球形火焰分形维数的计算方法

根据分形理论,应用盒维法、圆环面积法以及圆规法计算了球形火焰的分形维数,比较了3种方法之间的差异,然后以掺氢乙醇-空气球形火焰为例,分析了火焰分形维数随掺氢量的变化关系.结果表明,在计算球形火焰分形维数方面,盒维法相对于圆环面积法和圆规法具有更高的准确性;分形维数能够反映出球形火焰在传播过程中稳定性的变化规律,其结果与直接观察火焰纹影图片得到的结论一致.

非均匀电场对球形火焰特性的影响

在定容燃烧装置上,研究了非均匀电场对不同过量空气系数的条件下球形火焰特性的影响.结果表明,在非均匀电场作用下,各过量空气系数对应的火焰形状均发生了显著变化,水平方向火焰被拉伸,竖直方向火焰变形较小;当过量空气系数为0.8、1.0、1.2和1.4时,火焰横向传播速率均增加,横向平均传播速率分别提高23%、21%、50%和49%;特别当过量空气系数为1.2和1.4时,燃烧初期压力升高率增大,最大压力分别提高2.8%和7.4%,压力峰值出现时刻分别提前15.4%和26.8%.

微波辅助点火对甲烷预混球形火焰的影响

基于微波等离子体辅助点火可视化试验台架和分离影响因素的研究思路,试验了不同脉冲频率和峰值功率下微波辅助火花塞的放电特性,以及当量比为0.6~1.0、环境压力为0.1~0.7 MPa下的甲烷-空气预混球形火焰的着火及传播特性.干放电试验结果表明:微波脉冲频率为1 kHz时,由于第一个微波脉冲正处于放电电子密度高峰时刻,微波对火花塞放电核心膨胀的加速作用最明显,随着微波脉冲频率的增大,微波强化放电的效果减弱;随微波源的峰值功率增大,微波脉冲对放电的强化作用愈发明显.点火试验结果表明:频率为1 kHz、峰值功率为1 kW微波脉冲的馈入,使当量比为0.6、环境压力为0.1 MPa下的早期火核生长速度提升了60%,随着当量比的增加,微波对火焰发展的增强幅度减小;随着环境压力的增加,微波对点火的增强作用减弱.总之,微波对火焰发展的增强作用主要是对初始火核发展的促进;在火焰后期,燃料燃烧的热能远大于微波能量,导致微波的馈入对后期燃烧过程没有明显影响.

交流电场电压幅值对球形火焰影响的理论研究

为了获得高频交流电场电压幅值对球形扩展火焰的影响因素,运用电磁学原理进行了研究,得出:以两网状电极为底面的圆柱体中任意一点在任意时刻产生的电磁能量大小与交流电电压有效值的平方成正比,与该点到圆柱体轴心的距离成正比,在圆柱体中电磁能量密度沿径向递减;电磁能量产生的热效应和电化学效应可提高火焰平均传播速度,电磁能量密度的不均分布会引起火焰变形。同时,通过对常温、常压下定容燃烧弹中3种过量空气系数的甲烷-空气预混球形扩展火焰的平均传播速度和形状变化与加载交流电压有效值的关系进行了实验验证,结果表明:当电压有效值小于2kV时,电磁能量以热效应的方式促进火焰传播,当电压有效值大于2kV时,电磁能量以电化学效应的方式促进燃烧;实验中电磁能量密度的不均匀分布导致了火焰横向拉伸。

用几何建模方法计算球形火焰在汽油机燃烧室中的传播过程

提出了一种先用 3D造型软件建立燃烧室的几何模型 ,再利用 3D软件的二次开发技术来求解已燃区容积和火焰前锋面积的通用方法—几何建模方法。使用了 2种圆筒型燃烧室进行模拟计算来验证该方法的可行性和精确度。

CO_(2)稀释条件下微波辅助点火对早期甲烷空气球形火焰的影响

在定容燃烧弹中利用甲烷空气球形火焰探索了微波辅助点火(MAI)技术在CO_(2)稀释条件下的点火性能。通过对比环境压力0.2 MPa下点火后火焰核心半径以及形貌等特征,评估了MAI在CO_(2)稀释比0~20%以及当量比0.6~1.4范围内较火花点火(SI)模式的增强效果。试验结果表明,脉冲重复频率为1 kHz的微波可以在火焰表面诱发褶皱并使火焰明显变形。在当量比0.75的条件下,采用MAI模式将CO_(2)稀释比极限拓展到了16%,而在此条件下SI模式无法点燃混合气。随着CO_(2)稀释比由0增大到16%时,微波诱发的火褶皱愈发不明显,而微波对火焰半径的增量在CO_(2)稀释比为4%时达到峰值。这被认为是随着CO_(2)稀释比的增加,微波引起的反应动力学增强与热效应之间此消彼长共同作用的结果。8%的CO_(2)稀释比明显缩小了SI点火的可燃当量比范围,而MAI可以维持相同的点火当量比范围。

辐射热损失对球形火焰传播速度的影响

本文通过理论分析和数值模拟系统地研究了辐射热损失对球形火焰传播速度的影响。研究结果表明辐射热损失的影响分为直接影响和间接影响;直接影响指辐射热损失会降低火焰温度,从而降低火焰传播速度;间接影响指辐射热损失导致的冷却会引起逆向火焰传播的流动,从而降低火焰传播速度。对近可燃极限预混气体,直接影响起主导作用;对高辐射强度预混气体,间接影响起主导作用。本文研究的结果对球形火焰法测量火焰传播速度有着重要的指导意义。

电场分布对球形传播火焰变形率的影响

针对电场作用下球形传播火焰的变形问题,利用Maxwell 14.0软件分别对点状、环状、直径为20mm和60mm的网状等4种电极产生的电场进行了模拟,同时在常温、常压下,定容燃烧弹中过量空气系数为1.2时,通过对这4种结构的电极施加负电压(-5kV和-10kV)对甲烷/空气预混火焰在不同方向(与水平方向夹角为0°、15°、30°、45°、60°和70°)上的火焰变形率进行了研究。结果显示:施加负电压时,环状电极下的火焰在不同方向上的平均变形率最小,点状电极的次之,直径为20mm网状电极比点状电极的稍大;直径为60mm网状电极下施加-5kV电压时,火焰在不同方向上的平均变形率与点状电极的差别不大,施加-10kV电压时,火焰在大于45°方向上的平均火焰变形率最大。由此表明,环状电极的电场分布有利于火焰的均匀发展,可以降低火焰淬熄的可能性。

低频和高频交流电场对球形膨胀火焰的影响

为比较不同频率的低频和高频交流电场在辅助燃烧方面的作用,在定容燃烧弹中对交流电场作用下的甲烷/空气预混贫燃火焰的燃烧特性进行了研究,分析了不同频率的低频和高频交流电场对火焰传播速度和燃烧压力的影响。结果表明:交流电场作用下,火焰在水平方向被拉伸,且拉伸幅度随着频率的不同而有所差异。低频交流电场作用下,平均火焰传播速度和燃烧压力均随着频率的减小而增大,而对于高频交流电场,其规律则相反。与未加载电压相比,当过量空气系数α=1.6,加载电压有效值U=5k V,频率f=40Hz,60Hz,80Hz,100Hz,10k Hz,15k Hz,20k Hz,25k Hz时,平均火焰传播速度分别提高72.41%,55.17%,48.28%,39.66%,62.07%,70.69%,81.03%,87.93%,相对燃烧压力增大率的最大值分别为0.65,0.58,0.48,0.28,0.29,0.51,0.67,0.86。研究表明,高频交流电场在电场助燃方面比低频交流电场更有优势。

直流电场对不同初始压力球形膨胀火焰的影响

为研究不同初始压力下直流电场对燃烧的影响机理,在常温、初始压力为0.1~0.5 MPa条件下,在定容燃烧弹中对直流电场作用下的甲烷/空气球形膨胀火焰的燃烧特性进行研究,分析不同初始压力下直流电场对火焰传播速度和燃烧压力的影响。研究结果表明:施加电场后,火焰在水平方向上发生明显形变,随着施加电压的增大,火焰形变、火焰传播速度、压力峰值、火焰面褶皱系数均增大,在高初始压力下,这种现象更加明显,火焰不稳定性明显增强;施加电压后,电体积力随着初始压力的增大而增大,火焰传播速度增大率、压力峰值增大率与电体积力密切相关;火焰传播速度增大率、压力峰值增大率、火焰面褶皱系数与负离子风发展程度ξ的相关性系数分别为0.992,0.991和0.991,说明正是由于ξ不同导致正直流电场对火焰作用不同。

甲烷-正庚烷混合物的预混层流火焰研究

利用球形传播火焰试验和一维平面火焰数值模拟对0.1 MPa、393 K条件下甲烷-正庚烷混合物的预混层流燃烧特性进行了研究,其中当量比从0.7到1.5、甲烷含量从0到100%,.结果表明:随着甲烷含量的提高,甲烷-正庚烷混合物的层流燃烧速度和Markstein长度首先基本保持不变,呈现出与正庚烷类似的特性,当甲烷含量达到75%,时,其层流燃烧速度和Markstein长度开始不同于正庚烷,逐渐发生变化.结合层流燃烧速度的敏感性分析,对混合物一维平面火焰中主要自由基的浓度和主要基元反应的反应速率随甲烷含量的变化进行了研究,发现当甲烷含量增至75%,时,主要自由基(·H、·OH和·O)的摩尔分数峰值和基元反应(R1 H+O_2=O+OH、R24 CO+OH=CO_2+H)的反应速率峰值都开始发生变化.

奇异摄动在层流预混火焰理论研究中的应用

奇异摄动被广泛应用于求取力学问题的近似解.一个典型问题就是流体力学中的边界层.郭永怀先生曾发展了适用于平板黏性流动边界层问题的奇异摄动理论.类似于流体力学中的边界层,燃烧研究中的层流预混火焰也可以通过奇异摄动理论进行分析,在燃烧研究中通常称其为大活化能渐近分析.本文介绍了大活化能渐近分析在一维平面预混火焰和球形传播火焰中的应用及相关研究进展.首先介绍了预混火焰结构及其涉及的不同特征尺度,分析了大活化能条件下出现的特征尺度分离,并给出了关于平面预混火焰大活化能渐近分析的详细推导,讨论了热辐射对火焰传播的影响;然后介绍了大活化能渐近分析在点火与球形传播火焰方面的应用,指出了只有能够同时描述点火与球形火焰传播的理论才能准确地预测临界点火条件,并讨论了考虑链式反应的点火与火焰传播理论,分析了热辐射对球形火焰传播的影响,给了关于火焰稳定性理论研究的发展趋势.最后,基于当前研究进展对未来的研究方向进行了展望,其中涉及多步化学反应、低温冷火焰、复杂流动、辐射重吸收等.

丙基苯/空气层流燃烧速率的实验研究

利用球形火焰法测量了常压下、温度为353~400K、当量比为0.6~1.4的丙基苯/空气预混气的层流燃烧速率.结果表明,不同初始温度下测得的丙基苯/空气预混物无拉伸层流燃烧速率均在当量比1.1处达到最大值;随着初始温度的升高,丙基苯/空气预混物的拉伸火焰传播速率、无拉伸层流燃烧速率均会增加;并从不同初始温度下的Markstein长度与当量比的变化关系中发现,Markstein长度会随着当量比的增加而减小,在当量比为1.4时出现负值;同时,Markstein长度会随着温度的增加而略微减小.

2-甲基四氢呋喃-空气混合气层流燃烧特性

利用定容燃烧弹和高速纹影摄像系统,研究了不同压力和温度下的2-甲基四氢呋喃-空气混合气的球形扩张火焰.使用了非线性方法对试验数据进行处理,最终得到了初始压力为0.1～0.4 MPa、初始温度为373～453 K及当量比为0.7～1.6的无拉伸火焰传播速度、层流燃烧速度和马克斯坦长度等层流燃烧特性,并使用详细反应机理进行了化学动力学分析.2-甲基四氢呋喃的无拉伸火焰传播速率和层流燃烧速度都在当量比为1.1左右达到峰值.随着初始温度的升高和初始压力的降低,无拉伸火焰传播速率和层流燃烧速度有大幅度的提升.使用反应动力学机理得到的计算值与试验值相吻合.在初始压力为0.4 MPa的试验中观测到了火焰面的不稳定现象,大当量比时的马克斯坦长度很小,流体力学不稳定性也随压力上升而大幅度升高.通过化学动力学分析,小分子物质之间的反应对燃烧过程起到了主要影响.燃料消耗最多的路径是通过在2、5号位脱氢,从而在氧化过程中产生了较高含量的乙烯、丙烯等中间产物.

甲烷-正十二烷-空气混合物预混层流燃烧特性的试验分析

考虑利用甲烷-正十二烷作为天然气-柴油的替代物燃料,通过向外传播的球形火焰试验装置测算甲烷-正十二烷-空气混合物的预混层流燃烧特性,结果表明,随着正十二烷在混合燃料中摩尔含量的增加,甲烷-正十二烷-空气混合物的层流燃烧速度及火焰的马克斯坦长度先迅速朝着与正十二烷类似的特性发生变化,然后在正十二烷含量达到约25%后变化开始平缓。

二甲醚球形扩散火焰的熄火机理研究

采用改进的PREMIX模型及“化学爆炸模式分析(CEMA)”方法,对二甲醚(DME)球形扩散火焰的熄火机理进行数值诊断,分析环境氧气摩尔分数(XO2)及详细基元反应对熄火极限的影响,利用“爆炸因子”和“分岔因子”的概念,确定控制DME球形扩散火焰熄火的关键反应动力学因素。结果表明:DME冷焰具有比热焰更宽的可燃范围;冷焰对XO2的敏感性弱很多,热焰中具有正特征值的CEM首次出现在最高温度处;在熄火极限附近,CEM的特征值变为虚数,说明熄火伴随着振荡;热焰的熄火主要由小分子所参与的高温反应所控制,而冷焰熄火主要由大分子所参与的低温反应所控制。

掺氢对乙醇-空气预混火焰不稳定性的影响

利用定容燃烧弹高速纹影摄像系统所得到的向外传播球形火焰纹影图片,并结合火焰不稳定性理论分析了掺氢对乙醇-空气预混火焰不稳定性的影响规律.结果表明,随着掺氢量的增加,在稀薄混合时火焰不稳定性增加,表现为前锋面的裂纹加剧;而在浓混合时呈现相反的变化趋势.可燃混合物的热扩散不稳定性与综合不稳定性随掺氢量的变化趋势一致;流体力学不稳定性不影响热扩散不稳定性与综合不稳定性的变化趋势,它随掺氢量的变化取决于火焰厚度和热膨胀比的综合变化。

定容燃烧弹实验系统及C_7燃料火焰速度测量

设计并搭建了适用于测量高温、高压条件下层流火焰传播速度的定容燃烧弹实验系统。详细介绍了定容燃烧弹实验系统的主要子系统的构成和功能,并阐述实验数据处理方法。测量初始温度为400K、压力为0.1MPa和0.3MPa,C7燃料(甲苯、甲基环己烷、正庚烷)/空气层流火焰传播速度,并与现有文献结果进行了对比。结果表明:该定容燃烧弹实验系统具有较高的可靠性,不仅能够准确测量较高初始温度、不同初始压力条件下燃料/空气的层流火焰传播速度,而且能够拓宽测量火焰传播速度当量比的范围。

高压下合成气层流火焰传播特性的实验研究

本文利用双腔泄压式定压燃烧弹,研究了高压下典型IGCC合成气的层流火焰传播特性,得到了不同压力(0.1～1 MPa)和不同当量比下(0.6～3.0)合成气的层流火焰传播速度和Markstein长度。实验结果表明,层流火焰传播速度随当量比先增加后减少,随压力的增加而减小。Davis和Sun机理能较好地预测高压下合成气层流火焰的传播速度。Markstein长度随当量比的增加而增加,随压力的增加而减小。

湍流预混火焰点火与传播特性研究

可燃预混气的点火与传播过程是发动机燃烧领域最重要的课题之一,尤其是湍流与化学反应的相互作用对预混气点火和火焰传播的影响机理有待进一步研究。本文利用定压球形火焰研究了氢气/氧气/氩气(Le<1)在可燃极限条件(当量比0.3)下湍流对点火与火焰传播过程的影响,研究表明,在该工况下,湍流有助于可燃气点火过程,火焰传播过程中,由于湍流的影响,局部拉伸率大于0的区域火焰传播增快,局部拉伸率小于0的区域火焰传播受到抑制,甚至出现局部熄火。