微小多孔介质燃烧器内富氢甲烷全预混燃烧与热性能特性

提出一种可作为微小热源的填充多孔介质的带有瑞士卷预热通道的微小燃烧器,探究了不同燃烧室高度下燃烧器内60%氢气-40%甲烷-空气全预混火焰吹熄极限等燃烧特性.结果表明不同燃烧室高度下的火焰吹熄极限差别不大.同一燃烧室高度下,吹熄极限随雷诺数的减小而变宽,这主要是因为雷诺数较小时的火焰拉伸作用较小.大部分工况下火焰呈现规则的圆形.当雷诺数较大时,燃烧器上壁面外表面温度的最大值和平均值随当量比的增大均增大,同一当量比下增大雷诺数也是类似的结果.当雷诺数较小时,当量比对上述外壁面温度分布特性影响较小.可为实现清洁高效燃烧的全预混燃烧技术的工程应用提供理论基础.

航改燃机多点喷射贫预混燃烧室燃料分级实验研究

为保证多点喷射贫预混燃烧室在50%~100%载荷工况范围的NO_(x)和CO排放量满足排放标准,本文实验研究了燃料分级数及不同工况、进口压力、进口温度下燃料分级比例对七喷嘴燃烧室NO_(x)和CO排放的影响规律。结果表明:主模燃料不分级方案,50%~60%载荷工况CO排放量较高而不满足排放标准;主模燃料分两级方案,50%~100%载荷工况范围内NO_(x)和CO排放量均满足f_(NOx)≤25×10^(-6),fCO≤50×10^(-6)(@15%O_(2))的排放标准,且70%工况是打开主模第二级燃料的过渡工况点。另外随着进口压力和温度升高,能同时满足NO_(x)和CO排放标准的R_(pilot)(副模燃料质量流量与总燃料质量流量之比)范围逐渐缩小,且NO_(x)排放量与进口压力关系为F_(NOx)∝p30.44。因此采用主模燃料两级分级方案且适当调节R_(pilot),本文多点喷射贫预混燃烧室NO_(x)和CO能满足目前航改地面燃机燃烧室排放要求。

基于二次燃料喷射的预混燃烧室热声振荡主动控制方法

为了实现热声振荡的主动控制,基于燃气轮机模型燃烧室,实验研究了二次燃料喷射对热声振荡的影响。采用高频压力传感器和光电倍增管同步测量了燃烧室内压力振荡和CH*表征的释热脉动,采用高速相机捕捉了火焰结构,通过对实验数据的分析获得了热声振荡的产生机理和二次燃料喷射解耦热声耦合的作用机制。结果表明:涡流效应会引起火焰的周期性卷曲,导致火焰面积的变化,引发释热率的脉动,激发并维持热声振荡。二次燃料喷射可以显著降低热声振荡水平,当二次燃料占比5.0%时,声压幅值和均方根压力幅值分别降低了32%和35%;当二次燃料占比10%时,声压幅值和均方根压力幅值降低到噪声水平。二次燃料喷射可以改变火焰形态,随着二次燃料占比的增加,火焰抬升高度和火焰宽度相应增加,释热区域向燃烧室下游延展,火焰的非定常特性减弱。二次燃料喷射可以打破燃烧室压力和释热率之间的相位耦合,实现对热声振荡的主动控制。

工况参数对预混燃烧室热声振荡的影响

针对燃气轮机模型燃烧室,实验研究了工况参数变化对热声振荡的影响.实验测量了模型燃烧室内热声耦合过程中的动态压力和CH^(*)表征的释热率,采用高速相机捕获了火焰结构.结果表明,燃烧室动态压力和释热率相位差小于90°,燃烧室内发生了热声振荡;火焰的周期性卷曲会引起释热率的脉动,进而激发热声振荡.当热声振荡发生时,火焰结构和释热强度存在周期性波动,而稳定燃烧时基本保持不变.随着当量比的增大,热声振荡的主频和声压级增大;随着总流量的增大,火焰抬升高度和火焰宽度相应增加,释热区域向燃烧室下游延展.

基于AdapChem方法的甲烷预混和非预混燃烧数值计算

采用自适应化学理论AdapChem的方法对两种CH_4/空气部分预混、非预混火焰的燃烧过程开展了数值模拟工作。计算得到了两种燃烧工况下,几种重要的主量成分、非主量成分的浓度值;同时对反应放热和HCO之间的潜在关系进行了分析。通过对两种工况下模拟结果的比较,AdapChem方法合理预报了甲烷预混和非预混燃烧过程的各种物理化学特性,并达到了节约计算时间的目的。

直喷式柴油机预混燃烧期的研究

分析预混燃烧期是研究柴油机燃烧性能的重要内容。通过从预混燃烧期的基本定义出发,在发动机放热率曲线上拟合出了用以确定预混燃烧期终点的公式。并试验验证了公式对不同燃料的普遍适用性。试验研究表明：相同转速下同种燃料的预混燃烧期随负荷增加而缩短；负荷相同时,转速越高预混燃烧期越长。

燃气轮机燃烧室预混燃烧器天然气燃料/空气掺混均匀性研究

采用数值模拟与实验研究相结合的方法开展了应用于燃气轮机燃烧室的预混燃烧器中燃料/空气掺混均匀性问题研究。在CHEMKIN软件中建立化学反应网络模型,通过零维模拟研究了燃/空预混不均匀度对NO_x排放的影响规律。针对某预混燃烧器,从影响燃料/空气掺混均匀性角度,采用三维数值模拟手段对预混段长度和燃料孔径结构开展了参数化研究,评估了预混段长度对流场和组分场的综合影响,着重关注燃/空动量比对燃料射流深度的影响,进而分析其对燃料/空气掺混性能的影响。最后,选取2种典型预混燃烧器结构,实验测量了预混火焰在不同当量比工况下的OH分布和NO_x排放。结果表明,相同当量比工况下,2种预混燃烧器火焰结构相似,尺寸变化不大,但燃/空掺混性能更优的火焰OH峰值信号强度低,脉动小;燃/空预混不均匀度直接影响NO_x排放,尤其在高当量比工况下影响更加显著。研究结果将对预混燃烧器优化设计提供参考。

渐变型多孔介质中预混燃烧试验研究

提出了渐变型多孔介质(GVPM)中燃烧的设想,使多孔介质中流动及传热特性与燃烧规律相匹配,实现高效燃烧和低污染物排放的结合.对天然气在渐变孔径的多孔介质中预混燃烧进行了试验,得出了燃烧室温度分布和污染物排放结果,并与两种单孔径的均匀型多孔介质(HPM)中燃烧结果进行了对比.试验结果表明,渐变孔径的多孔介质燃烧器可以使燃烧室温度分布更加均匀,燃烧更加稳定,对于当量比的变化有更大的调节范围,CO和NOx等污染物排放更低.渐变型多孔介质结合了不同孔径的均匀型多孔介质的流动及传热特性,对燃烧室上下游热量分布进行合理调配,使得最高燃烧温度有所降低;由于孔径的变化,使火焰的稳定性增强.

一种微细型腔内氢气与空气预混燃烧的实验研究

针对微型涡轮发动机燃烧室的特点,搭建了氢气与 空气预混燃烧实验装置,采用耐热合金材料以电火花特种 工艺加工成型微细燃烧部件,开展了微细型腔燃烧特性实 验研究,测试获得了着火浓度极限和燃烧温度变化规律, 分析了运行参数对燃烧状况的影响。结果表明:由于微细 型腔外表面散热损失的增大,火焰传播速度减小,可燃浓 度范围明显缩小。在实验运行参数范围内,随着预混燃气 流速的增加,着火极限浓度减小。对于外径为毫米级的微 细燃烧腔,采用增压燃烧可以有效地扩大微型腔内的着火 浓度极限,提高燃烧稳定性。

多孔介质内层流预混燃烧的数值模拟

燃气与固体构架之间强烈的换热,使多孔介质内的燃烧与自由流中的燃烧有很大不同．模拟了甲烷／空气预混气在多孔介质内的一维层流燃烧过程,详细考察了多孔介质构架中的辐射换热和气固之间对流换热,并使用了详细化学反应机理,其计算结果能够较好地预测多孔介质内的各种燃烧特性．

燃气轮机富氢燃料预混燃烧实验研究

实现带有CO_2捕集的IGCC,需要研发燃气轮机富氢燃料燃烧室技术。基于阵列驻涡燃料-空气预混的概念,设计了燃气轮机富氢燃料燃烧室的阵列驻涡预混喷嘴,利用模型燃烧室实验研究了该喷嘴在燃烧多种富氢燃料工况下的性能。结果表明,阵列驻涡预混喷嘴在F级燃气轮机工况下燃烧富氢燃料,能够实现安全稳定低噪声工作,多数工况下NO_x排放降低到50 mg/m^3(@15%O_2)以下,展现出在燃气轮机富氢燃料燃烧室中的应用潜力,值得进一步研究。

自由堆积多孔介质内预混燃烧火焰传播

为了解多孔介质内预混燃烧火焰前沿的传播特性,对不同化学当量比(=0.7～1.0)的甲烷/空气预混气体在不同孔隙率(ε为0.37和0.42)的多孔介质内的火焰前沿传播特性进行了研究,多孔介质采用3mm和6mm直径的Al2O3小球在陶瓷管中堆积而成。结果表明,预混气体在多孔介质中能够形成低速燃烧的稳定燃烧波;其火焰传播速度随化学当量比增大而加快,最大的火焰传播速度为3.52×10-3cm.s-1;多孔介质的结构对火焰前沿传播速度影响很大,即使在孔隙率差别不大的情况下,大球堆积而成的多孔介质比小球具有更高的火焰前沿传播速度。

湍流非预混燃烧数值模拟的代数二阶矩模型

湍流燃烧数值模拟是研究燃烧的一种重要手段,采用的湍流燃烧模型是否恰当直接影响最终结果的准确性。在湍流燃烧中,化学反应速率不仅取决于当地的组分浓度和温度,而且与组分的湍流脉动也有密切关系。通过对湍流燃烧模型进行探讨,发现代数二阶矩模型(ASOM)能综合考虑湍流和反应动力学因素的影响,而且比其他复杂的模型简单。研究将组分混合速率对化学反应速率的影响在一个修正的代数二阶矩模型(RASOM)中进行考虑,更准确地计算出化学反应速率。为了验证模型的准确性,RASOM模型被应用到Sandia实验室测量的甲烷-空气非预混燃烧(Flame-D)的数值模拟中。模拟得到的结果与实验结果以及修正的涡破碎模型(EBU-A)和原ASOM模型的结果进行了对比,发现RASOM模型的效果较好。

乙烯-氧化亚氮层流预混燃烧过程研究

采用PREMIX模块模拟乙烯-氧化亚氮(C_2H_4-N_2O)预混体系在0. 1～1. 5 MPa下层流火焰传播速度,得到不同压力和氧/燃比下乙烯-氧化亚氮体系的火焰传播速度、火焰温度和燃烧质量流率变化。同时,采用层流火焰传播测试仪器对乙烯-氧化亚氮预混体系的层流火焰传播速度进行实际测定,通过对比火焰传播速度的测量值与计算值,验证选用模型的准确性和计算方法的可靠性。试验结果表明:所选用的USC机理模型可适应于研究预混气体层流火焰燃烧计算,当量比等于1. 18,压力0. 1 MPa时层流火焰传播速度达到最大值;当量比等于1. 18,压力1. 5 MPa时层流质量燃烧流量达到最大值;当量比为1. 35,压力1. 5 MPa时层流火焰达温度到最大值。

甲烷预混燃烧火焰的详细数值模拟

将六步简化甲烷燃烧反应模型与层流Ｎ－Ｓ方程相结合，数值模拟了定常与非定常的甲烷预混燃烧火焰．得到了速度、温度和包括ＣＯ和ＮＯ在内的十种组份的浓度分布；预测了进气流量脉动时的燃烧流场特性．该模型及其计算软件可较推确地模拟化学反应动力学起主导作用的甲烷预混燃烧现象，为研究燃烧过程特性，发展高效低污染燃烧技术与设备提供了有力的数值研究工具．

天然气在渐变型多孔介质中的预混燃烧

设计了孔径沿程变化的渐变型多孔介质(GVPM)燃烧器,为了解天然气在其中的预混燃烧特性,对燃烧室气体、固体温度分布和CO、NOx污染物排放进行了测量.试验研究了渐变型多孔介质中燃烧的温度场分布、火焰移动、污染物排放、稳定性及多孔介质孔径结构对燃烧特性的影响规律.将研究结果与几种均匀型多孔介质(HPM)中的燃烧进行比较,发现渐变型多孔介质中的燃烧可以有更多的优点,包括均匀温度场分布、极低污染物排放、高火焰速度、高稳定性、宽燃烧极限和有很大的负荷调节范围等.

EGR与喷油定时对柴油机预混燃烧颗粒排放的影响

采用试验方法研究了小负荷单次早喷射模式下EGR率和喷油定时对柴油机预混燃烧过程和颗粒排放的影响.结果表明:当喷油定时处于45°~35°,CA BTDC、EGR率不超过60%,时,积聚态颗粒物数浓度受EGR影响而增加的趋势较为缓慢,此时平均粒径大小在50~60,nm;当EGR率超过60%,达到70%,时,积聚态颗粒物数浓度急剧增加,此时数浓度的最大值所对应的平均粒径却减小到30~40,nm.当喷油定时处于30°~26°,CA BTDC时,积聚态颗粒物数浓度受EGR影响并不明显.随着喷油定时的推迟,核态颗粒物数浓度逐渐升高.当ηEGR≤60%,,总颗粒物数浓度受EGR率变化影响不大,但随喷油定时的推迟呈现逐渐升高的趋势,与核态颗粒物变化趋势一致;当ηEGR>60%,,总颗粒物数浓度随EGR率升高急剧增加,这是积聚态和核态颗粒物共同作用的结果.

喷射参数对柴油机预混燃烧和排放的影响

采用试验和数值模拟方法研究了中、小负荷下,喷油模式和喷油定时对柴油机预混燃烧和排放的影响.结果表明:小负荷(平均指示压力约为0.45,MPa)、单次喷油模式及喷油定时为35°,CA BTDC时,油束的撞壁位置将形成的混合气分为燃烧室上方和活塞凹坑两部分,可充分利用整个气缸内的空气形成均质混合气,此时的NOx排放最低.平均指示压力(IMEP)约为0.7,MPa时,采用单次喷油模式,喷油量增多,喷油持续期延长,混合时间缩短,碳烟、CO和UHC排放急剧升高;在混合时间和混合空间的共同作用下,喷油定时为35°,CA BTDC时获得最佳折中排放.IMEP约为0.7,MPa时,与单次喷油模式相比,采用多次喷油模式,将喷油量分为4个脉冲喷入缸内,增加了每个脉冲的混合时间,并且改善了燃氧混合空间,形成更均质的混合气,大幅降低了碳烟、CO和UHC排放;喷射定时为80、65、50和35°,,CA BTDC时获得最佳排放.

柴油机部分均质预混燃烧模式下混合与化学控制参数对指示热效率的影响

基于部分均质预混燃烧(PPC)的柴油机研究开发和优化了一种混合燃烧控制策略,在平均指示压力(IMEP)高达1.1,MPa的负荷范围内实现了高的指示热效率以及超低排放.燃烧过程中的混合与化学控制参数包括了喷油定时、喷油模式(如多脉冲喷射)、增压压力、EGR率以及进气气门关闭定时等,通过优化耦合以上控制参数可以优化控制当量比与温度的变化路径,从而避开NOx与碳烟(Soot)生成区.基于热力学第一定律,通过能量平衡的分析方法研究了混合与化学控制参数对热效率的影响.研究表明,相对于排放而言,热效率受控制参数的影响更加敏感.

钝体燃烧器湍流预混燃烧流动特性分析

采用粒子图像测速技术对钝体燃烧器出口下游流场进行了测量,比较分析了冷、热态流动结构以及速度对流场特性的影响.结果表明:钝体燃烧器冷、热态流动特性具有明显差异:冷态流场属于环流主导型,中心轴线上有前、后两个滞止点;而热态流场表现为射流主导型结构,并且随着中心射流流速的增大射流的主导作用增大,中心轴线上没有出现滞止点,并且中心轴线上速度最小值随着中心射流流速增大而减小且接近燃烧器出口,随着速度比的增大而增大且远离燃烧器出口;冷态条件下靠近燃烧器出口处湍动能较大,热态条件下燃烧器下游的湍动能较大,速度较高的工况具有较大的湍动能.