不同稀释条件下湍流扩散射流火焰推举和吹熄特性研究

为了安全高效地利用低污染燃烧技术,使用丙烷作为燃料,通过改变稀释气体种类(He/N_(2)/CO_(2))、燃料摩尔分数(0.5~1.0)和射流速度(1.5~55 m/s),采用实验方法研究了不同稀释气体下湍流扩散射流火焰推举高度和吹熄极限.研究表明,对于完全湍流推举火焰,当燃料摩尔分数由1.0下降至0.5时,射流速度每增加1 m/s,火焰推举高度由增加0.18 cm上升至增加0.34 cm(氦气)、0.45 cm(氮气)和0.59 cm(二氧化碳).通过在预混火焰模型中加入燃料摩尔分数这一表征稀释程度的项,修正了Kalghatgi提出的预混火焰预测推举高度模型.同时,当燃料摩尔分数从1.0下降至0.5时,火焰吹熄速度从55 m/s下降至26 m/s(氦气)、16 m/s(氮气)和10.5 m/s(二氧化碳),验证了Kalghatgi提出的预混火焰模型在预测不同稀释气体和稀释度条件下预测吹熄极限的适用性.

壁面冷却空气对贫油吹熄特性影响的激光诊断研究

针对燃烧室中冷却壁面的冷却气膜会影响燃烧室内的流场、改变回流区结构,从而影响贫油吹熄特性这一问题,在一带有气膜冷却的旋流燃烧室上开展了不同壁面空气占比下的贫油吹熄极限测量。结果表明:壁面冷却空气占比达到0.2时,不同燃油流量下,以全局空气流量计算,燃烧室吹熄当量比降低的范围在0.09~0.1之间;以主流空气计算,吹熄当量比降低范围在0.01~0.028之间。为了更加深入研究这一规律的原因,开展了平面激光诱导荧光(PLIF)激光诊断测量,可知引入壁面冷却空气后,OH基更集中分布在靠近燃烧室底部的火焰根部。在稳定火焰工况中,与近吹熄火焰相比,在燃烧室底部附近的火焰中央有大量OH基分布,这将有助于火焰的稳定,并拓宽贫油吹熄极限。米氏散射实验结果表明,引入壁面冷却空气后可使燃油液滴更集中分布在燃烧室底部附近,这将导致根部火焰局部当量比提高,易于形成稳定的火焰。结合所得实验结果,在所使用的旋流模型燃烧室内,加入占比为0.2的壁面冷却空气,可以拓宽燃烧室的贫油吹熄极限,有助于火焰的稳定。研究结果有望对带有冷却气膜的燃烧室的燃烧稳定性调控问题提供一定的理论指导。

固体材料对微型钝体燃烧器吹熄极限的影响

通过数值模拟研究了固体材料(石英、不锈钢和SiC)对微型钝体燃烧器内氢气/空气预混火焰的吹熄极限的影响。结果表明:计量比为0.5时,3个燃烧器对应的吹熄极限分别为36、25和21 m·s?1。理论分析揭示了微型钝体燃烧器中火焰稳定性与流动和传热之间的相互作用非常密切。当热导率较小时,通过壁面向上游传导的热量较少,壁面对未燃预混气的预热效果较差,燃烧后的气体膨胀相对较弱,从而钝体后的低速区面积较大,稳燃效果较好。对于不锈钢和SiC燃烧器,由于SiC的发射率更大,通过壁面的散热损失较大,从而使得其吹熄极限较小。为获得良好稳燃性能的微型钝体燃烧器选择合适的材料提供了指导。

细水雾吹熄灭火机理分析

对细水雾近距离扑灭油盘火焰进行了实验和理论分析。实验结果表明:利用水雾近距离扑灭油盘火时,水雾射流对火焰的吹熄作用是火焰熄灭的主导机理;气流对火焰的拉伸冷却和细水雾对火焰的蒸发冷却能使火焰的蔓延速度降低,对吹熄起促进作用;而化学反应动力学特征对火焰抵抗吹熄的能力也有重要影响。

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.

稀释对射流扩散火焰抬举及吹熄特性影响的实验研究

以低热值气体燃料的燃烧利用为背景,以N_2或CO_2稀释的甲烷或丙烷及内径2mm或3mm的喷管作为多重变量,实验研究了射流扩散火焰的抬举速度及吹熄速度随燃料稀释比的变化规律.结果发现,随着稀释比的增大,火焰抬举速度近似呈线性缓慢减小,吹熄速度近似呈指数快速衰减.分析表明,这主要归因于稀释导致了当量混合层流火焰速度、初始燃料质量分数及燃烧放热的减小,并对低热值气体燃料的燃烧器设计提出了建议.此外,大于临界稀释比时,附着火焰随射流速度的增大不能转变为稳定的抬举火焰而会发生直接吹熄,依据甲烷和丙烷临界稀释比对应的射流雷诺数推测出二者的临界稀释比可能受不同机理的控制.

钝体甲烷火焰高掺氢比吹熄机理的大涡模拟

基于开源软件OpenFOAM使用增厚火焰模型结合甲烷骨架机理,采用大涡模拟研究了实验室尺度高掺氢比甲烷钝体火焰吹熄的过程.通过对比相同流量不同掺氢比的甲烷氢气混合气火焰的吹熄过程,研究高氢含量对吹熄过程的影响.采用OH-PLIF和PIV测量了钝体火焰组分场和流场.模拟与实验结果吻合良好,模拟能够很好地捕捉火焰结构和流场信息.高氢含量工况的放热率显著提高,火焰高度明显降低,回流区长度明显缩短.在钝体火焰吹熄过程中,放热率的降低和拉伸作用对火焰吹熄有不同程度的影响,高氢气含量可以显著提升火焰的抗拉伸能力,但是高氢含量钝体火焰热释放速率的快速降低会导致火焰吹熄过程更为迅速.

直列预混微火焰吹熄特性的研究

实验测量了三个直列甲烷/空气预混微火焰的吹熄极限,同时利用R型微型热电偶对火焰的温度场进行测量,并建立模型模拟了冷态流场,考察了喷嘴间距、燃料当量比和预混气流速三个关键参数对火焰吹熄特性的影响。研究结果表明,三个直列预混微火焰吹熄特性与单个微火焰不同,随喷嘴间距减小,直列预混微火焰吹熄极限速度先增大后减小,存在一个喷嘴间距临界值使直列微火焰吹熄极限速度达到一个峰值,其原因是喷嘴间距改变导致火焰相互作用发生变化导致。

近吹熄RP-3旋流喷雾火焰结构实验研究

贫油燃烧是先进低排放航空发动机燃烧组织方式之一,但是会带来吹熄的问题.本研究针对不同热功率下RP-3航空煤油旋流喷雾火焰开展了激光诊断研究,进行了OH/Kerosene-PLIF同步测量以及OH-PLIF/CH^(*)自发光同步测量,阐述了喷雾燃烧稀燃吹熄机制.研究表明,不同热功率下吹熄极限几乎一致,并且近吹熄工况下火焰结构相似.在近吹熄条件下,一方面燃烧室下游的冷空气回流至内回流区,造成内回流区温度降低,另一方面燃油蒸发造成火焰根部的不稳定,两者相互作用导致了火焰的局部熄火,乃至整体吹熄.

甲烷及掺氢燃气吹熄极限的大涡模拟研究

利用大涡模拟法计算研究甲烷和掺氢燃气在悉尼非均匀入流射流燃烧器上的吹熄极限.利用GRI 3.0详细反应机理和28步、19步简化反应机理对比计算不同掺氢燃气状态下的层流预混火焰,证明了19步简化反应机理具有良好性能.利用动态增厚火焰燃烧模型结合19步反应机理,计算研究以掺氢燃气(体积比V(H_(2))∶V(CH_(4))∶V(CO)∶V(CO_(2))=0.2∶0.2∶0.27∶0.33)为燃料的悉尼部分预混中心射流火焰.计算得到在FA和FJ布局下,掺氢燃气的火焰吹熄极限速度分别为90 m/s和109 m/s,甲烷的火焰吹熄极限速度分别为74 m/s和128 m/s,分析发现吹熄极限的差异与不同布局下燃气与空气混合不均匀程度相关.研究表明,优化燃气与空气的进气布局和掺混过程可以提升燃烧稳定性.

掺氢天然气射流扩散火焰吹熄特性

【目的】将氢气与天然气混合燃烧有助于能源过渡的顺利开展。在接近吹熄极限的情况下向受限空间中注入大量燃料,一旦发生吹熄,燃料与空气混合后将在室内积聚,极易达到爆炸极限而引发爆炸,因此,准确预测掺氢天然气吹熄极限对氢能安全应用具有重要意义。【方法】搭建了掺氢天然气吹熄特性实验装置,研究了掺氢天然气射流扩散火焰的吹熄极限,分析了掺氢比、喷嘴直径对掺氢天然气吹熄压力、吹熄速度的影响。【结果】与纯天然气相比,掺氢后射流扩散火焰的稳定性更高,扰乱火焰时需要更大的管内压力;同一种燃料在大喷嘴直径工况下吹熄速度更快,这是因为在大喷嘴直径时射流雷诺数及火焰传播速度更快,需要更快的射流速度才能使火焰吹熄;掺氢比越大,通过增大喷嘴直径以获得更快吹熄速度的效果越明显,喷嘴直径由2 mm增至10 mm时,掺氢比由10%增至50%所致吹熄速度的增幅由1.88倍增至2.81倍。考察了将基于烃类燃料吹熄速度的经验关联式扩展到掺氢火焰的适用性,并基于Damköhler数提出了适用于掺氢天然气的吹熄速度预测模型。【结论】在燃烧器设计中,对于期望获得较快吹熄速度的掺氢燃烧器,可考虑通过适当增加燃烧器的喷嘴直径来扩大安全燃烧范围。研究成果对明确掺氢天然气火焰稳定性机理及其在工业燃烧器设计中的应用具有重要意义。(图6,表3,参25)

超声速气流中稳焰凹腔吹熄极限分析与建模

吹熄极限的研究对于超燃冲压发动机燃烧室中稳焰凹腔和燃料喷注方案的设计具有重要学术意义和工程应用价值.针对凹腔上游喷注燃料的火焰稳定过程进行了研究,从理论上分析了超声速气流中凹腔稳定燃烧的贫燃与富燃吹熄机制,基于剪切层稳燃模式,进一步考虑流场的三维结构,并结合横向射流穿透与混合模型,在有效当量比的计算、凹腔的卷吸过程以及燃料射流与凹腔剪切层/回流区的质量交换等方面改进了已有模型,重新定义了与吹熄过程密切相关的Damokhler数和有效当量比,并以两者关系为准则建立了描述富燃和贫燃吹熄极限的数学模型,进而通过实验数据验证了模型的有效性.

V槽稳定的空气/煤油部分预混火焰吹熄特性分析

分析了空气/煤油燃气发生器中V槽稳定的部分预混火焰富油吹熄过程的动力学特性.当来流中含有较多未蒸发液滴时,火焰锋面与剪切层存的相互作用比贫油预混火焰更加剧烈。当火焰面变形率超过熄火变形率之后出现局部熄火现象,反应物对流进入回流区并在高温燃烧产物的加热下迅速反应生成新的火核重新点燃来流.由于来流中含有大量未蒸发液滴以及燃料空间分布的不均匀,这种"熄火-再点火"频率约为30 Hz,高于贫油预混火焰的10 Hz。燃料蒸发掺混更加均匀使得火焰全部熄灭的现象消失,但存在燃烧不稳定,频率为20 Hz。随着火焰稳定器温度的增加,燃烧振荡的振幅减小,火焰稳定性变好。进一步提高来流当量比,火焰最终被吹熄。

阻塞比对微型钝体燃烧器吹熄极限的影响

开发了一种微型钝体燃烧器,实验和模拟均表明钝体能使吹熄极限扩大5倍以上.采用氢气/空气的详细反应机理,通过数值模拟研究了钝体的尺寸大小,即阻塞比(ζ)对火焰吹熄极限的影响.结果表明:当ζ分别为0.3,0.4和0.5时,吹熄极限分别为20,32和36m/s,即吹熄极限随着阻塞比的增大而增大;当ζ=0.3时,钝体后的回流区太小导致火焰在较小的进气速度下即被整体吹出燃烧室,而对于ζ=0.4和0.5的情况,火焰由于在高速下受到剪切层的强烈拉伸作用而导致熄灭,实验观察也证实了这一现象;由于反应区集中于燃烧室中央,高温气体对壁面的作用减弱,使得不同阻塞比的钝体燃烧器之间的散热损失差别不大.

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.

催化微燃烧室内氢气和氧气预混合燃烧特性

针对带催化的微燃烧室内部氢氧预混合燃烧过程,利用CFD计算软件建立模型进行数值模拟,在实验验证的基础上改变入口参数,分析了表面反应与气相反应的相互作用以及催化反应对火焰吹熄极限的影响。结果表明,表面反应对气相反应中间产物的消耗会使气相反应强度减弱;在催化剂表面附近的反应以表面反应为主,在远离催化剂表面的反应以气相反应为主。催化剂的添加能够极大地拓宽火焰吹熄极限,在当量比为1.0时,催化燃烧室和无催化燃烧室的吹熄极限分别为46、22 m/s。在当量比为1.0时,表面反应强度最高,此时燃烧室出口截面温度最高。

非稳态超声速燃烧研究进展

超燃冲压发动机内部的超声速燃烧过程已经得到了持续和广泛的研究。随着研究的不断深入,超声速燃烧基础研究的关注热点,也逐渐从以火焰稳定过程为代表的准稳态过程,转到了以燃烧振荡过程为代表的非稳态过程。目前,非稳态超声速燃烧及其调控已经成为超燃冲压发动机迈向真正实用化所必需解决的问题。本文以非稳态超声速燃烧作为研究对象,分别针对超燃冲压发动机燃烧室中的声学振荡、流动诱导的燃烧不稳定、点火过程、火焰闪回以及近吹熄极限的火焰不稳定这五个典型非稳态超声速燃烧过程进行了系统的综述,梳理了近年来关于非稳态超声速燃烧过程的研究进展,分析了非稳态超声速燃烧过程机理并给出了一些模型及调控方法。最后,为下一步开展非稳态超声速燃烧研究提出了建议。

预混湍流火焰的根部脉动特性

采用平面激光诱导荧光的测试方法捕捉本生灯预混湍流火焰的瞬态形态,重点分析火焰根部的脉动特性及其对火焰稳定的影响.采用挡环和多孔板式湍流发生器,分别形成边界层湍流和位势流湍流.实验结果表明,对于这两种湍流发生器,射流火焰根部的脉动幅度都随来流速度的增大逐渐增强;增大湍流发生器的特征尺寸或者降低混气当量比,都会加大火焰根部的脉动幅度.挡环尺度的影响则表明了临界尺度的存在.当挡环尺度小于临界尺度时,火焰根部的脉动不利于火焰的稳定,即随着挡环尺度的增加,火焰吹熄速度降低.而当挡环尺度大于临界尺度时,随着挡环尺度的增加,吹熄速度变大.因此湍流的产生区域对火焰吹熄速度有着重要影响.