气体火焰加速掠射粉尘床激起的气体-粉尘复合火焰

在自行设计的全程透明火焰加速管实验系统中,发现气体火焰加速掠过附于壁面的粉尘床时产生特有的非定常火焰结构.在纯气体火焰由弱点火燃烧加速传入壁面附有粉尘层的区域后,单波阵面的气体火焰诱导出瞬态三波阵面火焰,随后转变为气体和粉尘双波阵面火焰,最终形成气体-粉尘混合火焰.短暂存在的瞬态三波阵面火焰由正向传播的气体火焰和粉尘火焰以及反向传播粉尘火焰构成.出现反向传播的粉尘火焰是由于附壁粉尘需要一定的上扬与点火延滞时间.由于反向火焰的出现,在速度沿管长变化图上,速度曲线具有独特的“鸟”形构象.

基于改进YOLOv7的转炉火焰燃烧状态检测研究

针对某炼钢厂A号转炉炉膛火焰燃烧状态分析判定问题,提出基于改进YOLOv7深度学习网络架构结合视频火焰状态的判断方法。首先引入无参平均注意力机制(PfAAM),在不添加参数或超参数的情况下捕获通道注意力和空间注意力,并使用轻量化上采样算子(CARAFE)、功能的内容感知重组进行上采样,使YOLOv7网络获得更好的鲁棒性和准确性。优化后的网络,MAP_0.5值提升了2.4%,精确率提升了5.5%,帧率达到了51.5帧/秒。结合视频图像Matlab火焰状态分析方法,充分利用图像和特征信息增加了对火焰状态判断的可解释性和鲁棒性,并提高了算法的安全性和可信度。实验结果也表明改进算法能够有效提升对火焰燃烧状态识别的准确率和实时性。

公路隧道地面效应对双火源火焰合并特性影响的试验研究

为研究自然通风隧道内发生双重火灾时地面效应对双火源火焰合并特性的影响,利用1:10小尺寸隧道模型开展了一系列试验。重点探究了双火源表面与隧道地面平齐时火源间距对火焰合并概率与火焰合并点高度的影响。结果表明:火灾烟气从隧道两端开口流出,由隧道两端补充进的新鲜空气产生的风速导致火源间距更大时火焰依然会发生互相倾斜,在间距足够大时,火焰倾斜角度约为10°。引入一个无量纲量表示火焰合并概率随着火源间距、热释放速率的改变而变化的规律。另外,将本文的试验数据与前人的工作做了比较,发现地面效应对隧道纵向布置的双火源火焰合并行为具有极大的促进作用。同时给出了火焰合并点高度与隧道高度的比值与改良后无量纲热释放速率的关系式。

喷嘴布局对钝体非预混火焰响应特性影响的试验研究

航空发动机加力燃烧室由于能量密度大、进口速度大、进口温度高,燃料和空气掺混不均匀等,易发生燃烧不稳定现象。加力燃烧室为多喷嘴结构,喷嘴布局会影响燃烧室内的释热率分布,进而影响火焰响应。以模型加力燃烧室为研究对象,对不同喷嘴数量和喷嘴直径的钝体非预混火焰的释热率响应特性进行研究。利用扬声器对火焰施加声激励,通过双麦克风法测量速度脉动,光电倍增管结合CH*滤光片测量释热率脉动。研究表明,喷嘴布局的改变对燃烧室内的释热率分布会产生显著影响,火焰传递函数(FTF)增益呈现典型的双峰特征。随着喷嘴数量增加,增益峰值先减小后增大,增益峰值对应的频率有向高频移动的趋势,系统时滞并未发生明显变化;随着喷嘴直径增加,FTF增益先减小后增大,系统时滞明显增大。

CH_(4)层流射流火焰燃烧特性及带电粒子浓度研究

为了研究天然气管道泄漏火灾形成射流火焰的燃烧特性,自主搭建了CH_(4)层流燃烧系统,通过对比不同尺寸喷嘴在0.48~0.72 L/min射流流量条件下火焰的响应特征,分析射流出口上方的火焰形态、温度及带电粒子浓度运移规律。结果表明:火焰喷嘴尺寸相同时,射流火焰的几何尺寸和测点平均温度均随射流流量的增加而增大,但不同喷嘴尺寸处的射流出口温度均随喷嘴流量的增加而降低。越靠近喷嘴区域,火焰根部离子电流值越大,但最大值不超过1.0μA,并且火焰轴向离子电流变化率随流量的增加而降低,火焰边缘处的离子电流值随测点与喷嘴之间的间距增大而减小。

不同倾角斜面下滑中正庚烷的火焰特性研究

为了研究正庚烷火焰形态、火焰亮度和火焰温度在下滑过程中随时间的变化趋势,分别利用倾角为25°和40°的斜面装置开展了正庚烷在斜面下滑过程中的燃烧试验。结果表明,在两种斜面下,由于试验箱体内冷热气流因密度不同导致其惯性大小差异,使得箱体内部前后温度分布不均产生压差,在压差作用下火焰向试验箱体下滑方向倾斜;在竖直和水平两个方向加速度的综合影响下,火焰的长度缩短、倾角减小、高度降低,但亮度增强,并且斜面倾角的增加会加剧对其形态、亮度的影响,40°斜面下的火焰形态参数值分别比25°斜面的低6.21%、12.30%、6.72%,但火焰亮度比25°斜面下的高31.98%;此外,在下滑过程中正庚烷火焰因不稳定导致温度降低,40°和25°斜面下火焰温度分别降低了16.05%和22.22%。但40°斜面下的火焰温度比25°斜面下的高,这与竖直加速度减小造成的浮力效应减弱有关。

金属丝网位置对氢气/甲烷/空气火焰传播特性的影响

为研究管道内不同位置金属丝网对氢气/甲烷/空气预混火焰传播的影响,在半封闭管道中研究了金属丝网位置对其阻火效果的影响以及阻火失效后火焰传播特性的变化。结果表明,位置会影响金属丝网对预混火焰的阻火效果,金属丝网距点火位置越近,阻火效果越好。当火焰未被淬熄时,金属丝网距点火位置越远,对火焰传播的促进作用越小。当金属丝网距点火位置较远时,与无金属丝网工况相比,火焰传播时间和“I”形火焰存在时长显著增加,郁金香火焰首现时间也延迟,呈现出一定的抑制作用。此外,随着金属丝网距点火位置距离的增加,火焰振荡的周期和振幅明显降低,火焰不稳定性减弱。

立体障碍物对瓦斯火焰传播规律的影响研究

为研究立体障碍物对管道瓦斯燃烧特性影响,改变阻塞比(0%、30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%),通过高速摄影和压力传感器记录管道瓦斯火焰传播过程和火焰峰面压力-时程曲线,探究不同阻塞比管道瓦斯火焰传播规律。研究结果表明,管道火焰传播速度和锋面超压整体上随着传播距离增加而增大;火焰传播速度和锋面压力均随着阻塞比增加先增大再减少。

爱心“火焰掌”

本文以魔术火焰掌为背景,展示了利用身边常见的材料展示火焰掌的实验步骤。通过展示爱心火焰掌和彩色火焰掌,读者能够欣赏到火焰的美妙效果并学习化学知识和燃烧原理。

纯氢阵列微管预混火焰结构及湍流燃烧速度测量

为给出稀燃环境45~87 m/s流速下的纯氢微混火焰的湍流燃烧特性,采用阵列微管喷嘴模型燃烧室进行研究。通过粒子图像测速技术与羟基平面激光诱导荧光技术诊断火焰,研究了纯氢湍流火焰前锋面结构及火焰热态流场,得到火焰前锋面尺度信息及微混燃烧室湍流参数,包括火焰体积、火焰面密度、湍流强度、湍流积分尺度和湍流燃烧速度。研究结果表明:微混燃烧室出口的湍流强度随着来流速度线性增加,火焰前锋面凸向未燃气与凹向未燃气的概率基本相同,并且随着湍流强度的增加,火焰的小尺度结构和褶皱程度有所增加。这些变化导致火焰面密度的增加,从而增加了湍流火焰面积和湍流燃烧速度。此外,氢气微混火焰归一化湍流燃烧速度达到7~11,约是火焰面积比3.5~5.5的两倍,这主要是因为稀燃氢气火焰的路易斯数较低,导致火焰局部燃烧速率超过了层流燃烧速度。因此,稀燃纯氢微混湍流火焰的燃烧速度的增加主要由火焰面积的扩大和局部燃烧速率的增强共同影响。该研究为优化阵列微管喷嘴模型燃烧室及微混燃烧技术提供了理论依据和实验支持。

封闭舱室动态泄放氢喷射火焰行为及关键参数的试验研究

为了研究封闭舱室内动态泄放氢喷射火焰形态、火焰高度、氧气体积分数、火焰上方中心线温度和侧壁气体温度的变化规律,开展了一系列封闭舱室氢喷射火试验。试验采用相机拍摄火焰形态,采用氧浓度传感器、热电偶测量舱室内指定点氧气体积分数和温度。试验结果表明,封闭舱室动态泄放氢喷射火焰形态演变过程分为氢气控制的喷射火和氧气控制的喷射火两种类型。前者的火焰演变过程分为四个阶段,即增长阶段、衰减阶段、升高阶段和熄灭阶段;后者的火焰演变过程分为三个阶段,即增长阶段、衰减阶段和自熄灭阶段。两种类型氢喷射火的氧气体积分数下降趋势明显不同。氢气控制的喷射火的氧气体积分数变化呈先近似线性下降再缓慢下降趋势,而氧气控制的喷射火的氧气体积分数呈近似线性下降趋势。同时,两者最小平均氧气体积分数与喷射压力呈线性下降趋势。舱内火焰上方中心线温度和侧壁气体温度变化的总体趋势大致相同,但氧气控制的喷射火温度下降过程中会出现明显的中断现象。喷射压力对封闭舱内氢喷射火作用下最大温升有显著的影响。基于本试验条件,建立了封闭舱室火焰上方中心线最大温升预测模型。

基于金字塔分层L-K光流法的燃气火焰动态特征提取与分析

本文研究了金字塔分层L-K光流算法在燃气火焰诊断中的应用,通过实验提取不同工况下燃气火焰图像动态特征,并验证火焰动态特征灵敏性和有效性.结果表明:在稳定工况下,速度大小的均值和方差相比于速度方向的均值和方差更能反映火焰的动态变化;在不稳定工况下,动态特征的速度大小、均值出现周期性变化,描述了不稳定燃烧和火焰熄灭的过程;速度大小均值和方差与工况参数之间呈现显著相关,而速度方向均值和方差相关性较弱.本研究为开发新的燃气检测技术提供参考.

合成气层流预混火焰加速效应实验研究

利用定容燃烧弹可视化实验平台对合成气层流预混火焰加速效应开展了系统研究.通过调整混合气的当量比和氧氮体积比实现自身不稳定性的解耦控制,在此基础上研究了火焰加速阶段、临界点和火焰加速因子.层流预混火焰的加速传播过程呈现出明显的准稳态、过渡态加速、饱和态加速3个阶段.4种临界点的先后顺序为:裂纹分裂临界点≈过渡态加速临界点<均匀细胞化临界点≈饱和态加速临界点.饱和态加速阶段的加速因子数值在1.1~1.2之间,并未与Lewis数和密度比呈现出明显的依赖关系.结果表明,火焰自身不稳定性对层流火焰的加速临界点有显著促进作用,但并不会影响饱和态阶段的火焰加速强度.

气流输运工况玉米淀粉爆炸火焰传播与压力特性实验研究

利用自主搭建的2 m长气流输运管道实验装置开展了不同气流速度下玉米淀粉爆炸实验,通过高速摄影和压力传感器获得火焰信息和压力参数。基于实验结果分析了气流输运工况气流速度对玉米淀粉爆炸火焰传播行为和爆炸特性的影响规律。结果表明:随着气流速度的增加,粉尘爆炸火焰亮度、火焰传播速度及最大爆炸压力呈先增大后减小的趋势,存在火焰呈螺旋状向管道末端传播的现象。气流速度从5 m/s升至10 m/s,火焰最大传播速度从74.07 m/s增加到89.51 m/s,最大爆炸压力由17.08 kPa增至23.42 kPa。气流速度提高到15 m/s时,火焰最大传播速度和爆炸压力均有所下降,质量浓度为300 g/m3时受影响最大,爆炸压力降低41%,500 g/m3时受影响最小,爆炸压力下降7.4%。

燃料分级对贫预混多喷嘴燃烧器火焰动态响应特性影响的实验研究

贫预混多喷嘴燃料分级技术可以有效降低局部热负荷,从而降低NOx排放并拓宽工况范围,是现代重型燃气轮机低排放燃烧室的主要燃烧方式。本文开展了燃料分级及当量比变化对贫预混多喷嘴燃烧火焰动态响应的影响研究。利用扬声器产生火焰的受迫振荡,利用压力脉动传感器与光电倍增管完成了多喷嘴火焰响应特性的试验分析。试验表明,燃烧室内压力波动与热释放率波动随扰动频率同步变化。当量比低于0.53时,多喷嘴火焰传递函数呈现单峰的特征。当量比大于0.64时,多喷嘴火焰传递函数呈现双峰特征,且火焰响应增强。延迟时间τ随着当量比的增大而减小。燃料分级将使得火焰动态响应特征频率发生偏移。增加喷嘴数量使得火焰传递函数幅值上升,火焰响应增强,峰值频率增大,延迟时间偏短。对于采用多喷嘴燃料分级技术的燃烧室,负荷上升将导致火焰趋于不稳定。

预混预蒸发正庚烷湍流火焰结构的实验研究

采用预混伴流射流燃烧器(PPJB)研究了初始温度400 K的预蒸发正庚烷/空气混合物在薄反应区的湍流火焰结构.采用热线风速仪标定冷态湍流流场,CH-PLIF测量湍流火焰反应区结构,共振OH-PLIF测量湍流火焰结构特征.结果表明:高湍流条件下,反应区厚度在不考虑三维效应时最大厚度为层流火焰厚度的1.6倍,其可支持薄反应区理论对预蒸发液体燃料湍流火焰的适用性.火焰面褶皱比和湍流燃烧速度的增加与湍流强度的提升不匹配.通过对火焰面曲率和平均火焰面密度的分析,发现高湍流条件下,褶皱尺度、大小和数量变化不大.一方面,湍流可能会减弱非均匀扩散造成的差异;另一方面,更可能是由于对褶皱结构的不完全捕捉和对3D效果的忽视而引发对火焰褶皱的低估.

预混火焰中热声振荡非线性特征的实验研究

针对旋流预混火焰热声不稳定性开展了实验研究.主要关注当量比对热声振荡系统非线性动力学行为的影响规律.实验结果表明,随着当量比从贫燃向富燃增大,火焰发生了Hopf分岔,火焰也经历了稳定燃烧、准周期振荡(拍振)、极限环振荡、准周期振荡以及稳定燃烧的模态转变过程.长燃烧室中火焰宏观结构的转变伴随着火焰动态模式的改变.当发生极限环振荡时,声压-火焰-涡流耦合作用致使反应区表现出大幅度的周期对流运动.

化学当量比对声场作用下三区火焰动力学行为的影响

以当量比范围为2.5-∞的甲烷/空气部分预混火焰为研究对象,提取火焰刷特征参数,探究了不同当量比对声场作用下三区火焰动力学行为的影响.结果发现,声场作用下三区火焰长度比稳态火焰明显降低,其辐射强度下降,燃烧稳定性与稳态火焰存在明显差异;化学当量比决定了声场和火焰自身不稳定性对锋面运动的控制程度,在声场作用下三区火焰上游区域主要受到声场作用的影响,而下游区域则为火焰自身动力学和声场作用共同的结果.

基于图像特征的火焰识别与检测技术研究

提出了一种基于火焰图像特征的火灾火焰检测及识别算法。将火焰颜色、变化率作为火灾火焰检测与识别的判据,在火焰颜色模型和变化率的基础上引入火焰尖角以及圆形度对火灾火焰图像进行进一步判定。实验结果表明,该算法能有效提高火灾火焰检测与识别的准确率,排除干扰源。

多孔-自由火焰燃烧的实验与数值模拟研究

为拓宽传统多孔介质燃烧器(conventional porous burner,CPB)的贫燃极限,进一步降低污染物排放,该文设计泡沫镍金属多孔-自由火焰燃烧器(porous-free flame burner,PFFB),实验研究其燃烧及污染物排放特性;建立同尺寸二维模型,数值研究多孔介质材料开孔率、相对高度和比孔密度对火焰状态、温度分布以及污染物排放规律的影响。结果表明:相比CPB,PFFB具有更宽的稳燃范围,开孔率1%的PFFB稳燃当量比为0.50~0.67,贫燃极限当量比可达到0.45。开孔率对CO影响较小,CO排放最低为19.2mg/m^(3)。对于NO_(x)排放,开孔率4%的PFFB降氮效果最好,比CPB减少了9.3%。多孔介质相对高度对PFFB的污染物排放影响显著。在实验工况下,相对高度2/3的PFFB相比1/3,其CO排放减少了5.2~140mg/m^(3),但NO_(x)排放量增加了4.3~9.2mg/m^(3)。对于开孔率4%的PFFB,随着比孔密度的增大,孔密度增大,孔隙直径缩小,燃烧呈浸没&自由火焰,CO排放量减少,NO_(x)排放量随气体最高温度增加而增加。因此,在一定的开孔特征下,PFFB可保留CPB的燃烧性能,并且具有更宽的稳燃范围、更低的贫燃极限以及更低的污染物排放水平。