微喷管氢气非预混射流火焰燃烧特性

采用考虑详细化学反应机理的数值计算,对空气伴流中微圆管氢气非预混射流火焰进行了研究。不同流速下火焰OH基元分布数值计算与实验结果吻合较好。结果表明:当微圆管内径保持不变时,随着燃料速度减小,火焰最高温度逐渐降低。当燃料速度接近熄灭极限速度时,火焰最高温度开始急剧下降;微圆管氢气非预混射流火焰存在最小流速对应的熄灭极限;随着管壁材料热导率降低,火焰中心轴线上的最高温度逐渐升高,喷口处壁面温度也升高;管壁材料热导率对火焰熄灭极限速度影响不显著。

CH4/CO2非预混射流火焰燃烧特性实验研究

为了掌握含杂质生物沼气在工业燃烧装置中非预混射流火焰燃烧特性,对CH4/CO2非预混射流火焰在300 K和600 K伴流空气中的火焰形态、火焰高度以及推举高度进行了实验研究,并与CH4/N2非预混射流火焰燃烧特性进行对比.实验结果表明:在相同工况下,CH4/CO2火焰高度较低,但其推举高度高于CH4/N2火焰;两种火焰推举高度随伴流温度升高而降低.采用预混火焰模型对火焰推举高度进行了理论分析,得到了两种非预混火焰无量纲火焰推举高度与无量纲燃料流速的关联式.基于预混火焰模型的理论分析表明,预混气层流火焰速度及燃料和氧化剂密度比对非预混火焰的推举高度的影响较为显著.

基于CO-DAC反应机理简化的非预混射流火焰的大涡模拟

为了研究自相关自适应化学(CO-DAC)在湍流燃烧中的特性,计算了湍流非预混射流火焰Sandia FlameD的大涡模拟,使用了GRI-Mech 3.0详细化学反应机理以及CO-DAC简化方法.计算结果与实验值的对比表明,使用详细化学反应机理和CO-DAC机理简化,可以有效捕捉湍流火焰瞬时结构;可以根据燃烧场的特性,自适应地减少化学反应计算量,有效提高计算速度;可以准确模拟火焰的速度、温度分布特性;可以准确模拟火焰中重要中间组分和自由基的组分分布.

同轴射流非预混火焰闪烁特性及非线性分析

以同轴射流燃烧器为研究对象,对6 mm、11.4 mm和17.4 mm 3种燃烧器直径下的甲烷空气同轴射流扩散火焰进行数值模拟,研究了氧气质量分数在23%~48%内扩散火焰的闪烁特性。结果表明:使火焰稳定的伴流速度比值Ur随着燃烧器直径的增大而增加,3种燃烧器直径下抑制火焰振荡所对应的Ur值分别为0.647、2.2和11.4;作用在火焰面外部的涡旋随着Ur的增大逐渐向火焰下游推移,同时峰值闪烁频率增加,而火焰的振荡幅度逐渐减小,流动与换热特性由周期性振荡转变为混沌状态;火焰的振荡幅度随着氧气质量分数的增加而减小,当氧气质量分数为48%时,火焰的闪烁峰值频率为10 Hz,且火焰闪烁的峰值频率不随氧气质量分数发生变化。

火焰清理工艺中平行多孔射流非预混燃烧的研究

建立了远程控制燃烧试验台,研究了天然气和氧气的非预混燃烧过程,利用间接测温法分析了多孔射流燃烧火焰的温度分布规律.利用Realizable k-ε湍流模型研究平行多孔射流的流场特性,采用平衡化学反应模型研究射流的非预混燃烧过程,数值计算得出的火焰结果与试验数据吻合较好.结果表明:多孔射流的卷吸与合并能够加快气体的混合与燃烧;平行分布的45股射流在喷嘴出口附近趋于形成双孔合并,随着流动发展会发生再合并,最终表现为3股强射流火焰形态.

微型缩放喷管中氢气/空气预混燃烧实验研究

在最大内径2mm，喉部内径1mm的微型缩放喷管中进行氢气／空气的预混燃烧实验，获取稳燃范围、壁面温度、火焰起始位置等燃烧特性。缩放的喷管结构相比于等直径的圆直管和T形管拓展了稳燃范围，合适的当量比下，入口流速在3．4～41．4m／s的范围内火焰根部能稳定在缩放段燃烧。壁面温度和火焰位置受到流速和当量比的双重影响。壁面温度最大值出现在燃料稍有富余，当量比为1．4时。火焰起始位置随流量的增大向下游移动，随当量比的增大先向上游移动后向下游移动。通过选择合适的当量比和流速，能控制微喷管内的燃烧温度和位置，为微推进、微喷射等系统的设计和改进提供依据。

基于不同耦合模型的合成气非预混射流燃烧特性模拟

基于不同的化学反应机理、湍流模型和燃烧模型,采用8组不同耦合模型对CO/H2/N2合成气非预混射流火焰进行模拟计算,并与实验值进行比较,分析了不同耦合模型计算结果的准确性。结果表明:耦合模型4(37步14组分化学反应机理动力学模型PdM+RNG k-ε湍流模型+稳态层流小火焰燃烧模型SLF)和耦合模型8(化学反应机理GRI-Mech 3.0模型+标准k-ε湍流模型+EDC燃烧模型)对该火焰的模拟结果更为准确;采用SLF的耦合模型比采用EDC的耦合模型更能准确模拟火焰温度和主要组分的径向分布;采用耦合模型4能够获得该合成气非预混射流火焰的最佳模拟计算结果。

乙醇和二甲醚微射流火焰燃烧特性研究

采用实验及数值计算研究了乙醇和二甲醚微圆管射流火焰燃烧特性。通过实验观察到不同燃料流速下乙醇和二甲醚火焰都具有四种典型的火焰形态;使用平面激光诱导荧光测试系统获得了微射流火焰的OH基元分布,实验结果表明在较高流速下稳定燃烧的乙醇火焰比二甲醚火焰直径小,且略高于二甲醚火焰;采用考虑详细化学反应机理的数值计算对乙醇和二甲醚火焰进行了数值模拟,计算结果与实验现象吻合较好;利用一维非预混对冲火焰计算进一步研究了这两种燃料的化学反应路径,分析结果表明乙醇和二甲醚火焰的中间产物有显著差异,两种燃料化学反应特性的差异导致了不同的微火焰结构。

微型瑞士卷燃烧器中甲烷/空气非预混火焰的实验和模拟

对微型瑞士卷燃烧器内甲烷/空气的非预混火焰进行实验研究和数值模拟。实验中总共观察到6种火焰模式,即:单个火焰、较对称的双子火焰、振荡火焰、明显不对称的双子火焰、熄火和吹熄。燃烧能够维持的最小名义当量比(ф)和甲烷入口流量(FM)分别为0.4和0.02 L·min^(-1)。数值模拟较好地复现了火焰结构,并且揭示了火焰结构在垂直方向的不对称性。通过对比有/无考虑重力的模拟结果,发现浮升力对流场和火焰结构有重要影响。综上所述,本研究加深了对微型瑞士卷燃烧器中非预混火焰特征的了解。

微喷管甲烷非预混射流火焰燃烧特性实验研究

为发展微尺度燃烧器并拓展微尺度燃烧理论,对具有外部伴流空气的甲烷非预混微喷管射流火焰燃烧特性进行了实验研究。微喷管采用内径为710μm、425μm及280μm的不锈钢管,通过实验得到了微喷管非预混射流火焰的火焰形态、高度、最小熄灭流速及吹熄极限,并与常规尺度(管内径2 mm)非预混射流火焰进行了对比。研究表明微喷管射流火焰只有层流火焰一种形态;微喷管射流火焰高度主要取决于燃料流速而不受外部伴流速度影响;微喷管射流火焰的吹熄极限随伴流速度先增加后减小,而微射流火焰的最小熄灭流速受伴流空气速度影响较小,随管径减小微喷管射流火焰的可燃范围急剧减小。

针对射流火焰的条件矩封闭模型研究

针对较低Reynolds数下的射流火焰,使用直接数值模拟(DNS)数据,研究单条件矩和双条件矩封闭模型应用于此类火焰计算的特点和可行性.结果表明,单条件矩封闭模型在较小标量耗散率下能够较好地预测火焰结构,但在较大标量耗散率下则过高估计了火焰温度.双条件矩封闭模型可以改善预测精度,其模型系数α0、β0和γ0具有稳态特点.

微型能源动力装置及微尺度燃烧研究

基于燃料燃烧的微型能源动力装置具有高能量密度特性,可提供瓦到百瓦级的能量输出,因此在过去的20年间受到广泛关注。国内外学者研制了微型的燃气轮机、内燃机、推进装置、燃烧器、热电转换装置及热光电转换系统等不同类型的能源动力装置。然而,由于微尺度条件下燃烧环境和常规尺度存在差异,材料、密封及润滑等方面的技术瓶颈,目前大部分微型能源动力装置的性能未能到达预期的目标。由于微尺度燃烧基础理论有别于传统的常规尺度燃烧理论,随着其重要性的凸显,国内外学者对其进行了广泛深入的研究,更加清晰地揭示了微尺度火焰及燃烧的基本特性。本文首先介绍了国内外微型能源动力装置及系统的研究进展,然后对微尺度条件下预混及非预混火焰的研究现状进行了总结,在本文的最后部分提出了微燃烧相关亟待解决的科学及工程问题。

径向微通道中非预混甲烷-空气火焰实验研究

实验研究了非预混甲烷-空气火焰在直径为62.5 mm、通道间距为2.5 mm和3.0 mm的具有壁面温度梯度的径向微通道中的稳定性。通过数码相机和高速相机观察了不同的火焰传播模式和火焰形态,如稳定火焰、周期性动态分裂火焰、火焰破碎-最终吹熄行为等,得到了各种稳定和不稳定模式的谱图。此外,还研究了稳定火焰前缘平均半径随甲烷-空气名义当量比、气体进气流量、通道间距变化的变化情况。结果表明,火焰前缘平均半径随进气流量、通道间距增大而增大,随名义当量比减小而呈非单调性变化。