旋流扩散燃烧中旋流数对热NO生成的影响

本文对旋流扩散燃烧进行了数值模拟，研究旋流数对热ＮＯ生成的影响，其中对湍流采用Ｒｅｙｎｏｌｄｓ应力方程模型，对燃烧采用ＥＢＵ－Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ模型，对热ＮＯ生成采用设定ＰＤＦ的模型。预报了不同旋流数下轴向和切向的平均和脉动速度、温度和ＮＯ浓度，指出随着旋流数的增大，计算得到的出口平均ＮＯ浓度首先升高然后下降。这一趋势和本文作者最近的实验结果的趋势一致．随着旋流数的增大，湍流脉动首先下阵然后升高，而进口附近的温度上升，二者综合效果造成上述趋势、因此在实际燃烧器中，完全靠改变族流数来控制ＮＯ生成是不现实的。应该采取其他方法来降低ＮＯ的生成。

小型预燃室周向燃油喷射旋流扩散燃烧的数值模拟

针对航空发动机燃烧室采用高温空气燃烧技术时的高温贫氧空气来源问题,设计了一个基于周向燃油喷射扩散旋流燃烧的新概念小型预燃室,并就周向燃油喷管的布置方式对小型预燃室内旋流燃烧状态的影响进行了数值研究。CFD数值模拟结果表明,当燃油喷管与法向夹角为30°-45°、余气系数为1-1.23时,小型燃烧室内产生稳定、壁面温度分布合理的旋流扩散燃烧。获得了具有合理出口温度分布、速度分布和氧浓度分布的高温贫氧空气。该预燃室为发动机燃烧室使用高温空气燃烧技术提供了条件。

湍流旋流扩散性燃烧温度脉动的数值模拟

气体温度的脉动直接影响到湍流中的化学反应,基于气体焓脉动均方值输运方程,给出了一种计算气体温度脉动均方值的方法。采用此方法对旋流燃烧室内湍流扩散燃烧的温度脉动特性进行了数值模拟,并将模拟结果与实验测量数据进行了对比。

合成气稀释旋流扩散火焰稳定性研究

通过激光诱导荧光(PLIF)和照相等方法研究了合成气稀释旋流扩散燃烧特性。研究了空气、燃料旋流强度及它们相互配合对火焰稳定性的影响,发现燃料空气反向旋流情况中在扩张段出口上方具有较高的OH浓度,说明这种流动组织方式加强了初始阶段的混合,强化了化学反应,从而有利于燃烧的稳定;在所实验的范围内,强化空气旋流和燃料旋流都起到稳定燃烧的作用;在燃料和空气出口附加扩张段能起到稳定火焰的作用,在一定范围内,扩张段张角对火焰形态影响较大,扩张段张角小,火焰细长,扩张段张角大,火焰粗壮。

基于反扩散火焰的低NO_(x)旋流燃烧器数值模拟

采用非预混稳态小火焰模型(Steady Flamelet Model,SFM)耦合110步甲烷燃烧简化机理和Realizable k-ε模型对反扩散-旋流低氮燃烧器进行模拟,对比分析了不同旋流角度(30°,45°和60°)及过量空气系数(1.05,1.10,1.15和1.20)下燃烧时燃烧室内各截面轴向速度分布、中心截面温度及NO_(x)质量浓度分布。详细研究了燃烧室内天然气与空气的燃烧特性及NO_(x)的排放规律。模拟结果表明:随着旋流叶片角度逐渐增大,燃烧室内回流作用逐渐增强,导致火焰长度变短、燃烧室内最高温度及出口NO质量浓度逐渐降低;在旋流叶片角度为60°时,出口NO质量浓度仅为114 mg/m^(3);随着过量空气系数逐渐增大,火焰末端温度逐渐提高,导致燃烧室出口NO排放量逐渐增大;在过量空气系数为1.2时,出口NO质量浓度达到294 mg/m^(3),相比于过量空气系数为1.05时,其NO排放量增加153%。

谈多功能混合燃烧器的应用研究

多功能混合燃烧器是针对天然气、煤层气(瓦斯)、煤气互为利用而研发的非标专用燃烧装置,它可广泛应用于多种加热设备中,它可使煤气、煤层气(瓦斯)、天然气单独使用这一燃烧器,也可使在可燃气体在混合炬中完成煤气、煤层气和天然气中各种成分的混合得到一维均相流模型,使用这一燃烧器,做到一机多用,节约了成本和空间.

等离子体助燃旋流扩散火焰的光谱分析

介质阻挡放电(DBD)辅助燃烧是等离子体技术领域发展起来的新的应用途径.本文利用CCD相机及光谱仪记录并分析甲烷-空气旋流扩散燃烧火焰形态及特征光谱,研究了等离子体激励的助燃、稳燃机理,分析了不同激励方式对等离子激励效果的影响。实验结果表明,等离子体激励放电会产生大量的自由基及活性基团,如CH,OH,O^+,O原子的各激发态能级及N_2第一正带系等谱线,其中重点分析了加电前后及不同激励方式下O原子(3s^3S^0→3p^5P,λ=777.5 nm)及氮气第一正带系B^3Π_g→A^3∑_u^+粒子(振动带波长为λ=891.2 nm)发射光谱变化,由于氮原子与氧原子均为加速燃烧的重要活性粒子,这些基团的产生使得甲烷更容易发生一系列链式氧化反应。定常激励产生的活性粒子浓度大于未经过等离子体激励及非定常激励下所产生的活性粒子浓度;经过等离子体激励后火焰根部更靠近燃烧器喷嘴底部,说明等离子体激励产生的活性粒子加速了链式反应的进行,缩短了点火迟滞时间.

一种可起到值班火焰作用的介质阻挡放电装置

为了增强燃烧的稳定性,提出了利用介质阻挡放电等离子体装置来实现值班火焰的思路。通过布置在燃烧器出口扩张段上的等离子体激励器产生等离子体,并在燃烧过程中一直保持等离子体激励器处于工作状态,这样产生的等离子体可以起到类似值班火焰的作用——稳定燃烧、防止熄火。该装置具有结构简单紧凑、功耗低、激励参数可以在线调节且不影响燃烧器结构设计等优点。基于实验研究考察了该装置对旋流扩散燃烧中不稳定抬升火焰的作用效果。火焰结构的观测通过平面激光诱导荧光测试系统来实现。实验中观测到随等离子体激励功率增大,火焰高度逐步降低向喷嘴出口位置靠近,且反应更趋紧凑,这初步验证了该装置可以稳定燃烧、防止熄火,表明通过介质阻挡放电等离子体装置来实现值班火焰的设计思路可行。

功率对空气分级NH_(3)、NH_(3)/CH_(4)火焰排放的影响

NH_(3)作为氢能载体,可实现氢能远距离输运。针对NH_(3)燃烧的反应性低、稳定性差、高燃料型NO_(x)排放问题,设计旋流燃烧器和空气分级燃烧室,实验研究功率为5~23 k W的NH_(3)、NH_(3)/CH_(4)扩散火焰NO_(x)排放特性。并采用化学反应器网络(CRN)进行化学动力学模拟,分析排放变化的原因。结果表明:5 kW、Ф_(pri)=1.05的条件下,NH_(3)火焰NO_(x)测量排放最低为114.4×10^(-6)@15%O_(2);随着功率升高,NO_(x)排放增加,且导致燃烧不充分、火焰延长,此时最佳Ф_(pri)提前、燃烧范围减少、NO_(x)进一步增加;本文的CRN更适合模拟预混燃烧的NO_(x)排放,而不是扩散燃烧;功率升高不会改变反应路径,但生成NO的基元反应速率的升高幅度略大于消耗NO的基元反应速率,从而导致NO排放升高.

多气源混合燃烧装置的研发

焦炉煤气、矿井气、天然气因压力、低热值不同,难以在一台锅炉上同时取得好的燃烧效果,鉴于此,研发了多气源混合燃烧装置(已获国家发明专利授权)。多气源混合燃烧装置主要由可燃气体混合装置、扩散燃烧器、送风机、可燃气体和空气配比控制装置、点火枪、火检装置、阀组、主控制柜等组成。在常规的结构设计上增加了一台缓冲罐,配备了一台专用变频风机和电动球阀,在吹扫、点火、气风比例、燃烧、负荷调节及熄火过程中均由程序自动控制,使焦炉煤气、矿井气、天然气既可以单独燃烧,也可以两种或3种气源同时燃烧。