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。     

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.     

不同电极结构下电场对甲烷/空气火焰的影响

基于电场促进燃烧的理论,为了进一步研究不同电极结构对燃烧的影响,利用定容燃烧弹来模拟发动机气缸内的燃烧,在常温常压不同当量比(0.8、1.0和1.2)下通过分别加载3种不同结构的电极对直流电场与甲烷/空气火焰的关系进行了研究。结果表明:3种电极结构下电场对火焰横向传播均有明显的促进作用,且网状电极下火焰横向传播的促进效果最明显,然后依次是柱状电极和点电极;3种电极结构下燃烧压力一开始均得到不同程度的提高,而网状电极下电场对燃烧压力的影响最为明显。综上所述:3种电极结构中,网状电极下电场对火焰的促进作用最大,在今后的应用中较其他两种电极有更为明显的优势。     

微细通道中甲烷预混火焰传播的实验

对微细通道中甲烷/氧气(空气)预混火焰传播现象进行了实验研究。确定了火焰能够在细管中稳定传播的当量比极限,以及在不同甲烷百分比下火焰的传播速度。结果表明:在室温条件下,甲烷和氧气预混火焰可以在细管中稳定地停留在一点燃烧,并且可以很好地控制其移动;相反,对于甲烷和空气的预混气体,即便环境温度在1 100K以上,也不能在微细通道中得到稳定的火焰。在同一甲烷流量下存在着两个当量比极限。在这两个当量比之间,火焰可以进入细管传播。在较小气体流量下,当氧气过量时微细通道中甲烷和氧气预混火焰的传播速度与宏观尺度下火焰的传播速度基本相当,随着流量的增加火焰传播速度很明显地增加。     

电场与燃烧耦合研究进展

 为了提高能源转换效率、降低燃烧副产物的排放,利用电场增强燃烧、控制燃烧火焰特性已逐渐引起研究人员的注意.本文从竖向、横向(即径向)和单电极式等不同的电场形式对燃烧场的影响展开论述.不同的电场形式下,通过改变电场参数,对电场中不同燃料的燃烧火焰特性变化规律进行研究,以此考查电场与燃烧耦合时的特性.研究表明,利用竖向电场力来平衡浮力可以粗略模拟微重力下燃烧时的扩散火焰,燃烧速率受电场强度影响,4kV时最小;利用横向电场可以改变火焰形状(如高度降低)及颜色,也可以助燃低热值燃料,实现可靠点火和稳定燃烧;对于单极式电场,观察到3种不同类型的振荡火焰.然后,对利用电场降低燃烧副产物的可行性进行了阐述.最后指出,迄今未见对不同电场形式与燃烧火焰特性的系统研究,缺乏相应的基础数据、电场参与下的燃烧反应动力学模型以及完备的燃烧场耦合机制分析.     

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。     

直流电场对甲烷/空气预混火焰影响的机理研究

为明确直流电场对燃烧的作用机理,在常温、初始压力100kPa下,向定容燃烧弹内的网状电极加载3种电场,分别为两侧同为负直流电场、同为正直流电场以及左侧为负直流电场右侧为正直流电场,研究3种电场加载方式下的直流电场对甲烷/空气预混火焰燃烧特性的影响。结果表明:在3种电场加载方式下,火焰形变、平均火焰传播速度、压力峰值随着电压的增大均增大;当电压幅值相同时,两侧同为负电场对火焰促进效果最强,其次为左侧为负电场右侧为正电场,两侧同为正电场对火焰促进效果最弱。由模拟计算可知:电体积力随着电压的增大而增大,两电极同为负电场与正电场时,平均火焰传播速度增大率和电体积力之间的相关系数分别为0.996、0.997,压力峰值增大率和电体积力之间的相关系数分别为0.989、0.971,说明电体积力与电场对火焰的促进作用密切相关;当电压幅值为10kV时,两电极同为负电场与正电场的离子风发展程度分别为0.153、0.019,说明正是由于离子风发展程度的不同导致了正负电场对燃烧促进作用不同。     

多参数耦合作用对仲丁醇层流燃烧速度的影响

利用纹影法和球形火焰扩散法,在不同环境温度、压力和当量比下研究仲丁醇-空气层流燃烧特性.重点分析环境参数与当量比的耦合作用对仲丁醇层流燃烧的无拉伸火焰传播速度、无拉伸层流燃烧速度的变化值、变化率、变化率之比的影响.结果表明:在环境压力和当量比的耦合作用下,压力越大,无拉伸火焰传播速度变化越小;无拉伸火焰传播速度变化率比值随着当量比的增加而增加,直到当量比为1.10左右时,开始呈现下降趋势;当量比小于1.05时,低压环境对层流燃烧影响更大;在环境温度和当量比的耦合作用下,当量比为0.75~1.15时,无拉伸火焰传播速度变化受较高环境温度影响更大;在当量比小于0.85和大于1.45时,当量比对无拉伸层流燃烧速度影响较大.     

电场分布对球形传播火焰变形率的影响

针对电场作用下球形传播火焰的变形问题,利用Maxwell 14.0软件分别对点状、环状、直径为20mm和60mm的网状等4种电极产生的电场进行了模拟,同时在常温、常压下,定容燃烧弹中过量空气系数为1.2时,通过对这4种结构的电极施加负电压(-5kV和-10kV)对甲烷/空气预混火焰在不同方向(与水平方向夹角为0°、15°、30°、45°、60°和70°)上的火焰变形率进行了研究。结果显示:施加负电压时,环状电极下的火焰在不同方向上的平均变形率最小,点状电极的次之,直径为20mm网状电极比点状电极的稍大;直径为60mm网状电极下施加-5kV电压时,火焰在不同方向上的平均变形率与点状电极的差别不大,施加-10kV电压时,火焰在大于45°方向上的平均火焰变形率最大。由此表明,环状电极的电场分布有利于火焰的均匀发展,可以降低火焰淬熄的可能性。     

绝缘紧凑型电破乳器中液滴聚结特性研究

为了提高油包水乳状液在电脱水过程中的破乳效率，从静电聚结机理出发，推导出电极间距与电场强度的关系式；通过分析液滴在极板间距狭小的矩形聚结管道中的受力状况，同时考虑绝缘层以及层流流态对电场中液滴聚结作用的影响，设计出一种绝缘紧凑型电破乳器。改变所加电压和流量以调节破乳器中的电场强度和乳状液停留时间，利用激光粒度仪测量乳化物中水滴的体积平均直径。结果表明，缩小电极间距能产生高强电场；包覆绝缘层的电极板在小间距下能有效破乳并防止击穿，且电场强度越大停留时间越长，聚结效果越显著。该装置可提高油包水乳状液的聚结效率并节省大量空间。     

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.     

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%。     

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。     

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.     

全氧燃烧对喷火焰空间气流场和温度场的数值模拟

选用 k-ε 湍流模型、涡-耗散化学反应模型与 DO 辐射传热模型,以甲烷为燃烧气体,在全氧燃烧条件下,改变助燃气体氧气体积分数,模拟对喷火焰空间的气流场和温度场分布。研究表明：在对喷火焰空间中,气流发生对撞,形成温度较高的环流区域;随着氧气体积分数增大,甲烷喷入火焰空间的速度方向趋于发散,火焰温度增高,甲烷燃烧空间减小,火焰变得细长,高温区与玻璃液面的距离变大;抬高碹顶、错排喷枪、降低喷枪与玻璃液面距离和调节喷入燃料量可以改进对喷火焰空间温度场分布。     

火焰拉伸率对层流燃烧速度的影响

将层流火焰消耗速度的概念与反应进程变量(progress variable)的定义相结合,给出了积分层流燃烧速度的广义定义.在准一维稳态系统中,分析了积分层流燃烧速度与未燃气体位移速度和已燃气体位移速度之间的关系.对甲烷空气和丙烷空气拉伸层流预混火焰在常温常压下进行了数值计算,研究不同当量比时,火焰拉伸率对层流燃烧速度的影响.通过火焰前锋放热率的积分层流燃烧速度和燃料消耗率的积分层流燃烧速度进行比较,结果表明,低拉伸火焰的马克斯坦数(Markstein number)与渐进分析一致,也与球形火焰获得的实验数据吻合.     

Jet-A表征燃料/乙醇掺混燃料层流燃烧特性研究

为了研究初始温度470 K、初始压力0.1 MPa下乙醇掺混对航空煤油层流火焰燃烧特性的影响，文中利用定容燃烧弹设备结合仿真进行对比分析。结果表明，乙醇的加入显著提升了航空煤油的层流火焰燃烧速度，但仿真结果与试验数据之间存在较大的偏差，在低当量比时尤为严重，需进一步优化机理。在此基础上通过敏感性分析，发现对层流火焰燃烧速度影响较大的4个基元反应，通过对4个基元反应的参数进行调整，修改得到新模型，该模型与试验值存在较好的吻合度。     

正直流电场对球形火焰影响的机理分析

为了确定正直流电场影响燃烧的机理,选取了初始压力为303.975kPa,过量空气系数为1.2、1.4、1.6的预混稀燃气,通过对容弹内网状电极分别加载幅值为5kV的正/负直流电压以及幅值为5kV、频率为15kHz的高频交流电压,对比分析了直流正电场与另外两种电场下预混球形火焰传播特性的异同。结果显示:不论火焰形变、火焰传播中速度的变化还是平均传播速度增大率随过量空气系数的变化,其在正直流电场下的规律都与负直流电场下相近而与高频交流电场下相差甚远;当过量空气系数从1.2增大至1.6时,正/负直流电场下火焰平均传播速度增大率从低于15%提高至约40%,而交流电场下该值始终约为11%。对比结果表明,正直流电场与负直流电场一样主要通过离子风效应影响火焰,但分析表明正电场下离子风的形成机理及促进效果与负电场下差异明显,这对不同条件下采用电场辅助燃烧时的电场种类选择有重要意义。     

当量比对二甲醚氧化分解过程的影响

为了研究当量比对二甲醚(DME)氧化分解过程的影响,利用同步辐射真空紫外光电离及分子束取样质谱技术,并结合CHEMKIN化学反应动力学模拟软件对不同燃料氧气当量比下的低压预混层流DME/O2/Ar火焰进行了实验和数值模拟研究。测量和计算了不同当量比DME火焰中主要物种及主要中间物种的摩尔分数空间分布曲线,分析了当量比对DME火焰结构及燃料的氧化分解路径的影响。结果表明:甲醛和甲基是DME燃烧过程中最主要的中间物种;火焰中DME主要通过脱氢反应消耗,使DME产生脱氢反应的原子和原子团主要有H、OH、CH3和O,当量比不同则各基团在DME脱氢反应中的影响也不相同;DME的脱氢产物甲氧基甲基极不稳定,在火焰中一经生成就马上被消耗,其主要通过裂解反应消耗,在氧气过量的情况下,一小部分甲氧基甲基会发生加氧反应而被暂存起来。     

直流电压下植被燃烧颗粒在火焰间隙中的运动分析

近年来山火引起输电线路跳闸事故频发.植被燃烧产生的荷电颗粒畸变电场、产生触发放电是引起间隙放电的关键因素.在正负极性直流电压下,荷电颗粒运动和分布的差异对击穿电压有较大影响.为此,建立简化模型进行温度、流体、电场和颗粒运动的多物理场耦合分析.首先根据典型植被火焰燃烧的放热率,仿真计算温度和流体速度.然后结合流体场和电场,仿真分析不同极性颗粒的受力过程.结果表明,在靠近火焰中部的颗粒受曳力和电场力作用更大,更容易被电极吸附或排斥;荷质比越大,颗粒其受电场力和曳力作用越大.最后分析了不同极性颗粒的运动和分布规律.