小尺度通道多孔介质表面火焰边界的实验研究

为了更好地在小尺度燃烧室中组织燃烧,对小尺度环形通道内多孔介质表面甲烷与空气预混火焰开展了流量和雷诺数边界特性实验研究。多孔介质采用了烧结金属粉末材料,燃烧在石英玻璃管和不锈钢管以及多孔介质组成的小尺度环形通道中进行。研究结果表明:随着预混气流量的增加,环形通道内的火焰形态由多孔介质表面火焰向推举火焰衍变,与推举火焰相比,多孔介质表面火焰更适合于在微小型燃烧室内组织燃烧。稳态预混气温度随流量的增加先上升后下降,其流量范围与两个火焰形态的基本重合,可以将温度的转折点作为表面火焰边界的定量判据。对于多孔介质表面火焰流量边界而言,当量比小于1.0时,甲烷预混气的表面火焰流量边界随着当量比的增大逐渐变宽;当量比大于1.0时,随着当量比的增大,多孔介质表面火焰流量边界变窄。对于多孔介质表面火焰雷诺数边界而言,随着当量比的增大,雷诺数边界逐渐变宽。     

多孔介质表面预混火焰熄火特性实验

对微型燃烧室中多孔介质表面预混火焰开展了不同孔径、孔隙率的多孔介质出口流场特性和熄火特性实验研究.研究结果表明:相对于圆管流,多孔介质出口流场边界层变薄,主流区宽度增加约50%,速度波动最大可达到前者的2.2倍.多孔介质孔径相同时,随孔隙率减小,或孔隙率相同时,随孔径减小,主流区的速度波动幅值均减小,在小孔径下更为明显,最大速度波动幅值从2.435m/s减小至1.099m/s.多孔介质表面预混火焰的熄火特性受出口流场和火焰形态的影响很大,孔隙率减小或孔径减小都会使相同当量比下熄火速度增加,多孔介质参数的影响最大可使熄火速度增加近1倍.      

多孔介质结构参数对表面火焰熄火特性的影响

为优化基于多孔介质头部的微型燃烧室,以甲烷/空气预混气为燃料,针对多孔介质结构参数(当量孔径、孔隙率)在不同预混气初始温度下,对表面火焰熄火特性进行实验研究.研究表明:当量孔径为120μm的多孔介质表面火焰两侧同时发生脱火,当量孔径为80μm时先发生一侧脱火.随孔隙率或当量孔径的减小,熄火速度提升.当量孔径为80μm,孔隙率为0.55,0.50,0.45的多孔介质在当量比为1.0,预混气初始温度为300K时的熄火速度分别为1.11,1.22,1.31m/s.孔隙率为0.50,孔径为120,80μm的多孔介质在当量比为1.0,预混气温度为300K时的熄火速度分别为0.73,1.22m/s.预混气初始温度的升高对当量孔径为120μm或孔隙率为0.45的多孔介质影响更加明显,预混气初始温度从300K升至500K时,熄火速度分别增加了120%,76%.     

限制域、预混气初始温度对多孔介质表面火焰熄火特性的影响

为了对基于多孔介质表面火焰的微型燃烧室技术进行优化设计,以甲烷/空气预混气为研究对象,针对不同的限制域、预混气初始温度,开展了多孔介质表面火焰熄火特性实验研究.实验结果表明:在石英玻璃限制域下,多孔介质表面火焰可以维持在0.188~0.436m/s的低预混气速度下,速度升高容易发生推举和吹熄;而限制域的长度未产生影响作用;随着预混气初始温度从293K升高至550K,多孔介质表面火焰的熄火速度极限得以提高.当量比为1.0时,预混气熄火速度从293K的1.176m/s增加至550K的2.678m/s,并存在不同斜率的上升过程,而初始温度对熄火本质没有影响.     

一种蒸发式凹腔驻涡值班稳定器的流动与点火性能研究

为进一步拓宽凹腔驻涡值班稳定器在低温、高速来流条件下的点熄火边界,提出了一种利用高温燃气预热、预混供油的蒸发式凹腔驻涡值班稳定器。研究了蒸发式凹腔驻涡值班稳定器的流动特性、燃油分布特性及点火性能。研究结果表明：蒸发式凹腔驻涡值班稳定器的掺混腔和凹腔内部形成的涡系结构为低温、高速来流下的点火和燃烧提供了有利条件。凹腔驻涡区的气相油雾沿流向分布均匀,沿周向从稳定器对称子午面最富递减到相邻稳定器中间面最贫。在相同来流温度下,蒸发式凹腔驻涡值班稳定器的贫油点火和熄火当量比均随着来流速度的增大而增大。在低温（600K）、高速（100～200m/s）来流条件下,相比于蒸发式Z形值班火焰稳定器和常规薄膜蒸发式火焰稳定器,蒸发式凹腔驻涡值班稳定器贫油点火当量比能分别降低5.5%和30%;其贫油熄火当量比能分别降低37.4%和48.8%。     

多孔介质传热模型在多孔壁湍流中的适用性

为了考查不同的多孔介质传热模型在不同工况下的适用性,对带有高孔隙率多孔介质壁面槽道湍流及其传热进行了直接数值模拟研究。在多孔介质层外流体区域,通过有限差分方法求解不可压缩Navier-Stokes方程和温度对流扩散方程;在多孔介质层内,使用修正的Darcy-Brinkman-Forchheimer模型描述高孔隙率多孔介质阻力,以及分别采用局部热平衡（local thermal equilibrium, LTE）模型、局部非热平衡（local thermal non-equilibrium, LTNE）模型、理想金属（ideal metal foams, IMF）模型计算温度分布。通过对所得热场的统计特性的分析比较,探究了不同Biot数下水和空气两类流体介质的多孔介质传热模型的有效性。研究表明：LTE模型不足以准确预测金属泡沫多孔介质内传热问题,其等效导热系数因仅考虑孔隙率因素而低估了多孔介质层的传热能力;IMF模型在小比热容流体介质的算例中表现良好,可以代替LTNE描述多孔介质层内的传热,而在大比热容流体介质的算例中表现不佳,需要考虑比热容以及流固两相间的传热能力对预估的固体相温度分布...     

异辛烷预混层流火焰结构的数值研究

为解决化石燃料燃烧带来的问题,需要对燃料的基础燃烧特性进行深入研究。为此通过数值计算研究了初始压强50~101k Pa,初始温度298~353K,当量比0.6~1.5异辛烷的预混层流火焰结构特性,分析了初始压强、初始温度、当量比对火焰厚度、反应区厚度、厚度比的影响。数值计算结果表明:火焰厚度、反应区厚度、厚度比会随着初始压强和初始温度的升高而减小,随当量比的增加先减小后增大;火焰厚度、反应区厚度、厚度比分别在当量比1.1,0.9,1.3时获得最小值;层流燃烧速度与H+OH的最大浓度有密切关系,都随初始温度的增加而增加,随初始压强的增加而减小。通过敏感性分析,发现H主要通过R3,R24,R97,R162,R163,R179生成,通过R1,R12,R14消耗;OH主要通过R1与R14生成,通过R3,R12,R16,R29,R95,R97消耗。     

当量比对分层旋流火焰燃烧不稳定性的影响

针对分层旋流燃烧室,实验测量了不同分级比和油气比下的动态压力。结果显示:在总燃烧当量比0.47~0.68,主燃级当量比0.48~0.65范围内,燃烧室内的压力脉动幅值随当量比增大而增大。基于层流火焰模型和局部火焰吹熄假设,公式推导了吹熄前后火焰厚度、火焰长度、层流火焰传播速度、气流速度间的关系,得出燃烧不稳定下的压力脉动幅值ps′与层流火焰传播速度SL0成正比,结合贫油状态下SL0随当量比增大而增大这一事实,得出ps′随当量比增大而增大,从而解释了实验结果。     

耐烧蚀材料结构重构及其内部流动与传热研究

为了研究耐烧蚀材料内部的输运现象,论文使用多点统计方法中的Snesim重构了三种2D多孔介质,并使用格子Boltzmann方法(LBM)模拟了不可压条件下2D多孔介质内的流动与传热现象。模拟结果表明:Snesim方法能够获得耐烧蚀材料的孔隙结构,且资源消耗少;多孔介质内的流动与传热现象与多孔介质结构相关,简单多孔介质中,速度和温度的分布相对比较均匀,复杂多孔介质中,不均匀的流动对温度分布有显著影响。      

预混旋流多喷嘴火焰激光可视化实验研究

为了研究预混旋流多喷嘴火焰结构及当量比对多喷嘴火焰结构的影响,针对当量比0.51～0.8的甲烷/空气预混旋流多喷嘴火焰开展了平面激光诱导荧光测量研究。通过实验,获得了不同当量比下预混旋流多喷嘴火焰时均火焰形态和瞬态火焰结构分布特点。实验结果表明,相邻火焰相互冲刷,在相互作用区内强化了燃烧化学反应。相邻火焰之间的相互作用随着当量比的减小逐渐减弱,当量比小于0.53时,中心火焰熄灭,相邻火焰相互作用消失。多喷嘴外侧火焰推举高度小于中心火焰,稳定范围比中心火焰宽。当量比大于0.6时火焰推举高度随当量比的变化不明显,当量比小于0.6后火焰推举高度随着当量比的减小显著增加。随着当量比的降低,湍流脉动对火焰的褶皱扭曲作用逐渐增强,湍流火焰传播速度与层流火焰传播速度之比逐渐增大。     

复合材料在长时间加热条件下的隔热机理

结合长时间非烧蚀热防护的技术需求,在固定壁面温度的条件下,对多孔材料传导-辐射耦合传热过程进行了模拟。结果表明:材料的隔热性能与材料的使用环境及内部结构密切相关,减小内部孔隙的特征尺寸,增加材料的密度和固体材料的比率有利于降低隔热材料的等效热导率,并延长材料达到热平衡的时间;同时达到平衡时,材料的背面温升与背面散热条件密切相关。     

Experiment on microscale flames stabilized on surface of annular porous media

The characteristics of the surface stabilized flame on a porous medium in an annular microscale channel were studied experimentally with methane/air mixture. In the pressure drop characteristic study, three porous media with the same pore diameter and different porosities were used and compared. The substitution of the air for the mixture was verified accurately at first. Then the relationship expression of the air pressure drop characteristic was acquired for each porous medium according to the Forcheimer correlation. The third porous medium was selected for the following research, as it had the expression closer to the Darcys law. As for the ignition characteristic study of the surface stabilized flame, a reasonable criterion was established for the flammability limit determination. Based on the criterion, the result showed that the limit reached the minimum value when the mixture equivalence ratio was 0.9. During the extinction characteristic study, through the well designed operating procedure, the experiment was conducted to obtain the strict extinction limit of the surface stabilized flame. It was indicated that the extinction limit at mixture equivalence ratio of 08 was the least.      

基于火焰面波动机理的热释放模型理论推导及其模态分析

针对一个中心体稳定的燃烧室通过G方程的方法推导建立了火焰面波动与声波速度波动之间的耦合关系,并进而得到了燃烧热释放模型的数学函数.推导过程中考虑了燃烧膨胀效应对火焰面运动的影响,弥补了前人研究中忽略了燃烧膨胀效应的不足.该函数表明在几何结构和燃料成分等参数保持不变的情况下,湍流燃烧速度是影响热声振荡的关键参数,能够同时强烈的影响燃烧热释放模型的振幅和相位,当量比和入口空气温度等参数是通过改变湍流燃烧速度最终影响了热声振荡现象;而只有当燃烧火焰传播速度相对较大时,密度膨胀比才会对热释放幅值产生影响,并且会对热释放的相位产生影响,从而指出了各参数影响热声振荡的具体途径和相对大小.通过将推导的燃烧热释放波动模型与模态分析方法相结合,系统连续地分析了压力振幅增长率、固有频率和声压模态等重要的热声振荡特性参数随着当量比和入口空气温度的变化关系,从而得到了热声振荡稳定区间和非稳定的区间的云图.对理解和控制热声振荡现象具有重要的实际指导意义.      

不同当量比下氢气体积分数对甲烷-氢混合气预混火焰燃烧不稳定性的影响

在可调振幅的正弦波声场作用下,以甲烷-氢混合气预混钝体火焰为实验对象,通过火焰传递函数表征整个燃烧系统的燃烧不稳定性特征,借助CH基自发荧光图像描述火焰锋面运动及演化过程,研究了在声激励下不同当量比（0.8、1.0、1.2）下氢气体积分数的变化（0、10%、20%）对火焰燃烧不稳定的影响。结果表明: 对于当量比为0.8和1.0的预混火焰,氢气的加入使得火焰传递函数幅值增大,热释放波动变大,整体火焰的不稳定性增强;对于当量比为1.2的富燃预混火焰,随着氢气体积分数的增加,火焰传递函数幅值先减小后增加,火焰稳定性较强。      

Combustion instability of pilot flame in a pilot bluff body stabilized combustor

Combustion instability of pilot flame has been investigated in a model pilot bluff body stabilized combustor by running the pilot flame only. The primary objectives are to investigate the pilot flame dynamics and to provide bases for the study of the interaction mechanisms between the pilot flame and the main flame. Dynamic pressures are measured by dynamic pressure transducers. A high speed camera with CH*bandpass filter is used to capture the pilot flame dynamics. The proper orthogonal decomposition(POD) is used to further analyze the high speed images. With the increase of the pilot fuel mass flow rate, the pilot flame changes from stable to unstable state gradually. The combustion instability frequency is 136 Hz when the pilot flame is unstable. Numerical simulation results show that the equivalence ratios in both the shear layer and the recirculation zone increase as the pilot fuel mass flow rate increases. The mechanism of the instability of the pilot flame can be attributed to the coupling between the second order acoustic mode and the unsteady heat release due to symmetric vortex shedding. These results illustrate that the pilot fuel mass flow rate has significant influences on the dynamic stability of the pilot flame.     

模型燃烧室中值班火焰稳定器的燃烧不稳定性研究

针对值班火焰的燃烧不稳定性问题，通过试验得到了不同当量比工况下的火焰结构、压力脉动信号和热释放脉动信号。对脉动信号进行傅立叶分析，获得了脉动信号的频率和振幅。结果表明，随着当量比增加，火焰形态发生变化，燃烧室内发生了164Hz三阶模态向109Hz二阶模态的转换。对火焰平均结构、火焰瞬态结构和火焰正交分解（POD）结果进行分析后发现，漩涡脱落频率和燃烧室某一阶声学模态耦合是维持燃烧不稳定性的机理，耦合的强弱和漩涡脱落的尺度大小决定了热声振荡的振幅大小，火焰形态的变化导致热释放中心位置的变化是引起模态转换的机理。     

微尘沉积形貌对冲击气膜冷却结构换热特性影响的数值研究

带有微尘的空气进入航空发动机,极易在涡轮叶片内冷通道发生沉积。为探究微尘沉积形貌对涡轮叶片内冷通道换热特性的影响,选取冲击气膜冷却结构,基于微尘沉积实验结果,构造微尘沉积形貌,由锥状突起和环状突起组成,通过数值模拟获得不同射流雷诺数下冲击靶面努塞尔数Nu。研究结果表明,冲击靶面微尘沉积层的出现,将大幅降低浸润面积平均努塞尔数Nuwetted,而对映射面积平均努塞尔数Nuavg影响较小;冲击驻点周围的高换热区范围减少;相邻冲击孔中点附近的高换热区努塞尔数Nu增大;此外,射流雷诺数的增大整体上提高了冲击靶面的换热强度。由于锥状突起和环状突起的扰动作用, 壁面附近回流涡增多, 使得冲击靶面大部分区域温度边界层厚度增加,因此换热性能降低。     

丙烷/空气稀薄预混合气流动下的激光点火特性

基于流动点火平台，在不同当量比和流速下，对丙烷/空气稀薄预混气进行了激光点火实验。研究发现：随着当量比和流速的增加，火焰发展速度加快且火焰面积增大；火焰中的CH^*发光强度随当量比提升有明显提高，通过CH^*的分布及发光强度变化能判断火焰发展阶段。混合气的击穿和点火成功率都随当量比和流速的增加而增加，但改变当量比对成功率的影响比改变流速更大；通过击穿发射光谱中的H/N峰值强度比，可以判断混合气中各组分的含量变化，且使用标定线能确定未知预混合气的当量比。