传播速度(LFPS)是研究分析燃烧与爆炸的关键特征参数,层流火焰速度下降率也是评价各种稀释剂对燃烧抑制效果的常用方法。基于CHEMKIN 17.0中的一维层流预混火焰速度计算模型,定量分析了稀释、潜热冷却、化学抑制对CH4-AIR层流火焰传播速度的影响规律;并考虑了化学当量比变化的影响。研究表明稀释和潜热冷都是降低CH4层流火焰传播速度的主要因素。随着稀释剂浓度的增加,稀释作用对火焰传播速度的影响增大,潜热冷却作用对火焰传播速度的影响减小,化学抑制作用的影响基本不变化,范围在8.8%~10.2%。化学当量比小于1.2时,化学抑制作用会降低火焰传播速度,降低比例在8.1%~9.7%之间;当化学当量比大于1.3时,化学抑制不起作用,甚至促使火焰传播速度的增大。     

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。     

管道内运动火焰生成压力波及其特性的研究

从一维非定常守恒方程出发 ,本文用Richtmyer Lax Wendroff格式研究了压缩波、稀疏波、燃烧速率、火焰熄灭和管道长度对管内运动火焰生成压力波的影响 .结果表明 :相对于火焰面 ,同向压力波和异向稀疏波会加速火焰传播 ;异向压力波和同向稀疏波使火焰传播减速 ;增大燃烧速率使得和火焰面两侧的压力、温度增大 ;火焰熄灭时 ,火焰面变为接触间断面 ,同时产生稀疏波向火焰面两侧传播 .此后 ,接触间断面几乎处于滞止状态 ;增加管子长度会促使燃烧向爆轰转变 .     

甲烷、煤尘复合体系燃烧特性及火焰结构的实验研究

利用高速摄像机、超细热电偶、离子电流探针、光电二极管等对管道内甲烷、煤尘复合体系中传播火焰进行了实验研究，对火焰传播特征和火焰结构进行了分析．结果表明，甲烷、煤尘复合体系中初期的火焰主要由甲烷空气的气相火焰构成，随着传播过程的进行，煤粒逐步开始参与燃烧，形成甲烷、煤尘的复合火焰．复合火焰中，煤粒热解和燃烧过程持续时间较长，火焰区域在传播过程中不断被拉长，火焰在较大的区域存在．甲烷、煤尘复合火焰的预热区厚度大约为2.57cm，预热区的后面是化学反应区，在这个区域中，化学反应强度迅速上升，温度也随着迅速升高，同时发出较强的光．对甲烷、煤尘复合体系火焰传播过程进行研究，可以为防止煤矿井下瓦斯、煤尘爆炸提供理论基础和技术支持.     

管内层流火焰传播中的Lewis数影响

采用17组分、53基元反应的详细化学反应机理,通过数值模拟开口微细圆管中的层流传播火焰,分析Lewis数等于1的假定对计算结果的影响,尤其是对火焰传播速度和熄火的影响．结果表明,Lewis数等于1的假定,忽略了自由基的强扩散能力,导致火焰面附近自由基浓度增大、火焰面形状失真、火焰传播速度减小以及壁面熄火效应减弱等．因此,在采用多步化学反应机理的层流火焰模拟中,必须采用真实的Lewis数．     

当量比对乙炔/空气爆炸特性和火焰速度的影响

为了获取不同当量比乙炔/空气的爆炸特性和火焰速度,采用20 L球形爆炸装置与高速相机,在常温常压下对当量比为0.60～4.20的乙炔/空气进行爆炸实验,并结合Chemkin对爆炸过程进行计算,将实验结果与Chemkin模拟结果进行对比.根据火焰图像,计算光滑火焰阶段不同当量比下乙炔/空气火焰传播速度和层流燃烧速度.研究...     

障碍物形状对瓦斯爆炸火焰传播过程的影响

为研究障碍物形状对瓦斯爆炸火爆传播过程的影响,利用水平长直爆炸实验管道,研究了圆形、半圆形、十字圆、四孔圆、挡板和网状共6种形状障碍物对火焰传播速度和瓦斯爆炸超压的影响. 结果表明,瓦斯体积分数为8%时,在半圆形障碍物下火焰传播速度最快,火焰加速诱导的较强激波对未燃气体的作用起到了关键作用,其它形状障碍物条件下火焰传播速度较低;瓦斯体积分数为10%时,火焰整体传播速度较低,四孔圆和挡板形状的障碍物下火焰传播速度最小;激波越过障碍物后受到火焰的影响较小,在不同工况下爆炸超压呈现出相似的分布规律.      

初始压力与掺比对2-甲基呋喃汽油预混火焰发展的影响

以定容燃烧弹为试验平台,探究了初始压力和掺比对2-甲基呋喃汽油混合燃料火焰传播的影响.结合高速纹影成像,得到了各工况下的层流火焰传播照片,分析火焰发展形态,得到拉伸火焰传播速度及不稳定临界火焰半径等参数,再根据马克斯坦长度理论,求解了无拉伸火焰传播速度,并分析了火焰传播速度与火焰拉伸率的关系.研究结果表明,随着初始环境压力的升高,层流火焰传播速度减小,不稳定临界火焰半径减小,火焰不稳定性增大.随着2-甲基呋喃在混合燃料中体积分数的增加,层流火焰传播速度增大,不稳定临界火焰半径减小,火焰不稳定性增大.     

汽油掺水—空气层流火焰传播速度实验研究

实验采用圆管法在1个大气压和483K 条件下,对汽油掺水和空气混气的层流火焰传播速度进行了测量。为了确保测量的可靠性,首先测定了在不同温度下异辛烷及汽油和空气混气的层流火焰传播速度,并将结果和已有的本生灯法和密闭组法的结构作了比较,证明本实验所采用的圆管法和相应的处理方法是正确可靠的.     

结构异常管路对瓦斯爆炸传播特性的影响

在实验研究的基础上,分析了结构异常管路对瓦斯爆炸传播特性的重要影响。研究结果表明,在拐弯处的瓦斯爆炸传播过程是一个压力波、火焰、复杂流动场相互作用的过程,压力波超压、火焰传播速度迅速增大,对拐弯处的壁面破坏特别严重。弯管角度对瓦斯爆炸传播特性有很大的影响,瓦斯爆炸通过不同角度的弯管后,火焰传播速度和压力波超压值都有不同程度的变化。管道拐弯既增加了燃烧区的湍流度而加速燃烧产生能量以推动加速传播,同时也因为拐弯而增大了总阻力和热量向壁面的传递,弯角处膨胀波也会抑制瓦斯爆炸的传播。管道拐弯对瓦斯爆炸传播特性的影响取决于抑制因素和激励因素的综合作用。     

管道内障碍物扰动对煤气爆炸特性影响的数值模拟

结合实验研究,采用迎风型WENO格式和两阶段化学反应模型就管道内障碍物对煤气/空气预混气体爆炸火焰的影响规律进行了数值研究,探讨了自管道右端面反射产生的压缩波与火焰传播的相互作用规律,得出了该反射波是造成火焰速度下降的原因.在此基础上,分析了障碍物对火焰的作用机理以及由此诱发的流场变化规律.结果表明,由于障碍物的加入,爆燃波发生多次反射,使得可燃混合气体得到充分压缩,温度和压力增加,化学反应速率提高,火焰强度得到加强.同时,从障碍物中传播出去的爆燃波经壁面反射后形成三波点,使得该处火焰速度升高,随着三波点的向前传播,由于能量的耗散,火焰速度逐渐下降.这些结论为爆炸场预估、防火防爆和爆轰推进中有效控制可燃气体的燃烧速率和火焰传播速度提供了重要的理论依据.     

瓦斯体积分数对火焰传播规律影响的实验研究

为研究长直管道中体积分数对瓦斯爆炸的影响以及瓦斯爆炸火焰的传播特征,进行了有无障碍物条件下不同体积分数的瓦斯爆炸实验,用高速摄影仪拍摄火焰阵面发展的过程. 实验结果表明,火焰在密闭管道中传播经历了多次振荡的过程,这是火焰前方未燃气体在压缩波的作用下形成湍流所致;瓦斯的体积分数对最大火焰速度和火焰最大传播距离有很大的影响;得出了障碍物对火焰的传播有加速作用,接近当量体积分数的瓦斯爆炸火焰传播速度最快,在一定条件下会发生爆燃转爆轰.      

瓦斯爆炸火焰与压力波伴生关系的数值研究

从三维非定常守恒方程出发,采用58步化学反应模型,对瓦斯爆炸过程中火焰与压力波的伴生关系进行了数值模拟.在此基础上,模拟了氢氧燃烧驱动的破膜过程以及破膜前后压缩波、稀疏波对火焰阵面的影响;同时也详细研究了瓦斯爆炸过程中,压力波、火焰与障碍物的相互作用;通过实验和模拟验证了数学模型和所编程序的可靠性.     

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.      

影响木材火焰传播速度特征量的实验研究

木材着火时火焰的传播规律将为木材在火灾场景中的行为提供重要参考,分析了木材燃烧的机理和影响木材燃烧时火焰传播速度的特征量,借助于实验的方法,研究了空间方位角和几何尺寸等特征量对火焰传播速度的影响.结果表明,方位角越小,不同尺寸木条火焰传播速度差别越大;火焰传播速度随方位角的增大而增大;木条宽度越大,火焰传播速度越慢.     

CO2/N2稀释对H2/CH4层流火焰传播特性的影响

利用本生灯-纹影系统实验研究含有CO₂，N₂的掺氢天然气层流预混火焰传播速度，并应用GRI-3.0机理模拟计算不同组分预混燃气绝热火焰温度、敏感性系数及重要自由基浓度等，详细讨论CO₂，N₂的稀释效应.研究表明，GRI-3.0机理能较好地预测掺氢天然气层流预混火焰传播速度；CO₂，N₂稀释组分会显著抑制掺氢天然气层流预混火焰速度及其绝热火焰温度；与N₂相比，CO₂不仅具有较强的热力学效应，且随着CO₂稀释比的增加，火焰中重要自由基H浓度显著减少，抑制氧化反应H+O₂O+OH对燃烧的主导促进效应，使预混燃料的层流火焰传播速度显著降低.