等温壁面条件壁面反应对微小通道内H_2/空气预混火焰的影响

为了考察等温壁面条件下壁面反应对微通道内氢气/空气预混火焰的影响,该文建立了考虑火焰中活性自由基与壁面相互作用的二维数值模拟程序。计算程序中气相燃烧采用氢气详细化学反应动力学机理,壁面反应采用改进的氢气壁面反应机理,改进的壁面反应机理包括5个吸附反应和7个解附反应。计算结果表明:等温壁面时,壁面反应会大量消耗壁面附近的H、O及OH等活性自由基,导致贴近壁面处燃烧反应减弱,靠近壁面处放热量减少甚至消失,进而使火焰总的热量释放率减少,火焰温度及传播速度降低,火焰拉伸减弱。随着壁面温度的升高,壁面反应作用越显著。考虑壁面反应时,壁面H自由基的覆盖度最大,对壁面反应影响最大。

壁面材料对微火焰熄火影响的实验研究

采用了两平行测试板间狭缝燃烧器产生的甲烷/空气预混火焰来考察材料对微火焰熄火的影响。实验结果表明,熄火距离与材料有关,同时随着壁面温度的升高而减小。燃烧前后测试材料的表面结构以及组成采用了X射线衍射(XRD)以及X射线光电子能谱(XPS)进行分析,结果表明不同材料的表面化学吸附氧的比例从高到低排列顺序为氧化锆陶瓷、硅片以及304不锈钢,这3种材料的熄火距离从小到大排列顺序分别为氧化锆陶瓷、硅片和304不锈钢,两者变化趋势一致。表面化学吸附氧对化学熄火起到重要作用,在相同的壁面温度下,材料表面的化学吸附氧越少,化学熄火作用越显著。实验还发现,表面粗糙度会影响材料表面的吸附特性而产生不同的化学熄火特性。

壁面条件对熄火特性影响的实验研究

利用多孔狭缝喷嘴考察了不同壁面条件对平行平板间甲烷/空气预混火焰熄火的影响规律,并采用表面分析手段探讨了不同材料对熄火特性的影响因素。实验结果表明壁面温度和表面特性都会影响熄火特性,熄火间距随着壁面温度的升高而单调减小,材料不同时熄火间距的差别在低温和高温时较小,在壁温为400℃时最大。化学熄火效应与表面化学吸附的OH基团有一定关联,即壁温相同时,表面的化学吸附氧越多,熄火间距就越小,反之亦然。

壁面附近火焰OH自由基行为的PLIF研究

利用OH-PLIF测试技术在狭缝燃烧器上考察了不同壁面条件对平行平板间甲烷/空气预混火焰壁面附近处OH浓度分布的影响。实验结果表明,随着壁面间距的减小,狭缝火焰出现不稳定传播现象,不同壁面温度下不稳定传播现象不同。壁面附近OH浓度越高,熄火间距越小。壁面附近的OH浓度是决定熄火间距的关键因素,而火焰的OH浓度峰值只表示中心火焰的强弱。光滑表面附近可以维持较高的OH浓度,熄火间距比粗糙表面小。

壁面反应对微小通道内燃烧影响的数值模拟

对微小通道内氢气/空气预混火焰进行了数值模拟。通过对比考虑壁面反应和不考虑壁面反应的微通道内燃烧特性的差异,考察了壁面反应对微通道内燃烧状况的影响,揭示了壁面附近自由基行为和壁面反应、气相反应的相互关系,并探讨了不同尺度下壁面反应效应的程度。结果表明,壁面反应改变了微火焰结构,近壁面附近的自由基被吸附,在径向上出现了明显的指向壁面的扩散流,使得气相中的自由基浓度降低,以H基尤为显著。壁面反应不但能够引起着火延迟,还能引起熄火点提前,从而降低了微火焰稳燃极限。在更小的燃烧尺度下,壁面反应降低微火焰可燃极限范围将更加明显。