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。     

拉伸层流预混火焰化学热力学建表方法研究

通过求解物理空间上简化的层流甲烷/空气对撞预混火焰面方程,获得不同当量比下考虑拉伸效应的火焰面高维数据。为更准确地描述流动与燃烧的相互作用,采用基于矩阵分析的主成分分析法(PCA)对火焰面高维数据进行分析,并选用分析出的前两个主成分作为新的建表特征标量,进而构建考虑拉伸效应的层流预混火焰化学热力学表。相比于已有的拉伸层流预混火焰面建表方法,使用PCA方法得到的两个建表特征标量之间不相关,无需条件概率密度信息。同时PCA方法具有一定的通用性,可以推广到不同燃料不同当量比下的拉伸层流预混火焰面建表中。     

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。     

中心分级预混旋流火焰燃烧噪声的实验研究

针对中心分级旋流燃烧器中预混甲烷火焰在常温常压下的燃烧噪声进行了实验研究,主要关注实验工况和限制域结构对燃烧噪声的影响。用声级计测量了燃烧噪声声压级,用带有CH^*滤镜的单反相机拍摄火焰的平均图像。实验结果表明,在主、预燃级空气流量恒定时,总当量比与分层比对燃烧噪声产生了显著的影响,氢气掺入对燃烧噪声无明显影响;预燃级当量比对于燃烧噪声的产生起关键作用,预燃级当量比越接近1.00燃烧噪声越大;相同工况下,预燃级空气流量分配越多,产生的燃烧噪声越大。改变火焰限制域的结构,使用锥形火焰筒可以减少燃烧噪声的产生。本研究还结合带有CH^*滤镜的摄像机拍摄的火焰图像,初步分析了燃烧噪声与火焰宏观结构之间的对应关系。     

贫燃预混旋流火焰燃烧不稳定性的实验

实验研究了常温常压条件下贫燃预混旋流火焰的燃烧不稳定性.结果表明:不稳定燃烧时,火焰结构发生显著变化,呈现大尺度运动的特点.燃烧室所发生的燃烧不稳定性是纵向自激式振荡,是燃烧室与预混段之间的耦合,振荡频率由整个系统决定.随着当量比的提高,燃烧经历了由稳定到不稳定,并达到有限循环脉动的过程.流动脉动和火焰的相互作用,是激发和维持振荡的主要原因,需要深入研究不稳定燃烧性产生和得以维持的机理.      

平面预混滞止火焰冷态流场湍流特性研究

 本文建立了预混滞止火焰燃烧实验装置,采用激光多普勒测速方法,对平面预混滞止火焰的冷态流场的湍流特性进行了流场相干测量并展开了分析。通过对射流轴线上的湍流度进行测量发现,靠近滞止板的绝对湍流度呈现加速上升的趋势。采用多点相干速度测量的结果表明,靠近滞止板的湍流积分长度尺度逐渐降低。经分析,是由于滞止流动轴线上的流线受到压缩而产生的结果。该实验结果和数据处理方法为将来的热态实验提供了基础数据和技术支持。     

分布式非预混火焰传递函数的实验研究

非预混燃烧是动力设备和推进系统中常见的燃烧组织形式。为了理解非预混火焰的动力学特性、预测和控制其振荡燃烧现象,有必要获得其火焰传递函数。本文通过实验测量对分布式非预混火焰的传递函数进行了研究,实验对象为甲烷空气同心射流火焰。实验中使用双麦克风技术测量燃烧室出口速度脉动,作为传递函数的输入量;使用CH基自发荧光测量燃烧过程的放热率脉动,作为传递函数的输出量。搭建了卡塞格林光学测量系统,以提升放热率测量的空间分辨率,实现单点测量,进而得到一维分布式火焰传递函数。结果表明,在频域内,实验中测得的传递函数的幅值沿火焰轴向存在两个峰值,在幅值的峰谷处相位角有180°翻转,这是热斑以对流速度向下游传播,跨越火焰面时所造成的。     

生物质气燃烧稳定性与层流燃烧特性的试验

为了获得沼气的燃烧稳定性与层流燃烧特性,在定容燃烧弹中试验测量了当量比范围为0.7~1.4、初始压力范围为0.1~0.5MPa、初始温度范围为290~380K条件下沼气的层流火焰传播特性。同时,对其燃烧稳定性与层流燃烧速度的主要影响因素进行了分析。结果表明:当层流燃烧速度小于0.15m/s时,火焰在发展过程中将出现浮力不稳定,火核中心逐渐向上飘起。马克斯坦长度随初始压力的升高或当量比的降低逐渐变小,火焰前锋面不稳定性得到增强;初始温度对马克斯坦长度的影响不明显。随当量比的升高,无拉伸火焰传播速度与层流燃烧速度先升高后降低,两者的最大值出现在当量比为1.1时;同时,沼气的层流燃烧速度随初始温度的降低或初始压力的升高逐渐降低。      

甲烷-空气预混火焰中化学发光定量化测量放热率的实验研究

为了研究化学发光定量化测量火焰放热率的方法,对当量比0.8～1.2,流速5cm/s～25cm/s的甲烷-空气预混火焰进行了实验研究。使用直径0.025mm高精度铂铑热电偶测量了平面火焰的温度分布,进一步得到了放热率分布,并对火焰结构及燃烧特性进行了分析;利用ICCD相机测量了甲烷-空气预混火焰中OH*和CH*的化学发光分布,并研究了两种激发态粒子的化学发光分布与放热率分布的关系。结果表明,常压下层流预混火焰的火焰厚度仅有0.5mm左右;气流速度的变化不改变火焰结构,而当量比对火焰结构有显著影响;OH*能够比CH*更准确地标识放热率的空间分布;两种激发态粒子的化学发光强度峰值与放热率峰值均呈线性关系,且线性相关性OH*强于CH*;得到了利用化学发光强度定量化测量放热率的方法。     

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。     

锥形预混火焰羽流脱落过程的实验诊断

为了研究锥形预混火焰的羽流脱落特性,以丙烷-空气预混火焰为实验对象,通过粒子图像测速技术对锥形预混火焰的羽流速度场进行了实验研究,动态模态分解法对得到的速度场进行了模态分解和主要特征重构还原。同时采用光电倍增器对火焰热释放强度信号进行实时采集,采用双热电偶法对然后热气体的温度进行了重建。结果表明在浮力诱导下燃尽气体与周围环境空气相互剪切形成剪切层（BSL）, BSL 的 KH 不稳定性诱导产生了涡,涡作用于燃尽区附近的流场,扰动传至火焰面附近区域,与火焰剪切层（FSL）的 DL 不稳定性耦合,表现为火焰面的脉动和火焰热释放率的脉动。通过近红外自发光成像得到的热气体自发光强度与温度信号有较强的相关性,热气体呈现出与速度场相似的周期性传播模式,为研究预混火焰的羽流脱落特性提供了新的思路。     

钝体后预混火焰稳定机理与钝体尺寸间关系的研究

为了进一步理解火焰稳定的详细机理,采用钝体作为火焰稳定机理的研究模型,详细分析了火焰根部流场特性对于火焰稳定的影响。研究了二维通道中不同尺寸V型钝体在不同进口速度下的反应流场,分析了预混煤油火焰根部特性。进口煤油和空气的当量比为Φ=0.6,进口温度300K,环境压力0.1MPa。结果显示在钝体分别为小尺寸、中间尺寸和大尺寸时,钝体后火焰根部特征、回流区特征和火焰根部位置随进口速度变化的规律都各不相同。当D=1mm钝体尺寸较小时,速度从0.4m/s增加到0.48m/s,一个火焰根部向下游移动4.5mm;当D=8mm钝体为中间尺寸时,来流速度从1m/s增加到5m/s,两个火焰根部首先向下游移动7mm,再向上游移动3.7mm;当D=32mm钝体尺寸较大时,来流速度从5m/s增加到25m/s,两个火焰根部均向上游移动2mm。     

燃烧室贫油多旋流预混合预蒸发特性数值研究

对燃烧室多旋流器的贫油预混预蒸发（LPP）及形成可燃混合气特性进行了CFD数值研究。2级旋流器的第1级选用斜切入孔式旋流器,第2级选用径向旋流器。第2级旋流器的流量分配对预混预蒸发效果有重要影响。在2级旋流器气体总流量为0.035 kg/s不变时,第1、2级旋流器气体流量比小于1∶4时,预混预蒸发效果较好。计算结果与试验结果相符合。     

铝基粉末燃料层流火焰传播速度实验研究

为研究铝基粉末燃料火焰传播特性,本文设计了气固两相本生灯型层流火焰实验装置,开展了铝基粉末燃料层流火焰传播速度的实验研究;获得了气流流速、颗粒相浓度等因素对空气中铝颗粒层流火焰传播的影响规律,并研究不同级配比例下的铝基粉末燃料的火焰传播性能。研究结果表明：在相同颗粒浓度条件下,提高气流速度会显著增加铝基粉末燃料层流火焰传播速度;在相同气流速度条件下,铝基粉末燃料层流火焰传播速度在铝颗粒浓度接近600 g/m³时达到最大值,而当铝颗粒浓度过低时,层流火焰无法稳定传播;此外试验结果还表明,利用中小粒径颗粒填充大颗粒间的孔隙,能显著提高铝基粉末燃料层流火焰传播性能。     

甲烷/空气预混火焰回火特性数值模拟

为了获得有效的预测回火极限的数值模拟方法,对甲烷/空气预混火焰进行了数值模拟。采用不同的反应机理和燃烧模型,针对一个二维轴对称的本生灯,分别对甲烷/空气预混层流火焰和湍流火焰进行了数值模拟,预测了甲烷/空气预混火焰的回火特性,并与Johnson的实验结果进行了对比。对层流火焰的模拟结果表明,采用Smooke-46反应机理能够较为准确地预测层流回火极限。而单步化学反应所预测的层流回火极限要比实验值低得多,这说明单步化学反应下的火焰更难以发生回火。对湍流火焰的模拟结果表明,涡耗散概念模型比有限速率模型更准确地预测了湍流回火极限。有限速率模型所预测的回火极限略高于实验值。     

内燃波转子复杂波系及火焰传播特性实验研究

为了探究内燃波转子工作过程中复杂波系及火焰的传播特性,采用乙烯为燃料进行了内燃波转子多循环工作过程实验研究。依据实验中采集到的离子探针信号、压力传感器信号和高速摄影照片来分析波转子通道内的复杂波和火焰的传播特性,同时更换波转子通道内的不同扰流片结构来探究其对复杂波系和火焰传播特性的影响。研究结果表明:波转子通道内波与火焰存在一个动态过程,且火焰与波峰的间距越来越小,加入扰流片后火焰速度与压力波的强度明显增加。堵塞比为38.91%时,PT2处压力峰值可以达到1.56MPa。堵塞比为31.13%时,平均火焰传播速度能达到36.95m/s。