模块装药膛内火焰扩散过程的理论研究

模块装药结构的复杂性增加了膛内发射过程实验诊断的难度与不可预计性．本文建立了两相流内弹道模型，考虑了模块运动以及初始装填分布等多方面因素．利用该模型计算结果与实验结果吻合得较好．该模型及程序可以用来模拟模块装药内弹道早期点火、火焰扩散、装药床的移动以及压力波的发展过程，从而为这类装药的设计提供了理论依据．

甲烷掺混对正庚烷扩散火焰中碳烟结构及氧化活性的影响

基于正庚烷层流扩散火焰系统以及热泳取样和探针取样系统,结合透射电子显微镜和热重分析技术,研究了甲烷掺混对碳烟颗粒的微观形貌、纳观结构和氧化活性的影响.研究结果表明,随着甲烷添加比例增大,碳烟的分形维数和平均基本粒子直径减小,表明碳烟颗粒的团聚程度下降,且生长受到抑制.此外,随甲烷添加比例增大,碳烟颗粒的微晶片层尺寸减小,曲率和层间距增大,表明碳烟颗粒的纳观结构有序度降低.另一方面,随着甲烷掺混比例从0增加到30%,碳烟样品的表观活化能减少了19.5 kJ/mol,氧化反应特征温度下降了20℃左右,表明氧化反应活性提高.氧化活性的升高与碳烟颗粒纳观结构有序度的下降和分形维数减小有关.

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.

甲醇/甲烷层流扩散火焰碳烟生成的模拟研究

为充分了解甲醇对碳烟生成的影响,构建甲醇/甲烷混合燃烧机理,耦合Moss-Brookes碳烟模型,建立甲醇/甲烷层流火焰燃烧模型,在保证碳流量一定的情况下,研究甲醇掺混比(质量分数)分别为0、10%、20%、30%、40%这5种掺混比的甲醇/甲烷层流扩散火焰的碳烟生成特性。研究结果表明:甲醇的添加会导致火焰的起燃位置降低,从而导致碳烟在火焰更低的位置生成。火焰中碳烟体积分数随甲醇掺混比的增加先增加后减小,在30%甲醇掺混比下火焰的碳烟体积分数峰值达到最大值,碳烟体积分数为4.12×10^(-8)。甲醇掺混比升高会使O和OH的峰值升高,但在30%甲醇掺混时,峰值会在轴向位置发生向上偏移,导致30%甲醇掺混时碳烟体积分数为最大值。

多孔材料下瓦斯爆炸反向扩散火焰演化行为研究

瓦斯燃爆灾害事故的防控与治理工作是目前燃爆研究领域的重点。为研究多孔材料对瓦斯爆炸火焰反向扩散行为的影响,预防二次燃爆灾害事故,利用10、20、40 PPI的多孔泡沫镍,分别安装在40、70 cm处进行了瓦斯空气预混气体燃爆实验。研究结果表明,40 cm工况下,火焰前锋传播至多孔材料表面处的耗时随着孔隙密度的增加而先减后增;70 cm工况下,火焰前锋传播至多孔材料表面处的耗时随着孔隙密度的增加先增后减。反向扩散火焰猛烈程度随着多孔材料孔隙密度的增大而减弱,爆炸火焰传播速度峰值和超压峰值均随多孔材料孔隙密度的增大而降低,三者均为泡沫镍距离点火端位置40 cm工况大于70 cm工况。工业现场中应选用孔隙密度较大的多孔材料以降低扩散火焰的猛烈程度,研究成果可对预防二次燃爆灾害的防控工作提供理论依据。

甲烷、丙烷掺混对乙烯扩散火焰中碳烟生成影响

鉴于日益严格的污染物排放法规和减排需求,研究燃料掺混燃烧对碳烟排放的影响是具有价值的。采用GRI-Mech3.0气相反应机理并结合详细的热力学和输运数据,对层流扩散火焰乙烯/甲烷和乙烯/丙烷混合燃料燃烧进行了数值模拟。对比分析了各工况的燃烧温度分布、碳烟分布以及重要中间组分浓度变化。结果表明,掺混甲烷和丙烷均导致乙烯扩散火焰中峰值温度和碳烟体积分数减小,相同掺混比下掺混甲烷的碳烟体积分数减小幅度更大。随着掺混比增加,温度和碳烟体积分数峰值分布向火焰下游发展,H自由基摩尔分数逐渐减小,OH自由基摩尔分数略有减少,C2H2摩尔分数逐渐减小且分布向火焰下游移动。在该研究的扩散火焰工况下,甲烷和乙烯掺混以及丙烷和乙烯掺混在碳烟生成方面均未发现协同效应。

氢气对掺氢正庚烷扩散火焰中碳烟特性的影响

基于正庚烷层流扩散火焰实验系统,结合热电偶测温技术、比色法测温技术、探针采样技术、发动机排气颗粒物粒径谱仪以及热重分析系统,研究了氢气添加量对碳烟体积分数分布、碳烟颗粒数密度、粒径分布以及氧化活性的影响规律.研究结果表明,由于添加量较低,氢气添加量对火焰温度的影响不明显;正庚烷扩散火焰中碳烟体积分数分布呈现中心高边缘低的规律,氢气的加入没有改变碳烟体积分数的分布特性,但降低了碳烟体积分数峰值,同时还降低了碳烟颗粒数密度峰值,并显著减小了碳烟颗粒粒径,表明氢气的加入可以抑制正庚烷扩散火焰中的碳烟生成;氢气的加入强化了火焰中碳烟的氧化,因此提高了被取样碳烟进一步氧化反应的活化能,降低了被取样碳烟的氧化活性.

高压直流电场作用下的甲烷-氧气层流扩散火焰稳定性

设计开发了直流电场作用下层流火焰实验系统,通过对甲烷-氧气非预混层流火焰施加直流电场,改变电极间距及燃烧当量比(氧气与甲烷实际物质的量之比与氧气和甲烷完全燃烧时物质的量之比的比值),对高速相机下火焰脉动幅度受电场影响的变化规律进行分析,探究了直流电场对火焰稳定性的作用及电场约束火焰的可行性。结果表明:对于存在脉动的层流扩散火焰,当对其施加高压直流电场时,火焰受到离子风的作用,其脉动幅度会逐渐减弱直至趋于稳定状态,且火焰稳定时所对应的电场强度与其初始的脉动幅度有关,初始振幅越大则火焰稳定所需的电压越高。同时,电极间距的改变也会影响火焰稳定时所需的电场强度,当电极间距改变较大时,对同一当量比的火焰,间距越大则所需的稳定电压就越高。

二聚环戊二烯掺混对正庚烷扩散火焰碳烟特性的影响

为研究二聚环戊二烯(DCPD)燃料添加剂对碳烟颗粒生成演化的影响,采集掺混不同比例DCPD的正庚烷反扩散(IDF)及正扩散(NDF)火焰中的碳烟颗粒,使用高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)、拉曼光谱(RS)和热重分析仪(TGA)分析碳烟颗粒的微观结构、石墨化程度和氧化活性.结果表明:在反扩散火焰中,随着DCPD掺混比例从0%增加到20%,颗粒中类液状物质显著减少,碳烟颗粒平均微晶尺寸增长,且平均微晶曲率降低,石墨化程度提高,氧化活性降低,表明在反扩散火焰中DCPD对初生碳烟具有促进其生长的作用.而在正扩散火焰中,随着DCPD掺混比例从0%增加到20%,碳烟颗粒粒径显著增加,微晶尺寸降低,微晶曲率升高,石墨化程度降低,氧化活性升高,表明正扩散火焰中DCPD可以通过改变碳烟颗粒的微观结构来增加其氧化活性.

氨气影响乙烯层流扩散火焰颗粒微观结构的试验研究

为分析双燃料燃烧下氨气燃烧对所产生颗粒微观结构性质的影响,该文以乙烯和氨气/乙烯层流扩散火焰为研究对象,借助同轴扩散火焰设备和高倍透射电镜,通过探针取样的方法对层流扩散火焰中不同火焰高度(15 mm和30 mm)进行颗粒微观结构性质分析。结果表明:较于乙烯火焰,添加氨气后,火焰着火高度从7 mm上升至12 mm,颗粒形貌呈现葡萄状或者链状的团聚体结构;在火焰高度15 mm处,团聚体的分形维数由1.85增加至2.15左右,上升约16.2%,颗粒物堆叠程度增大;团聚体由数十至数百个基本碳粒子组成,平均直径分布在20~25 nm,使用氨气后,基本碳粒子平均直径增大约6%,同时其微晶间距减小,微晶长度增大,曲率减小,颗粒物更加稳定。

工业燃烧室天然气湍流扩散火焰长度影响因素分析

通过1.3MW级工业燃烧器实验验证商用CFD软件计算天然气湍流扩散火焰长度的有效性。以天然气(含有95%CH4和5%N_(2))为燃料,以直径为300mm、长度为1200mm的圆筒形燃烧室中、燃气孔径基本尺寸2mm的同轴射流扩散火焰为研究对象。采用数值计算的方法研究了燃气流量、喷孔孔径、助燃风特性等多种因素对火焰长度的影响规律。研究结果表明:在天然气湍流扩散火焰中,当孔径不变燃气流量增加一倍,火焰长度由652mm增加到782mm,增长19.9%。当燃气流量不变孔径增加一倍,652mm增加到1012mm,增长55.2%。改变燃气孔径是控制湍流扩散火焰长度的有效手段;在一定氧含量范围内,与助燃风氧含量相比,湍流火焰长度对助燃风速度的变化更加敏感。该研究对评估天然气燃烧装备性能和优化燃烧室设计具有重要的应用价值。

基于辐射光谱的对冲扩散火焰碳烟温度和体积分数的测量实验研究

对冲扩散火焰是研究碳烟生成特性的理想平台,温度是碳烟生成的重要影响因素,碳烟体积分数是衡量碳烟生成率的重要指标,因此对冲火焰中碳烟温度和体积分数的准确测量对于开发减少碳烟排放策略至关重要。文章基于碳烟多光谱辐射(soot spectral emission,SSE)方法同步测量对冲火焰中的碳烟温度和体积分数。考虑到对冲火焰空间尺度小,需要较高测量空间分辨率和位置精度的特点,开发一种用于对冲火焰精准测量定位的方法,有效地提高实验测量的位置精度;同时建立一套基于热电偶的光谱响应函数原位标定系统;最后使用SSE方法对常压环境不同工况下乙烯对冲扩散火焰的碳烟温度和体积分数进行测量。测量结果验证了对冲火焰碳烟温度场和浓度场的准一维性质;通过与消光法实验数据和采用详细化学反应机理的数值计算结果的对比,验证了SSE方法测量对冲火焰中碳烟温度及体积分数分布的可行性。

细水雾抑制扩散火焰的研究

通过实验和数值模拟研究了细水雾抑制扩散火焰的过程和物理机制．细水雾抑制扩散火焰主要是通过汽化隔氧、冷却燃料和氧化剂以及吸收部分热辐射降低热回馈等效应，降低化学反应速率及火焰的传播速率，达到控制和扑灭目的．在通风控制时，通风条件越差，抑制效果越好．在实验研究基础上提出单喷头细水雾抑制扩散火焰的一维数值模型。

不同空气和燃料旋流强度下合成气稀释扩散火焰特性研究

针对合成气旋流扩散燃烧开展研究,测量燃烧中间产物OH自由基浓度及火焰温度分布,研究不同燃料和空气旋流强度对合成气旋流火焰的影响。实验结果表明,燃料旋流和空气旋流对合成气旋流扩散燃烧均有重要影响,燃料旋流对火焰结构的影响则更大。随着燃料和空气旋流数的减小,火焰面变薄,不连续的火焰面增多,被卷吸到回流区的OH自由基和高温反应物减少,容易导致燃烧不稳定。在扩张段出口区,温度和OH自由基的浓度分布有较好的对应关系,高OH浓度区域对应温度较高的区域。

细水雾抑制气体扩散火焰的机理研究

应用三维LDV/APV系统和热成像方法,测量了细水雾和气体扩散火焰作用过程中的细水雾雾场、火焰温度场并研究了细水雾和气体扩散火焰的作用过程.探索了细水雾抑制火焰的机理和规律,比较了细水雾抑制气体扩散火焰时3种主要灭火机理.用数据定量表征了细水雾灭火时,水雾的蒸发潜热吸热作用、热容吸热作用以及稀释氧气作用对抑制气体扩散火焰所做的贡献.细水雾直接喷射或被卷吸进入火焰内部时,由于表面积大,吸收热量快,迅速汽化,体积扩大.大量的汽化潜热会降低火焰区及气相燃料的温度,细水雾及其蒸汽吸收部分热辐射,降低对燃料的热回馈,减少其汽化蒸发,从而降低反应区的可燃气体积分量.这些因素都会大大降低化学反应速度,抑制火灾的发展,直至扑灭火灾.

微尺度扩散火焰特性的数值解析

本文以均匀空气流中圆管形成的甲烷射流扩散火焰为对象,用数值解析的方法研究了微尺度扩散火焰的火焰结构和燃烧特性。燃烧反应采用甲烷/空气一步总包反应,喷管壁面采用绝热条件。在Re一定情况下,改变喷口尺寸和喷口流速考察了微扩散火焰的结构和火焰熄灭的尺度效应。数值结果表明,随着喷口直径的增大,微火焰的上方出现回流; Re=12条件下,在喷口直径=0.07 mm时存在熄灭极限;稳定燃烧区的最小发热率约为0.5 W;微尺度条件下,Da数对火焰结构和火焰的熄灭有一定的影响。

微尺度甲烷扩散火焰特性的数值解析

以均匀空气流中圆管形成的甲烷扩散火焰为对象,用数值解析的方法研究了微尺度扩散火焰的火焰结构和燃烧特性．燃烧反应采用甲烷／空气一步总括反应,喷管壁面绝热．在Re一定的情况下,改变喷口尺寸和喷口流速,考察了微扩散火焰的结构和火焰熄灭的尺度效应．计算结果表明,Re=12条件下,喷口直径为0．07 mm时达到熄灭极限;稳定燃烧区的最小总放热率约为0．5 W;微尺度条件下,Da对火焰结构和火焰熄灭有显著影响,熄火附近的Da的数量级在0．01．

热辐射对富氧扩散燃烧火焰结构和氮氧化物生成的影响

揭示了富氧燃烧过程中的火焰结构和氮氧化物生成机理,针对富氧火焰特性探讨NOx的抑制机理。本文以对向流扩散火焰为对象,利用基于详细的基元反应动力学模型的燃烧数值解析方法研究了热辐射对富氧空气(氧浓度为60%)/甲烷扩散火焰中火焰结构和氮氧化物生成的影响。结果表明,在速度梯度较大时,辐射对燃烧特性的影响可以忽视,当速度梯度κ减小到约20s-1以下,辐射的影响逐渐明显,需要考虑辐射项;同时发现随着速度梯度的减少,总的NO质量生成速率随着速度梯度的下降逐渐增大,在κ≈33.3s-1时达到峰值后又开始下降,直至熄火。

甲烷/富氧射流扩散火焰NO_x的排放特性

对甲烷/富氧同轴射流扩散火焰燃烧条件下氧化剂流速对NOx排放的影响进行了实验研究.通过对火焰径向温度分布、火焰形态以及喷嘴出口附近扩散燃烧的流场的观测,分析了不同条件下NOx的生成特性.结果显示,在保持氧化剂流量不变的条件下,NOx排放指数EINOx随氧化剂流速的增加而减小,在保持氧浓度及过量空气系数不变的条件下,小火焰有利于保持较低的EINOx.

微尺度甲烷扩散火焰及其熄灭特性

用不同直径微/小尺度圆管对甲烷在空气中的扩散燃烧进行实验研究,分析了微/小尺度火焰的结构,考察了影响火焰高度的相关因素,详细探讨了火焰的熄灭极限特点,并拟合了淬熄速度与喷管出口直径d之间的经验关系式.结果表明,火焰的高度与喷管出口速度呈线性关系,随d减小而减小;H/d(火焰高度/喷口直径)与出口处Re值成正比,与d无关;随尺度d的减少,下限(淬熄速度)增大,火焰的稳燃区间变小,稳定燃烧条件苛刻.