旋流稳定贫燃预混燃烧研究型实验设计

贫燃预混燃烧是先进清洁燃烧技术,为加强科教协同育人,大连理工大学安全工程专业利用Tomographic PIV+OH Chemiluminescence大型仪器平台,开设了旋流稳定贫燃预混燃烧研究型教学实验。实验小组在查阅文献、了解流场与火焰光学诊断原理的基础上,有步骤地合作开展光路标定、流场与火焰捕捉、数据分析、结果讨论全过程。通过实验研究,培养科学志趣,掌握先进仪器开展科研活动的方法,促进毕业要求实践能力的有效达成。

贫燃预混旋流火焰动力学失稳过程分析

利用实验和数值模拟方法对贫燃预混旋流火焰的动力学失稳过程进行了分析,发现燃烧室入口非反应旋流入射过程所诱发的低频压力振荡将引起反应流热声振荡,两者之间具有倍频关系;旋流剪切边界层内较高的速度梯度诱导产生小尺度漩涡,三维螺旋结构的涡漩进动过程将造成火焰面内出现周期性的局部熄火和重新着火,从而使非平衡羟基等值面和中心回流区尺度出现周期性变化,并进一步诱发低频、高幅压力振荡,导致火焰发生动力学失稳;涡漩进动、中心回流区尺度、非平衡羟基等值面变化及压力振荡具有相同的频率.

贫燃预混旋流火焰的燃烧不稳定性

在低污染模型燃烧室上,从实验角度研究了常温常压下贫燃预混旋流火焰燃烧不稳定性.主要着眼于当量比、旋流数和掺混段结构对于燃烧不稳定性的影响.结果表明,当量比对燃烧的稳定性具有重要影响,随着当量比的提高,燃烧经历了稳定-不稳定-极限环,振荡的频率变化不大,而脉动压力幅值显著增大,最终达到极限环状态.旋流强度增大会导致压力脉动增大,进入不稳定的最小当量比降低.实验所采用的开孔掺混方式与开放式的自由混合方式相比,对燃烧不稳定压力脉动有减小的效果.

稳焰器结构对贫燃预混燃烧火焰不稳定性的影响

通过实验对切向旋流稳焰器、径向旋流稳焰器和多孔介质稳焰器在贫燃预混火焰中的不稳定现象进行研究,主要分析了这3种结构稳焰器的熄火极限、贫燃预混燃烧时火焰的不稳定性以及火焰结构。结果表明:多孔介质稳焰器的熄火极限最好,其次是径向旋流稳焰器,而切向旋流稳焰器的熄火极限最差;多孔介质稳焰器的火焰稳定性最好,其次是径向旋流稳焰器,切向旋流稳焰器的火焰稳定性最差;多孔介质稳焰器的火焰封闭性最好,其次是径向旋流稳焰器,切向旋流稳焰器的火焰封闭性最差。

贫燃预混旋流燃烧器回熄火边界数值模拟

为了预测回熄火边界,采用部分预混燃烧模型对天然气旋流预混燃烧器开展计算流体力学模拟。燃烧室直径60 mm、长160 mm,模拟工况包括空气和体积分数为25%的O2+体积分数为75%的N22种氧化剂,旋流器出口轴向速度为0.6~1.5 m/s范围的回火边界,以及1.5~4.5 m/s范围内的吹熄边界。通过回火和吹熄实验数据对模型进行验证,并分析结构参数对回熄火边界的影响。对比了Realizable k-ε模型和雷诺应力湍流模型,结果表明雷诺应力模型对回熄火边界的模拟结果更好。分析了回火和吹熄前后旋流器出口截面Da的变化情况,结果表明不同气流速度条件下回火临界点的1/Da以及吹熄临界点的Da和混合分数具有一定的关系。保持几何旋流数不变,对比分析了3种旋流器进口结构回熄火发生前后的流场变化及回熄火边界的变化,结果表明结构参数对回火和吹熄区间的影响作用相反,存在最优的进口长度和宽度组合使得由回火到吹熄的稳定燃烧区间最大。

贫燃预混旋流火焰热声特性研究

以贫燃预混旋流模型燃烧室为研究对象,以当量比为变化参数,从不稳定振荡频率、脉动压力幅值和分布、热释放响应特性等方面分析,研究了燃烧不稳定性从开始到极限环的非线性演化过程.利用低阶热声网络模型加以数值模拟验证.结果表明:脉动压力方均根、热释放响应会随着当量比的增大而呈现典型的非线性激发过程,火焰结构在发展过程中发生明显的变化.计算分析结果表明当量比低于0.7时计算结果与实验结果频率误差小于1%,而在当量比大于0.7时,计算结果与实验结果频率误差为13%.

贫燃预混旋流火焰PIV和OH-PLIF瞬态同步测量

为了研究贫燃预混旋流火焰流场与火焰结构特性,设计了强受限预混旋流燃烧器,搭建了PIV(粒子图像测速)和OH-PLIF(平面激光诱导荧光)瞬态同步测量系统。针对典型贫燃工况开展了瞬态同步测量研究,获得了多个截面的瞬态和时均流场速度和OH分布信息。研究表明:低当量比不稳定燃烧工况下,伴随着角涡回火现象,燃烧室底部角落存在明显火焰反应区;由于旋流拉扯效应导致OH分布结构边缘产生褶皱,并出现多个OH"孤岛";旋流火焰外沿位于喷嘴射流的内侧剪切层;增加当量比,火焰流场结构与反应区分布与低当量比类似,但燃烧更稳定,火焰高度有所增加;内部回流区的经典双涡结构分裂为多个旋涡,存在旋涡进动、破碎的现象。

基于火焰OH自发光技术的贫燃旋流预混燃烧吹熄机理

利用火焰OH自发光技术研究了湍流状态下贫燃旋流预混燃烧的吹熄过程,获取了不同当量比下的平均火焰图像、瞬时火焰图像、二维火焰表面密度和OH平均强度.将当量比从0.90降低至0.46,即由火焰的稳定燃烧状态转变至临界吹熄状态,火焰由中间凹陷的紧缩形变为柱状.当量比位于0.90～0.55时,火焰表面密度下降约10%,可以认为此时火焰处于稳定燃烧状态.当量比位于0.55～0.50时,进度变量最大值从1.0变为0.5,说明火焰锋面处于强烈脉动中,且OH强度骤降约为67%.通过观察OH强度突变区域内的瞬时火焰图像,发现火焰锋面经历了脱离钝体、向燃烧室下游移动,再燃的往复过程.最后比较了不同旋流数(0.45、0.61和0.90)对于OH强度突变区间的影响,结果表明旋流数对于该区间的影响并不明显.

预混湍流燃烧的level-set小火焰库方法研究

针对燃气涡轮发动机中贫燃预混预蒸发燃烧室,考虑详细化学反应机理,结合Level-set方法与小火焰模型模拟预混火焰,计算了甲烷/空气贫燃预混燃烧的火焰面的位置,并比较了在贫燃条件下各当量比的NO排放值,计算与实验结果吻合较好。

位移钝体稳燃的旋流预混燃烧污染物生成特性

石化炉、加热炉等设备中燃烧过程的污染物控制具有重要意义。旋流预混燃烧过程具有低NO_(x)排放的潜力,引发了学术界和工业界的广泛关注。结合钝体燃烧和旋流燃烧各自的优势,本文设计了带有位移钝体的旋流预混燃烧器。首先研究了不同钝体结构下的污染物的生成情况,确定了最优的钝体结构,在此基础上进一步研究了在不同旋流数下污染物生成、火焰形态和温度场分布情况。研究发现,钝体角度为30°、体积较小的倒锥形钝体具有较低的NO_(x)和CO生成量。NO_(x)生成量随着旋流数从0增加到0.83呈先减小后增加的趋势,并且当旋流数为0.25时,NO_(x)生成量最低。在同一热功率下,火焰高度随着旋流数的增加而减小。在同一旋流数下,火焰宽度随热功率增大呈增大趋势。NO_(x)生成量变化规律与其火焰温度分布规律一致,即NO_(x)生成量最低的工况下火焰温度也比较低。由此推测旋流引发的温度变化是NO_(x)生成量变化的主要影响因素之一。本文的研究结论对旋流预混燃烧器的设计提供了理论基础。

预混天然气催化燃烧特性

将含有钯、镧、锶、钴和锰的催化剂加载在鄞青石上进行预混天然气催化燃烧．实验表明,催化燃烧温度范围在600-900℃,过低的温度可能导致熄火,过高的温度可能使催化剂失效．在混合气体中,天然气体积分数为6％ -12％,在催化剂中钯含量增至γ-Al2O3质量的0．21％及燃空比为8％时,实现了较好的催化燃烧(排放较少)．实验同时证实,在较短的催化载体内,催化燃烧效果较好,载体表面温度较低;在较长的载体内,载体表面温度较高,NOx 排放增加．同时,分析了载体内传热传质特性．

钝体稳燃的旋流预混火焰污染物生成和流场分析

π型锅炉“煤改气”后的低氮燃烧器易发生火炬“刷墙”和积碳问题,而旋流预混燃烧方法因火炬短、燃尽快等优势备受关注。将贫预混旋流燃烧与钝体相结合,设计带有位移钝体的贫预混旋流燃烧器,通过移动钝体位置,可改变燃烧器出口流速。使用此燃烧器研究了不同旋流数、热功率、钝体位置工况下,旋流预混火焰污染物生成特性,并利用激光颗粒成像测速技术测量燃烧器喷嘴出口处流场。研究发现,NO_(x)生成量随旋流数增加呈先减小后增加的趋势,旋流数为0.25时,NO_(x)生成量最低;钝体位置固定时,由于此时流速随热功率的增加而增大,导致NO_(x)生成量随热功率的增加而降低,CO生成量随热功率的增加而增加;改变钝体位置保证出口流速不变时,NO_(x)和CO生成量均保持较低水平,NO_(x)生成量<12 mg/m^(3),CO生成量<7 mg/m^(3),且仅在最低热功率下有少量CO生成。通过分析流场和火焰可知,旋流数由0增至0.25时,火焰宽度增加,对周围烟气卷吸作用增强,NO_(x)生成量降低;旋流数由0.25增至0.83时,火焰宽度基本维持不变,但轴向回流增强,热烟气停留时间增加,NO_(x)生成量升高。因此,优化位移钝体位置和旋流数,可以使燃烧器出口流场和火焰结构更加合理,使污染物维持在较低水平。

氨气/甲烷贫预混旋转湍流火焰稳定性及NO生成

为了研究氨气/甲烷掺混燃气在贫预混旋转湍流状态下的火焰稳定性及NO的排放特性,设计建造了一个可视化的旋转湍流燃烧装置,开展了一系列的实验测量研究。研究表明:随着当量比增大,氨气火焰稳定燃烧的范围有所扩大,但当氨气掺混比大于0.60时火焰出现上下振荡现象,继续增加将导致火焰吹熄;NO的排放水平随当量比增加而提高;但在相同的当量比下,NO的排放随氨气掺混比的增加先升高再下降。此外,分别采用化学反应器网络(CRN)方法和一维层流预混火焰计算方法,对相应的火焰状态进行了数值计算分析,虽然计算结果与实验结果误差较大,但其预测的NO排放特性随氨气掺混比、当量比的变化趋势是一致的,对三者之间误差的来源进行了分析。

基于波瓣旋流燃烧器的甲烷燃烧污染物排放特性

贫燃预混燃烧方式是抑制燃烧过程中NO_x生成的方法之一,但易出现燃烧不稳定现象.针对这一问题,试验采用波瓣旋流燃烧器,研究了当量比、预混气分级比、预混气分级形式对NO_x和CO排放规律、燃烧室声压峰值及火焰形态的影响.结果表明,随着当量比的减小,烟气中NO_x浓度减小,而CO浓度上升.旋流侧流量/波瓣内侧流量减小时,烟气中NO_x浓度降低,CO浓度增大.通过调节旋流器和波瓣外侧预混气分级比,NO_x和CO的排放浓度都有所下降,并在旋流侧流量、波瓣内侧流量、波瓣外侧流量分级比为6∶0∶4时浓度较低.燃烧室内声压峰值随当量比的减小而增大.当量比为0.60,预混气分级比为5∶0∶5时,燃烧室声压峰值最低,燃烧较为稳定.

新型双旋流燃烧室热声振荡的实验研究

对一新型双旋流燃烧室开展了实验测量,研究了燃烧状态参数2种变化过程对火焰热声振荡特性的影响(过程1:保持甲烷体积流量不变,当量比从0.900逐步减小至0.725再逐步增大至0.925;过程2:保持当量比为0.850不变,逐步增大预混气的体积流量)。结果表明:在该燃烧室中存在M型和V型2种火焰结构;在过程1中,随着当量比减小,火焰由不稳定的M型转变为稳定的V型,其后,随着当量比增大,又逐渐转变为M型,存在明显的滞环现象;在过程2中,仅在初始流量下存在明显的热声振荡现象,随着流量增大,火焰变得稳定;基于压力脉动信号的功率谱特性分析和相空间重构分析,发现该双旋流燃烧室内热声振荡主频率分布于400.0和256.0 Hz左右。

基于DTF和REDIM技术构建的亚网格燃烧模型及其验证

将反应扩散流形(REDIM)技术与动态火焰增厚(DTF)模型结合起来,构建了一种新的湍流预混燃烧模型。用该模型对PRECCINSTA燃烧器全局当量比分别为0.75和0.83的两种贫燃预混旋转火焰开展大涡模拟计算,将计算结果与原DTF模型计算结果以及实验结果进行对比研究,着重分析了速度、温度以及CO2质量分数的径向分布情况。研究表明:新模型的计算结果与实验结果吻合良好,由于新模型求解的组分输运方程数目减少,计算效率比原DTF模型约提高15%;理论上,新模型可推广应用于部分预混火焰的计算,只要采用合适的REDIM化学反应表格,如二维的REDIM表格。

燃气轮机振荡燃烧特性试验研究

振荡燃烧是燃气轮机贫燃预混燃烧室不稳定运行的重要原因之一,因此需要掌握燃烧室压力脉动特性,以探究抑制振荡燃烧的方法。本文应用低压模化燃烧试验台,完成某型燃气轮机全尺寸振荡燃烧特性试验研究。分析了贫燃状态中,不同当量比、不同燃烧区域条件下,该型燃烧室运行的动态过程,并总结了燃烧室内压力脉动的影响因素和变化规律。试验表明:(1)减少燃料量、降低热释放量,可以减弱燃烧室内由燃烧区流动引起的压力脉动,尤其是对50 Hz以下的主频振荡;(2)燃烧区当量比过低,燃烧不稳定会引发50 Hz以上极强的主频振荡;(3)增加值班路,向燃烧区中心投放燃料可以有效抑制由燃烧不稳定引起的高频主振。

湍流强旋流预混火焰大涡模拟研究

本文采用合成涡方法生成湍流进口条件,对非受限强旋流甲烷/空气贫燃预混火焰进行了大涡模拟研究。模拟结果和实验以及DNS数据符合良好。基于此模拟方法,本文对甲烷火焰掺混氢气和水蒸气,进行了比较研究。研究发现,掺混氢气提高了火焰抗拉伸灭火能力,火焰在外剪切层强湍流作用下形成较厚火焰刷。掺混水蒸气,火焰降温明显,流场轴向速度加速较小,形成较大的当地旋流数。因而,相比于掺混氢气,其回流区更强、更宽。相比于掺混水蒸气,流场轴向速度加速较大的掺氢火焰,其轴向脉动在更强的Kelvin-Helmholtz不稳定性作用下,下游剪切层双峰结构得到了保持并增强。

基于经验模态分解的燃烧不稳定性分析

实验研究了在常温常压条件下贫燃预混旋流火焰的燃烧不稳定性,发生燃烧不稳定性时其压力脉动表现为非平稳信号.利用一种基于经验模态分解(EMD)的希尔伯特-黄变换(HHT)算法对在当量比分别为0.71和0.80工况下的压力脉动信号进行了时频分析.针对压力脉动信号进行经验模态分解,选取主要的固有模态函数(IMF),对IMF通过HHT变换得到瞬时频率并进行统计分析.结果表明:在当量比为0.71时,压力信号呈间歇式的脉动,其振型为拍振;在当量比为0.80时,脉动压力信号则呈现出极限环振型.在基于EMD的HHT变换中,IMF体现了燃烧不稳定性的固有模态且具有自适应性强的特点.

生物乙醇喷雾蒸发和预混过程的数值模拟研究

基于生物乙醇燃料的贫燃预混、预蒸发燃烧技术（Lean Premixed Pervaporation,LPP）,采用数值模拟方法,研究了预混室内生物乙醇雾化蒸发流场,分析了预热空气温度为500、600和1 000 K以及旋流数为0.47、0.8和1.41时的生物乙醇蒸发和气体混合特性的规律。研究表明：在LPP预混室旋流流场中,中心回流区宽度随预混室距离的增加先增大后减小,并且会受喷雾射流的影响拉伸变长,中心回流区随旋流强度的增大更贴近喷雾出口,角回流区的长度随旋流强度增大而缩短直至消失,旋流强度对液雾整体蒸发速率影响不大,但会影响液雾分布;进气温度增加会增大进气速度,提高液滴蒸发速率,缩短液雾炬长度;液滴蒸发过程存在一定程度上的压力振荡,会对LPP不稳定燃烧过程产生一定影响。