甲烷/空气湍流射流扩散火焰的化学动力学模拟

利用几率密度函数方法求解标量场及用统计矩方法求解流场相结合的手段,对甲烷/空气湍流射流扩散火焰结构进行了计算模拟,其中,考虑了从简化到详细的三种不同规模的甲烷氧化反应动力学机理.计算结果与已有的实验结果进行了比较和分析,表明该模型可以很好地预测流场变化.在预测主要组分和温度时,三种机理具有相同的效果,在预测小浓度组分时,详细机理具有更好的效果.此外,简化机理能够极大地缩短计算时间,因而在工程应用中有着巨大的潜力.

用火焰面模型模拟甲烷/空气湍流射流扩散火焰

以层流对撞扩散火焰为基础，利用层流火焰面模型(laminar flamelet model)的方法生成层流火焰面数据库，分别采用预先设定的几率密度函数(propabality density function，PDF)模型和混合物分数-湍流频率的联合几率密度函数输运模型，将火焰而方法应用于甲烷/空气湍流射流扩散火焰结构的模拟计算中．两个模型的计算结果和实验结果进行了比较和分析．

不同同轴空气流速下甲烷射流扩散火焰NO_x的生成特性

对不同同轴空气流速和同轴空气为脉动流时的甲烷湍流扩散火焰NOx排放特性进行了研究,分别采用标量联合概率密度函数(PDF)湍流燃烧模型和涡耗散概念模型(EDC)进行了计算,并与试验值进行了对比.结果表明:EDC模型能较准确地预测NOx的生成,而PDF模型中的mod-ified curl分子混合模型存在一定的缺陷;提高同轴空气流速或当同轴空气流为脉动流时,NOx排放降低;当同轴空气流速提高时,火焰面的标量耗散率提高,由湍流强度增大引起的辐射损失增加,且生成物与空气的快速混合使火焰面变窄,降低了NO的生成,但提高了NO向NO2的转化率;当同轴空气为周期性速度脉动流(频率100 Hz)时,与定常速度相比,时均NOx排放指数降低.

湍流射流扩散火焰的层流火焰面模拟

采用双尺度k ε湍流模型 ,标量联合的概率密度函数 (PDF)输运方程和层流火焰面模型相结合 ,模拟湍流射流扩散火焰。比较了几种不同k ε湍流模型对轴对称湍流射流速度场模拟的结果 ,建立了混合物分数和湍流频率的联合PDF输运方程 ,并假定湍流频率和标量频率的线性关系 ,得到标量耗散率的概率分布 ,化学组分的浓度和温度由层流火焰面系综的平均得到。

甲烷平面射流扩散火焰的大涡模拟

本文对甲烷-空气平面自由射流扩散火焰进行了大涡模拟,采用分步投影法求解动量方程,湍流亚格子项采用动态模式模拟,化学反应速率亚格子项采用动态相似模式模拟,压力泊松方程采用修正的循环消去法快速求解,空间方向采用二阶精度的差分格式,在时间方向上采用二阶精度的显式差分格式。模拟结果给出了湍流扩散火焰的瞬态发展变化过程,表明射流扩散火焰的发展过程存在着“湍流控制”和“化学反应控制”两个不同阶段。 “湍流控制”阶段仅存在于火焰发展初期的极短时间内。

受限湍流射流扩散火焰的PDF模拟

采用k ε双方程模型和概率密度函数(PDF)相结合的办法,研究受限条件下的湍流射流扩散火焰,着重考虑受限条件下固体壁面、压力梯度等因素对速度场和标量场求解的影响,并在此基础上对两个不同尺寸的受限湍流燃烧场进行计算,分别研究了受限湍流射流扩散火焰的流场结构、火焰结构和火焰形状.最后给出结果,定性分析,并得出结论.

多股射流瓦斯燃烧器湍流扩散火焰尺度的实验研究

用火焰图像分析方法,对一种多股射流燃烧器燃烧富含氢气的瓦斯产生的湍流扩散火焰的尺度进行了实验研究,研究了燃烧器结构参数和操作参数对火焰长度和长宽比等尺度特性的影响规律。结果表明,火焰长度随燃烧器喷孔总面积的增大和燃气流量的增大而增大,随助燃空气过剩系数的增大而减小;火焰长度和长宽比随上层喷孔位置角的增大而减小。同时发现,瓦斯中氢气含量对火焰尺度影响较大,随着氢气含量增大,火焰长度和长宽比都明显减小。

湍流射流与扩散火焰大涡拟序结构的波动特性研究

１前言湍流射流扩散燃烧方式提供了射流火焰与涡团相互作用的最基本形式，对研究在湍流射流剪切边界层内的反应物的卷吸混合、热量及动量的输运及湍流射流结构方面具有其特殊的意义。Ｋａｔｔａ［１］利用浮力与单步反应机理模型对Ｎ２－Ｈ２射流扩散火焰进行了直接数值模...

甲烷/空气扩散火焰中碳烟颗粒的三维形貌演变

采用热泳取样技术获取了甲烷/空气扩散火焰中不同高度的碳烟颗粒,并通过原子力显微镜研究了碳烟颗粒的三维形貌随火焰高度变化的演变规律.研究所选高度下碳烟微粒的三维形貌反映出了碳烟微粒在扩散火焰中形成的各个过程,即成核、表面生长、团聚和氧化.当火焰高度HAB从30,mm增加到45,mm时,单碳烟粒子平均粒径从8.72,nm增加到11.36,nm;当HAB〉45,nm时,单碳烟粒子平均粒径逐渐降低;单碳烟粒子的球度比主要分布在0.01-0.30之间,表明这些碳烟粒子的碳化程度较低,呈类液态;球度比随着颗粒体积当量直径的增加而增加,且随着HAB的增加球度比随体积当量直径的增加速率变快,说明单碳烟粒子碳化程度与颗粒大小和火焰高度相关.

甲烷/空气扩散火焰中碳烟表面官能团的演变及其对碳烟氧化活性的影响

基于甲烷/空气扩散火焰燃烧系统(初始温度25,℃,甲烷/空气流速比2∶1)及毛细管取样技术,结合傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、X射线光电子能谱仪(XPS)和热重分析仪(TGA),研究不同火焰高度碳烟颗粒表面官能团及其氧化活性,并分析了表面官能团对氧化活性的影响.结果表明:随着火焰高度的增加,碳烟颗粒表面脂肪族C—H官能团和含氧官能团(C—OH和C=O)的含量呈先升高后降低的趋势,而其氧化特性温度参数和表观活化能则呈先降低后升高的趋势;碳烟颗粒表面官能团对其氧化活性有着直接的影响,表面官能团含量越多,其氧化活性也就越高;碳烟颗粒表面的脂肪族C—H官能团含量对其氧化活性的影响起着更为主要的作用,而含氧官能团含量则起着相对次要的作用.

横向声波扰动下甲烷射流扩散火焰的频率响应

为了探索火焰在横向声波扰动下的振荡现象,基于高速火焰/纹影图像研究了开放环境中横向声波激励作用下甲烷射流扩散火焰的响应。外加声波激励的频率分别为5、10、15、20 Hz,声波激励幅值均为3 V,采用无声波激励组作为对照组。对时序彩色火焰图像处理得到火焰整体频谱图和火焰振荡主频云图,对时序火焰流场纹影图像处理得到火焰流场振荡主频云图。从火焰整体频谱图中发现:所有实验条件下火焰振荡主频均为10.7 Hz,但从火焰振荡主频云图和流场振荡主频云图中却可以发现火焰振荡主频中存在非线性响应(20.5 Hz和21.4 Hz),横向声波激励和大尺度涡结构的相互作用影响这种局部非线性响应的出现。在流场振荡主频云图中可以发现喷嘴出口存在对应于外部声波激励的振荡频率,这是声波驱使射流周期性横向运动的结果。

基于深度学习的甲烷高压射流湍流燃烧火焰图像处理方法研究

基于定容弹开展了高压天然气(甲烷)射流燃烧光学测试,并分别运用深度学习方法和边缘检测算法进行了图像处理。对比结果表明,由于图像中存在射流、火焰差异大的图像识别目标,边缘检测算法无法较好识别射流和火焰,该算法适合于单一目标的火焰图像处理。深度学习方法可识别射流湍流燃烧火焰轮廓,有效地获得射流湍流燃烧火焰前锋面发展位移及火焰传播速度,该方法适用于多个目标的火焰图像处理。根据深度学习图像处理结果表明:当高压甲烷射流接触预燃球形火焰时,火焰由稳定层流速度(<3 m/s)快速上升,最大火焰传播速度高达300 m/s,形成湍流火焰,火焰沿射流方向快速向前发展,火焰面积增加。随着射流和点火时间间隔的增加,最大火焰传播速度线性下降。

甲烷／空气预混气体火焰的传播特征

利用高速纹影摄像等技术探讨了密闭管道内不同当量比的甲烷/空气预混气体火焰的传播特征。结果表明,当甲烷含量接近当量值时,预混气体火焰传播中会发生火焰阵面由向未燃区弯曲到向已燃区弯曲的转折过程,逐渐由层流燃烧转变成湍流燃烧,并形成Tulip火焰结构;当甲烷含量偏离当量值一定程度时,预混火焰呈现出典型的层流燃烧特征,不会发生火焰阵面由向未燃区弯曲到向已燃区弯曲的转折过程。Tu-lip火焰结构形成于火焰传播速度迅速降低的区间里,且只有当减速阶段的最大加速度的绝对值大于某一数值时才能形成;Tulip火焰结构是预混火焰由层流燃烧向湍流燃烧转变的一个中间过程。

甲烷受控扩散火焰合成碳纳米管的实验研究

燃烧火焰法是合成碳纳米管的新方法,具有设备简单、容易实现等优点。以硝酸镍为催化剂,在甲烷-空气受控扩散火焰中合成了多壁碳纳米管,燃烧产物中还发现了碳纳米颗粒、碳纳米纤维和碳黑。实验结果表明,随着采样高度的增加,所合成的无定形多壁碳纳米管和富勒烯状碳纳米颗粒逐渐转变为石墨化程度较高的竹节形多壁碳纳米管和洋葱状碳纳米颗粒。分析表明,火焰温度、甲烷裂解产物以及催化剂种类等因素影响碳纳米管的形态和结构。

不同预燃室结构对甲烷湍流射流点火燃烧的影响

基于光学定容燃烧弹试验平台,通过高速纹影摄像系统在相同甲烷燃料初始温度、压力及混合气浓度下,定量分析了不同结构预燃室湍流射流点火(turbulent jet ignition,TJI)的燃烧特性,包括火焰传播速度、火焰面积、火焰形态及燃烧压力等参数。研究结果表明,预燃室孔径越小,相同时间内火焰传播得越远,火焰传播速度和火焰面积增长速度越快,燃烧压力峰值越高。随着预燃室孔径减小,着火机理会由射流中带有火焰的火焰点火转变为火焰过孔时熄灭的喷射点火。喷射点火着火时刻延迟,初始火焰速度减慢,但燃烧压力峰值受影响不大。多级加速预燃室压力升高率与压力峰值与单孔预燃室相比变化不大。虽然火焰出口时速度较慢,但是火焰出口时刻提前且速度衰减较弱,因此多级加速预燃室火焰速度在短时间内超过单孔预燃室,并且压力和火焰面积也更早达到最大值。

同轴自由射流火焰的实验研究

利用同轴双通道烧嘴,研究敞开环境下氧气-酒精垂直自由射流扩散火焰的特征.计算同轴射流双通道烧嘴的当量直径、Froude数等影响湍流扩散火焰长度的参数,拟合湍流扩散火焰长度的公式.拍摄了曝光时间为1/1 000 s的火焰图像,测量液体燃料在不同操作条件下的破裂长度.实验结果表明,湍流火焰的长度在富氧条件下随着酒精流量的增加而增长,当达到完全燃烧条件时火焰长度达到最大值;湍流扩散火焰的液体破裂长度几乎不随操作条件发生变化.

一维湍流模型对He平面羽流和CH_4/H_2/N_2射流火焰的数值模拟

本文采用一维湍流模型(ODT)对氦气平面羽流和CH_4/H_2/N_2射流火焰进行数值模拟,和前人的实验结果进行定量地对比。结果表明,ODT模型能够准确地预测平面羽流基本特征,湍流涡团的分布同流场拉伸率之间具有密切的关系,涡团强度的分布能够直观地表明当地的湍流强度。ODT模型埘CH_4/H_2/N_2瞬态火焰的模拟定性反应了火焰特性及其与湍流作用的规律,对温度-混合分数的预测值和实测值进行比较,发现甲烷火焰燃烧在富燃料侧并未达到平衡状态,因而基元反应对火焰特性的预测具有重要作用。

H_2/N_2湍射流抬升火焰的直接数值模拟

使用上海超算中心的并行计算机模拟了一个实验参数下的湍流射流抬升火焰。该实验的喷口直径为4.57 mm,实验雷诺数达到了23600。为了完成这个高雷诺数射流燃烧的直接数值模拟,共采用了1024个CPU,共计2.85亿网格。主要介绍了采用的直接数值模拟方法,实验的具体参数以及选取该实验作为模拟对象的原因。最后用直接数值模拟的结果具体分析该实验的着火机理。

基于最小均方差估计的非线性IEM模型

本文根据统计学中的最小均方差估计理论推导出非线性的ＩＥＭ（ＮＬＩＥＭ）模型公式，并综合实验数据确定了模型系数．这个模型考虑了标量场大尺度运动非均匀性，Ｒｅ数以及Ｓｃ数对混合速率的影响．最后分别利用ＮＬＩＥＭ和ＩＥＭ模型对Ｈ２／空气湍流射流扩散火焰进行了计算，与实验结果的比较表明新模型有较大的优越性．

氧含量对高温燃烧过程的影响研究

应用湍流扩散燃烧火焰模型 ,研究了氧含量对高温燃烧过程的影响 计算表明 ,燃烧过程中 ,随着氧含量的增加燃烧室内温度差增加 在低氧含量燃烧时 ,燃烧室内温度较均匀 ,温度梯度很小 ,满足高温低氧燃烧的条件 ,为进一步研究高温燃烧过程中氧化物NOx