湍流扩散火焰局部熄火现象的大涡模拟研究

为了研究湍流扩散火焰的燃烧特性和局部熄火现象的机理,使用火焰面/反应进度模型对Sandia湍流值班射流火焰E进行大涡模拟。火焰面/反应进度模型适用于非预混燃烧,基于守恒标量和反应标量构建火焰面数据库,将详细的化学反应过程映射到这两个特征标量的平面上。数值模拟结果与实验数据符合得较好,火焰面/反应进度模型能较好地模拟湍流扩散火焰和预测火焰的不稳定性。研究发现,火焰在轴向距离与中心射流直径比值为7.5至15的截面处局部熄火概率较大,这与该位置标量耗散率偏大有关;火焰在轴向距离与中心射流直径比值为30以后的流场重新点燃,原因是混合物分数和当量比变小,火焰更多处于贫燃状态。     

异辛烷预混层流火焰传播特性的实验与数值研究

利用定容弹和高速纹影摄像技术研究了初始压强50~101k Pa,当量比0.8~1.3的异辛烷预混层流火焰传播特性,分析了初始压强、当量比对层流燃烧速度和马克斯坦长度的影响。实验结果表明:异辛烷层流燃烧速度随初始压强的增加而减小;在不同初始压强条件下,最大层流燃烧速度都在当量比为1.1时获得;马克斯坦长度随当量比和初始压强的增加而减小;不同初始压强条件下,当量比为1.3时,马克斯坦长度接近于0,拉伸对火焰稳定性的影响最小;简化反应机理能很好地预测富燃条件下层流燃烧速度,贫燃时略大于实验结果。     

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。     

基于OH-PLIF技术的环形燃烧室预混火焰结构实验

针对微型燃气轮机环形燃烧室中的燃烧特性,利用平面激光诱导荧光(PLIF)技术,对环形燃烧室内甲烷/空气预混湍流多束火焰燃烧开展实验研究,得到OH自由基物质的量浓度分布,并研究雷诺数和当量比对火焰结构特征参数的影响。结果表明:OH自由基浓度分布呈现环形结构,并有火焰托举和分叉现象,OH-PLIF瞬时和平均图像揭示了火焰具有湍流和层流预混结构共同特征。火焰结构特征参数的定量分析表明,雷诺数升高,拉伸火焰预混锥形结构,促进射流之间相互作用;康达效应使内焰向内壁面弯曲,火焰张角增大;适当调节预混火焰的当量比,有利于火焰结构的稳定。      

异辛烷/空气对冲火焰实验与计算分析

为了解决汽油机清洁高效燃烧的难题,需要对汽油的基础燃烧特性进行深入研究。为此选取异辛烷单一组分作为表征燃料,对其预混层流火焰传播速度进行了实验与分析。设计并搭建了适宜液体燃料燃烧的对冲火焰试验台,通过对异辛烷对冲火焰的实验,获得了不同当量比下的无拉伸火焰传播速度,发现随着当量比的增大异辛烷火焰传播速度先增大后减小,在当量比1.1时火焰传播速度达到最大值。在标准大气压、初始温度为378K的工况下,异辛烷最大火焰传播速度为60.9cm/s。利用异辛烷、正庚烷、乙醇三组分燃料着火机理计算了异辛烷火焰传播速度,并针对火焰传播速度进行灵敏度分析,得到了控制异辛烷火焰传播速度的主要基元反应。通过实验结果与计算结果的对比,结合文献中给出的实验数据,对影响异辛烷火焰传播速度的主要因素进行分析,发现初始温度提高、环境压力降低能够使异辛烷燃烧火焰传播速度提高。     

高密度烃与航空煤油燃烧特性对比试验

采用本生灯方法并结合数字图像处理方法分别对高密度烃和航空煤油的燃烧特性进行了试验研究,分析了不同燃油流量下当量比、预混燃气温度对层流火焰传播速度与贫油点火、熄火极限的影响,从而确定了高密度烃的层流火焰传播特性。实验研究表明:当量比为1.1时,高密度烃层流火焰传播速度达到最大值,而航空煤油在当量比为1时达到最大值,且在相同工况下高密度烃的层流火焰传播速度的最大值较小;层流火焰传播速度随混合气温度的增加而变大;燃油流量的改变对层流火焰传播速度的影响不大;相同工况下高密度烃的贫油点火、熄火极限比航空煤油的要大,且燃油流量在小于35ml/h区域内,贫油点火极限、熄火极限的当量比,都随燃油流量的变化都存在一定的波动。     

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。     

正十四烷层流燃烧特性的实验

采用定容燃烧实验平台获得初始压力为0.1 MPa、初始温度为420、450 K和480 K,当量比为0.8~1.4工况下正十四烷/空气预混气层流燃烧速度和马克斯坦长度,并分析了初始温度、当量比等因素的影响。研究发现:初始温度和当量比的增加对预混气球形火焰稳定性影响较小,在初始温度为480 K、当量比为1.3工况下,火焰内部无裂纹或胞状结构;初始温度的增加能够加快火焰传播速度,促进火焰锋面形成,其影响在稀混合气中更为显著;随着当量比的增加,正十四烷预混燃烧火焰马克斯坦长度减小,火焰稳定性变差;随着初始温度的增加,正十四烷马克斯坦长度减小,无拉伸火焰传播速度和层流燃烧速度增加,另外,与RP-3航空煤油层流燃烧速度对比发现,正十四烷层流燃烧速度整体偏高。     

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。      

高密度烃层流火焰传播速度试验研究

为了研究液态燃料的预混燃烧特性,利用本生灯方法与数字图像处理技术相结合的方法对高密度烃的层流火焰传播速度和贫油点火、熄火极限进行了试验测量。研究表明:高密度烃的层流火焰传播速度在恰当比为1.1附近取得最大值;贫油燃烧阶段的层流火焰传播速度随当量比的变化幅度比富油燃烧阶段小;当量比相同时,燃油流量的改变对层流火焰传播速度的影响不大;层流火焰传播速度随混合气体温度的增加而增加;随混合气体温度的增加,层流火焰传播速度随当量比的变化幅度增大;燃油流量在小于35ml/h区域内,贫油点火极限、熄火极限的当量比存在一定的波动,且随混合气体温度的增加而减小,但减小幅度不大。