可控流场尺度预混湍流燃烧器及其火焰结构分析

为了研究单一湍流场参数对预混湍流火焰结构的影响,以及拓宽湍流场的强度和尺度范围,发展了一套可变结构的预混湍流燃烧器。采用恒温型热线风速仪标定流场,得到了一系列湍流参数。流场标定结果表明：该燃烧器能显著拓宽湍流强度和尺度范围,并能利用不同几何结构产生多种可控流场,实现研究单一湍流参数对湍流燃烧速度和火焰结构影响的目的。选用有代表性的15种湍流孔板组合结构,利用OH-PLIF燃烧激光诊断技术,开展了湍流燃烧实验,结果表明：湍流强度的增大（1 < u'/S_L,0 < 10）使得湍流火焰分区扩展到了薄层反应区,火焰面破碎程度明显增强,孤岛结构明显增多。高宏观雷诺数下,积分尺度的增长对湍流燃烧速度起抑制作用,可能存在临界宏观雷诺数Re_c,能够表现流体惯性力占主导地位的程度,决定积分尺度对湍流燃烧速度的影响效果。积分尺度能量大,扰动能力强,故积分尺度越大,火焰体积越大;但过高的湍流强度会使火焰面褶皱更加剧烈,小尺度叠加在大尺度上的程度增强,最终也使火焰体积显著增大,掩盖了积分尺度对火焰体积的影响,说明积分尺度（表征大尺度）不如湍流强度（表征叠加小尺度的程度）对火焰放热率影响大。

     

合成气组分及雷诺数对火焰结构影响的实验研究

利用非接触的激光PLIF技术测量了在湍流贫燃预混燃烧中的OH自由基分布。以典型煤制合成气真实组分为基础进行工况设计,分为H2含量变化、CO/(CO+CH4)相对比例变化、雷诺数变化和中低热值对比4部分进行实验。通过OH-PLIF信号分析,探讨了H2含量、CO/(CO+CH4)相对比例和雷诺数对燃烧的影响。实验结果表明,雷诺数、H2含量和CO/(CO+CH4)相对比例的变化对合成气燃烧过程都有显著的影响。其中雷诺数的增大和H2含量的增加都加强了OH-PLIF信号强度,即有利于火焰中OH自由基的生成。而CO/(CO+CH4)相对比例的上升,因同时减少了CH4含量,导致OH自由基浓度下降。H2含量的升高和CO/(CO+CH4)相对比例的上升(转折点前)对于火焰行程都有缩短的作用,强化了燃烧。转折点之后CO/(CO+CH4)相对比例的继续上升不利于燃烧。后文对裂解气火焰瞬时图像和火焰面密度的分析印证了上述规律。     

强湍流下点火及火焰传播机理研究进展

可燃预混气点火过程研究是发动机燃烧领域最重要的课题之一。当前电火花强制点火广泛应用于各类发动机燃烧室中,其点火过程具有很强的瞬变性,从电火花产生到火焰完全形成的整个过程中,多种复杂因素联合影响点火火核的产生和发展。目前发动机高压、强湍流工况下的点火和火焰传播机理认识还不完善,亟需研究的科学问题是湍流和化学反应相互作用对点火和火焰传播的影响机制及其建模,包括湍流对点火的促进/抑制机制,湍流对火焰传播和火焰整体发展的影响规律,燃烧释热和火焰面不稳定性对湍流脉动速度(即火焰产生的湍流)的影响机制和对火焰传播速度的增强机制及由此导致的层流燃烧自加速转捩为湍流燃烧的理论,燃烧过程对标量通量输运(即反向或压力驱动输运)的影响机制。本文对强湍流下点火及火焰传播理论、实验和数值模拟方面的研究进展进行综述。     

甲烷-空气预混火焰越过不同形状障碍物的实验研究

对甲烷-空气预混火焰越过安装于燃烧室内底壁的多种形状障碍物进行了系列实验。以高速阴影摄影获取火焰阵面变化的序列相片,准确地记录了流场和火焰的变化过程。结果表明,障碍物的上表面对诱导湍流具有十分重要的影响,而障碍物下游的回旋区会导致火焰的翻卷和弯曲。变形火焰在未燃气体中产生的压缩波在壁面进行反射并在燃烧区反复穿越,也大大破坏了火焰的稳定性。不同形状的障碍物对火焰稳定性的影响呈现的特点不同,但最终均能导致湍流燃烧和加速。     

基于红外和纹影技术研究声作用下火焰锋面运动及热量演化

以Rijke型驻波声场为声环境,以本生型层流部分预混火焰为实验对象,研究了火焰在声场作用下的锋面运动及热量演化行为。通过火焰红外图像表征燃烧反应产生的高温产物,借助火焰纹影图像描述径向温度梯度分布,并以红外-纹影信息一体化的图像说明了高温产物与径向温度梯度的关系。结果表明,声场作用下的部分预混火焰,其高温产物附着在锋面上,表现为层分布的对称型尖头结构,下游区域较上游区域幅面更宽;轴向热量演化过程以尖头状分布方式在声周期内经历2次升降过程,向火焰下游方向输运,径向热量传递过程所形成的温度梯度轮廓表现为“手指状”,由高温产物的尖头结构及运动决定。

     

平面激光诱导荧光技术在超声速燃烧火焰结构可视化中的应用

平面激光诱导荧光（PLIF）技术能够高时空分辨成像火焰结构并用于研究超声速燃烧机理。利用OH-PLIF与CH-PLIF技术研究了超声速燃烧的火焰结构。其中,利用OH-PLIF技术对燃烧室中3个展向截面与2个流向截面的凹腔稳定火焰反应区结构进行成像,利用CH-PLIF技术观测凹腔火焰放热区结构。实验结果表明：全局当量比较低时燃烧主要发生在凹腔中,OH沿中轴线对称分布;高当量比时火焰位置更高,OH主要沿燃烧室两侧壁面分布;CH所存在的超声速燃烧放热区呈现高度褶皱和破碎结构,放热区分布在比反应区更窄的区域。

     

流向凹曲率壁面湍流边界层的TRPIV实验研究

带有曲率和压力梯度作用的湍流边界层广泛地存在于各类工程应用中。以带有流向凹曲率的壁面（简称凹壁面）模型为研究对象,利用双相机大小视场的TRPIV系统分别测量了上游和下游两个不同流向位置的瞬时速度场。以光滑平板模型的实验数据为基准,研究了凹壁面上湍流边界层的变化规律。通过对比光滑平板的平均速度剖面和雷诺应力剖面,发现凹壁面情况下的平均速度剖面逐渐偏离了传统对数律,且湍流强度比平板情况下更弱。以$ {varLambda _{ci}} $准则识别出的顺向涡为条件进行条件相位平均,发现凹壁面中涡上方正脉动的峰值与空间尺度的变化相反,而下方的负脉动比平板情况更强。进一步使用空间两点相关方法提取相干结构,同时利用椭圆拟合的方法计算近壁区相干结构与壁面的倾角,发现凹壁面上相干结构沿流向的空间尺度逐渐增大。结果表明：当湍流边界层受到凹曲率和顺压梯度的共同作用时,近壁附近与尾迹区内湍流强度的差异增大,同时边界层内相干结构的旋涡强度增加;随着向下游的发展,缓冲层附近顺向涡上方正脉动的空间尺度增大,但峰值降低,而在对数律区的上侧则产生了相反的现象;凹壁面湍流边界层内相干结构向更高法向高度迁移的趋势减弱,且相干结构的空间尺度在下游一侧的增长幅度更大。

     

近壁湍流相干结构传播速度的研究

近壁湍流相干结构传播速度的问题,目前尚无理论结果。本文利用流动稳定性理论中的共振三波概念建立单个相干结构模型,采用紧致有限差分和Ｆｏｕｒｉｅｒ谱展开相结合的方法对近壁湍流相干结构进行了数值模拟,计算得到的相干结构流向传播速度与直接数值模拟的结果一致。     

不同湍流强度下煤粉颗粒群着火及燃烧特性的光学诊断研究

利用Hencken型平面火焰燃烧器搭建携带流反应系统,研究了不同湍流强度下煤粉颗粒群的着火及燃烧特性。煤粉被一次风送入温度、氧含量（本文所称\"氧含量\"是指氧的摩尔分数,mole fraction）可调节的高温烟气中形成稳定的射流火焰,利用OH平面激光诱导荧光技术（OH-Planar Laser-Induced Fluorescence,OH-PLIF）观测煤粉射流火焰着火、群燃等阶段的瞬态结构,基于对火焰图像的处理探究煤粉颗粒群的着火及燃烧特性。OH-PLIF的测量结果表明,在煤粉射流火焰的上游,射流外围区域的煤粉首先发生脱挥发分并着火,外围已燃的煤粉释放出大量热量并不断向射流内部传递,促进了射流内部区域煤粉颗粒群挥发分的析出。在高速一次风的卷吸及扰动作用下,析出的挥发分与氧之间不断扩散、混合,燃烧的OH锋面逐渐向射流中心区域延伸并连接成片,出现挥发分群燃火焰。实验结果表明：层流状态下,煤粉射流火焰窄而明亮;随着一次风湍流强度的增强,射流中煤粉颗粒的扩散运动变得剧烈,火焰形态发生变化,着火距离显著缩短。本文定量地研究了不同湍流强度下背景烟气温度（1200~1700 K）、烟气氧含量（10%~30%）以及一次风氧含量（5%~45%）对煤粉颗粒群着火延迟的影响规律。随着背景烟气温度、送风氧含量的升高,着火延迟时间逐渐缩短,但存在阈值现象,一旦背景烟气温度或送风氧含量超出某一阈值,其对煤粉颗粒群着火延迟的影响变弱,控制煤粉颗粒群着火行为的主导因素随之发生改变。     

基于丙酮/CH2O双组分PLIF技术的横向声波激励预混火焰未燃区/预热区特性研究

热声不稳定问题是航空航天动力装置发展中的难题之一,针对预混燃烧火焰的热声不稳定机理研究是解决实际发动机热声振荡难题的必经之路。采用丙酮/CH₂O双组分PLIF同步测量技术对横向声波激励下的预混火焰特性进行了研究,获得了横向声波激励预混燃烧火焰中的未燃区/预热区分布变化情况。实验结果表明：随着激励声波声压级的增大和激励声波频率的减小,未燃区/预热区形貌的变化逐渐增强;同时,随着激励声波相位的变化,未燃区/预热区形貌呈周期性变化。对丙酮PLIF图像进行边界提取,获取了不同声波频率、声压级条件下的未燃区抬举高度、扩散面积。利用丙酮/CH₂O双组分PLIF同步测量成功捕捉到典型声波频率、声压级下的火焰形貌演化过程,并分析了该典型工况下的火焰熄灭现象及其机制。

     

湍流扩散火焰的流场计算

本文采用修正的k-ε湍流模型以及实验测得的初始条件,计算了冷态和湍流扩散火焰的流场。结果令人满意。     

化学发光火焰三维重建研究综述

燃烧过程具有三维、高温、湍流、非稳态等特性,其精确测量存在一定的难度,一直是国内外研究的热点。化学发光计算断层成像（CTC）技术将化学发光技术和计算机断层成像（CT）技术相结合,通过直接拍摄不同角度的火焰图像,利用重构算法进行重建,可以快速准确地实现火焰三维结构的精细刻画。CTC系统以火焰的自发光作为光源,因此不需要额外的光源设备,这使得该系统具有容易搭建、可在复杂环境下实现等优势,可以用于高温、湍流火焰的实时测量,对于研究复杂燃烧流场、提高燃烧效率有着十分重要的意义。本文首先介绍了CTC技术的基本原理,然后从成像模型、重构算法、实验方法和应用方向4个方面介绍了CTC技术在火焰重构方向的研究进展,最后讨论了CTC技术的发展趋势。     

基于分形几何的超声速燃烧火焰形态表征方法研究

分形几何是图像学发展的新兴学科。通过分形几何,可以研究不规则图形,揭示图形的自相似特性,并且给出图形自相似性的定量数据。本文将分形几何用于分析超声速气流中的火焰形态,定量分析了不同当量比与燃料组分摩尔比条件下火焰分形维数的变化规律,研究了湍流火焰传播速度和火焰边界分形维数之间的对应关系。通过高速摄影获得的火焰CH^*自发光瞬态图像,记录了马赫数2.5超声速气流中不同燃料的火焰形态,验证了超声速火焰边界具有自相似性。实验结果表明,超声速燃烧湍流火焰锋面边界的分形维数随当量比的增大近似线性增大,随着燃料中氢含量的增加而增大。

     

新型双旋流燃烧室热声振荡的实验研究

对一新型双旋流燃烧室开展了实验测量,研究了燃烧状态参数2种变化过程对火焰热声振荡特性的影响（过程1：保持甲烷体积流量不变,当量比从0.900逐步减小至0.725再逐步增大至0.925;过程2：保持当量比为0.850不变,逐步增大预混气的体积流量）。结果表明：在该燃烧室中存在M型和V型2种火焰结构;在过程1中,随着当量比减小,火焰由不稳定的M型转变为稳定的V型,其后,随着当量比增大,又逐渐转变为M型,存在明显的滞环现象;在过程2中,仅在初始流量下存在明显的热声振荡现象,随着流量增大,火焰变得稳定;基于压力脉动信号的功率谱特性分析和相空间重构分析,发现该双旋流燃烧室内热声振荡主频率分布于400.0和256.0 Hz左右。

     

几何质量特性的统计控制技术

采用常规控制图的基本假设是生产过程的输出变量服从正态分布。在实际生产中,虽然生产过程的某些质量特性（如形状与位置等几何质量特性）也呈现正态分布,但由于测量工具及这些特性自身的特殊性,测量数据通常呈现出以目标值为折叠点的折叠正态分布,这就无法应用常规的统计控制技术。为了解决这种情况下的质量控制问题,本文分析了形状与位置等几何质量特性测量过程中的特殊性,以及测量数据的分布规律,在此基础上,给出了评价工序能力的方法,构造了相应的控制图,并设计了相应的中文软件。实证结果表明：该软件既简单又实用,能适用于大部分形状和位置质量特性的质量控制问题。     

本生灯法结合纹影技术测量甲烷/空气层流燃烧速度及流场分析

层流燃烧速度是确定燃烧传播模型和验证化学反应机理的关键参数。搭建了本生灯实验系统和纹影实验系统用于探究甲烷预混层流燃烧特性,通过本生灯法和纹影技术测得了甲烷/氮气/空气的层流燃烧速度和火焰外部流场,并且探究了当量比及氮气掺混对层流燃烧速度和火焰外部流场的影响。研究发现,当量比对甲烷层流预混火焰燃烧特性有着重要的影响,随着当量比的增加,层流燃烧速度先增大后减小,锥形火焰高度先减小后增加,火焰外部流场开始逐渐趋于稳定;氮气掺混对层流燃烧速度起着降低的作用,且掺混的氮气越多,层流燃烧速度降低幅度越大;掺混氮气后火焰高度增加,但是火焰外部流场变得更加紊乱,难以稳定。