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.

同轴离心式喷嘴火焰结构的转变和迟滞

针对气体中心液体离心式同轴(GCLSC)喷嘴(简称为同轴离心式喷嘴)的燃烧动力学特性,开展富氧气/煤油蒸气同轴离心式单喷嘴实验研究.通过改变氧化剂喷射速度,分别获得了稳定和自发激励条件下的火焰结构、相互转变和迟滞过程.利用高速相机拍摄了火焰的CH^(*)自发光图像,通过离散傅里叶变换(DFT)和动力学模态分解(DMD)方法分析了燃烧流场的空间结构.研究发现:稳定燃烧时,火焰长度较长,CH^(*)自发光紧贴喷嘴出口,火焰结构受反应混合层流动不稳定控制.迟滞区域内,火焰出现抬升,CH^(*)自发光强度沿流向存在两个峰值,主导的不稳定频率较高.不稳定燃烧时,火焰长度显著缩短,且在横向扩展,沿喷嘴周向有部分火焰紧贴喷嘴出口.3种燃烧状态下,DFT和DMD方法得到的空间模态均很相近.发现了螺旋形结构的低频火焰模态,某些工况下会发生对流形式的燃烧不稳定.一阶切向不稳定的火焰模态表现为速度耦合产生的螺旋形不稳定涡结构,二阶切向不稳定的火焰模态表现为压力耦合产生的对称涡结构.

氢燃料双模态冲压发动机火焰结构及其稳定机制的LES研究

为深入理解双模态冲压发动机内流场结构和燃烧特性,本文采用精细的有限速率化学反应模型,对凹腔内氢气直喷式超声速燃烧室火焰进行了大涡模拟研究。发动机隔离段入口马赫数为2.0,滞止温度和压力分别为950 K和0.82 MPa。定性和定量的验证分析表明,计算结果良好符合试验所反映的物理规律,再现了两种典型的工作模态及其稳焰模式。当量比为0.1时,发动机处于超燃模态,为凹腔剪切层稳焰模式;当量比为0.3时,发动机处于亚燃模态,为凹腔辅助射流尾迹稳焰模式,分离涡的大尺度脉动及凹腔回流区的缺失致使火焰剧烈振荡。同时采用改进的火焰因子和过滤函数详细分析了局部火焰特征和流动模式,观察到了不同规律的局部熄火现象,并且剧烈的流动振荡对于局部火焰结构的稳定性有着不利影响。

CH_(4)/NH_(3)/空气预混稀燃火焰结构及吹熄特性实验研究

本实验对稳定在钝体旋流燃烧器上的NH_(3)/空气及NH_(3)/CH_(4)/空气预混稀燃紧凑火焰开展了宏观结构及吹熄特性的研究.CH_(4)/空气预混火焰也被用于对比.利用PIV和OH-PLIF同步测量技术捕获流场和瞬时OH分布,获得火焰-流场耦合信息.结果表明,NH_(3)/空气火焰面的流体过量拉伸是导致其局部熄火,促使火焰整体吹熄的主要原因.NH_(3)/CH_(4)/空气火焰根部在临吹熄时也出现过量拉伸和局部熄灭,这将导致火焰最终吹熄.过量拉伸的主要来源为流体剪切变形.NH_(3)/空气火焰的内剪切层涡会进一步促进火焰吹熄.掺混CH_(4)能极大地提高极限拉伸率,增强稀燃火焰稳定性,拓宽火焰的稀燃极限.同时掺混CH_(4)也使火焰的燃烧速度及温度提高,有利于稳定火焰.

障碍物对瓦斯爆炸火焰结构及火焰传播影响的研究

通过高速摄影与纹影方法从细观角度研究了网状障碍物对管道内瓦斯爆炸火焰细微结构的影响,以及火焰加速机理,并进行了数值模拟.实验与理论分析表明,障碍物的存在引起火焰前锋褶皱度增大,提高了火焰前方未燃气体以及火焰内部流场的湍流强度,促进了火焰加速.

利用OH-PLIF技术显示超声速燃烧的火焰结构

针对在来流马赫数为1.72的空气来流中横向喷注氢气发生超声速燃烧的流场,利用平面激光诱导氢氧基荧光(OH-PLIF)技术,对超燃燃烧室中三个不同的流向截面进行了二维成像测量。选择波长为283.553nm的染料激光倍频光作为激发光,可近似认为获得的OH基荧光信号强度与OH基的摩尔分数成正比。瞬态的OH基PLIF图像揭示了超声速燃烧火焰结构具有高度湍流特性,在凹腔内部存在稳定的燃烧区,为整个燃烧反应提供值班火焰,起到了促进和稳定超声速燃烧的作用。超燃火焰在沿流向传播的同时还沿径向传播,凹腔展向尺度增大时火焰沿流向的火焰区会有所减小。

热辐射对富氧扩散燃烧火焰结构和氮氧化物生成的影响

揭示了富氧燃烧过程中的火焰结构和氮氧化物生成机理,针对富氧火焰特性探讨NOx的抑制机理。本文以对向流扩散火焰为对象,利用基于详细的基元反应动力学模型的燃烧数值解析方法研究了热辐射对富氧空气(氧浓度为60%)/甲烷扩散火焰中火焰结构和氮氧化物生成的影响。结果表明,在速度梯度较大时,辐射对燃烧特性的影响可以忽视,当速度梯度κ减小到约20s-1以下,辐射的影响逐渐明显,需要考虑辐射项;同时发现随着速度梯度的减少,总的NO质量生成速率随着速度梯度的下降逐渐增大,在κ≈33.3s-1时达到峰值后又开始下降,直至熄火。

方形管内楔形障碍物对火焰结构与传播的影响

通过实验与数值模拟方法对CH4/空气预混火焰在有楔形障碍物的卧式燃烧方管内的传播进行了研究。采用多镜头Cranz&Schardin高速摄像机和压力传感器等实验设备获得了高清晰度的障碍物诱导火焰失稳的分幅时序照片以及障碍物背风表面压力变化曲线。数值模拟则基于RANS方法与EDU-Arrhenius燃烧模型,计算结果与实验结果基本相符,反映了火焰在管内传播与变形的详细过程。通过综合分析实验与计算结果,得到了由楔形障碍物导致的火焰加速与变形的内在机理,揭示了火焰传播过程中由层流燃烧向湍流燃烧转捩的本质。

H_2含量和湍流强度对典型烟煤合成气火焰结构影响的测量研究

针对典型烟煤合成气湍流预混火焰,利用平面激光诱导荧光技术测量燃烧中间产物OH自由基分布,研究H2含量和湍流强度对实际合成气火焰结构的影响。实验结果表明,H2对合成气火焰中OH生成具有正向促进作用,H2含量高的合成气在实际燃烧中更容易稳定着火,且燃烧速度更快,有利于合成气充分燃烧。湍流强度的增加使合成气火焰锋面的皱褶程度增大,且使火焰中OH自由基增多,强化了合成气燃烧。合成气湍流火焰的脉动特性受H2含量的影响不大,主要与湍流强度有关。

火焰结构的平面激光诱导荧光技术观测

用平面激光诱导荧光 (PLIF)技术测量了烧煤油的酒精喷灯单脉冲激光诱导荧光 ,由平面荧光图可清晰地看到氢氧基与C2、C3 在火焰中的位置 ,同时 ,也看到了煤油火焰由发生、发展到熄灭过程中火焰结构的变化 ;PLIF技术是研究火焰结构的有力工具。

甲烷与空气质量浓度当量比对火焰结构及传播特性的影响

为研究受限空间内甲烷与空气预混气体火焰结构及传播速度特性,建立小尺寸开口管道燃烧爆炸试验平台。采用高速纹影摄像技术,研究甲烷与空气质量浓度当量比对甲烷预混气体火焰在开口管道内传播结构的影响。根据离子探针技术监测燃烧反应区的离子产物浓度变化,分析燃烧反应区特性。试验结果表明:火焰结构受甲烷/空气预混气体中甲烷的质量浓度当量比的影响较大,在贫燃或富燃条件下,火焰阵面受湍流和浮力的作用效果明显,火焰结构发生不规则变化;甲烷/空气质量浓度当量比达到1.06时,预混气体充分燃烧,火焰传播速度较快,预热区厚度达到最小值,火焰传播速度与预热区厚度存在此消彼长的变化趋势。甲烷与空气预混气体发生完全燃烧时,火焰传播速度较快,引发火灾的危害性较大,降低或增大甲烷浓度均可使燃烧反应不充分,有助于降低危险性。

甲烷、煤尘复合体系燃烧特性及火焰结构的实验研究

利用高速摄像机、超细热电偶、离子电流探针、光电二极管等对管道内甲烷、煤尘复合体系中传播火焰进行了实验研究,对火焰传播特征和火焰结构进行了分析．结果表明,甲烷、煤尘复合体系中初期的火焰主要由甲烷-空气的气相火焰构成,随着传播过程的进行,煤粒逐步开始参与燃烧,形成甲烷、煤尘的复合火焰,复合火焰中,煤粒热解和燃烧过程持续时间较长,火焰区域在传播过程中不断被拉长,火焰在较大的区域存在．甲烷、煤尘复合火焰的预热区厚度大约为2．57 cm,预热区的后面是化学反应区,在这个区域中,化学反应强度迅速上升,温度也随着迅速升高,同时发出较强的光．对甲烷、煤尘复合体系火焰传播过程进行研究,可以为防止煤矿井下瓦斯、煤尘爆炸提供理论基础和技术支持．

含钾盐的NC/TMETN基钝感双基推进剂火焰结构研究

利用单幅放大摄影法研究了含钾盐消焰剂的NC/TMETN (三羟甲基乙烷三硝酸酯 )基钝感推进剂的火焰结构。结果表明 ,不同的钾盐导致该类推进剂的火焰结构各不相同。含有机钾盐KD的推进剂的火焰结构保持了平台双基推进剂火焰结构的特征 ,而含K3AlF6 的推进剂却有着完全不同的火焰结构。由此可发现K3AlF6

预混湍流火焰结构的分形特征

使用分形几何学的方法，对由高速纹影摄影法获得的容弹内预混湍流火焰照片进行了处理．结果表明，容弹内预混湍流火焰结构具有分形特征，可以用分数维数来定量描述其折皱。

瓦斯爆炸火焰结构与压力波的耦合规律

基于火焰动态传播和超压信号的高速同步采集,实验研究了不同湍流激励条件下瓦斯爆炸火焰结构与压力波的耦合关系。实验结果表明:在无障碍物条件下,火焰阵面较为光滑,由初始的半球状逐渐演变为手指状,最大超压为3.9kPa。在中间连续障碍物条件下,火焰发展为舌状,最后呈现波浪状,最大超压为12.5kPa。在两侧连续障碍物条件下,火焰转变为蘑菇状,最终发展为树状,最大超压为11.4kPa。当火焰结构发生褶皱或卷曲时,火焰表面积增大,已燃气体与未燃气体快速掺混,导致燃烧反应速率和超压上升。进一步的理论分析阐明了火焰结构与瞬态超压的相互作用。

气流特征对水平长管内石松子粉尘爆炸火焰结构的影响

为探索气流特征对水平长管内粉尘爆炸火焰结构的影响,对采用加压送气传输方式形成的石松子粉尘云经静电引燃后其火焰在水平长管内的传播特性进行实验。利用热线风速仪测量不同气流条件下沿管径方向的速度分布和湍流强度分布,采用高速摄像系统记录了火焰在水平管道内的传播过程。实验观察到,即使管内石松子粉尘质量分数相同,仍然会出现2种不同类型的火焰结构:一种类型火焰轮廓规则、清晰,火焰中心为连续的黄色发光区并由红色边缘火焰包裹;另一种类型火焰空间离散,火焰发光区局部存在,散乱地呈现不规则状态。详细分析不同气流条件对火焰结构的影响。

湿空气扩散燃烧火焰结构特性研究

利用二维粒子成像速度仪(PIV)对钝体燃烧器中的甲烷／湿空气扩散燃烧的速度场进行测量,考察其火焰的结构特性及其内部流动状况。通过对湿空气燃烧流场与普通燃烧流场的对比分析表明,湿空气燃烧情况下,两种燃烧状态的火焰(回流燃烧火焰和中心射流主导火焰)相互转换的燃空速度比(γ)值要比普通燃烧的小;湿空气燃烧使得喷嘴后的同流空气的速度降低,空气的回流作用减弱,燃料更容易冲出回流区,火焰的稳定性能变差。

管道内甲烷煤尘复合火焰结构的实验

对管道中甲烷煤尘复合火焰结构进行了初步研究.采用高速摄像系统拍摄了甲烷煤尘复合火焰在垂直管道内传播过程的自发光图片;采用微细热电偶和离子探针技术分别测量了火焰传播过程中的温度分布和化学反应区的强度分布.研究结果表明:管道内甲烷煤尘复合火焰化学反应区的厚度约为15.6 cm,比单一甲烷空气预混火焰的化学反应区厚度要大两个量级.

甲烷射流扩散火焰结构试验研究

利用不同口径、不同流量的甲烷射流扩散火试验研究了射流扩散火焰结构特征,得到了射流火从层流燃烧到湍流燃烧再到吹熄的一般规律。结果表明,不同口径射流火在层流扩散燃烧与湍流扩散燃烧时火焰高度的变化各有不同。火焰最大高度出现在湍流扩散燃烧阶段。某些工况下燃烧出现脉动火焰现象,此时的火焰高度较小。

小尺度射流扩散火焰结构的实验研究

以液体乙醇为燃料,采用内径为1.0 mm的陶瓷管作为燃烧器,并通过在陶瓷管外放置内径为8.8mm的透明玻璃管形成受限空间,进行了受限射流扩散燃烧与自由射流扩散燃烧的对比实验研究,并对稳定燃烧情况下的火焰结构进行了光学可视化测量.结果表明:自由射流扩散火焰呈椭球状,受限射流扩散火焰呈圆锥状;在相同的乙醇流量下,受限射流扩散火焰的长度和宽度均小于自由射流扩散火焰;受限射流扩散燃烧时燃料和空气的混合效果要好于自由射流扩散燃烧,而且其火焰结构受浮升力的影响较大.