CH_4/O_2/He混合气体作大气压介质阻挡放电处理后其燃烧特性的改变

低温等离子体助燃技术在提高燃烧效率和拓展燃烧极限方面表现出良好的应用前景.为此,利用大气压介质阻挡放电对CH4/O2/He混合气体进行处理,对低温等离子体增强燃料燃烧的特性开展了研究.建立了介质阻挡放电助燃装置,对预混燃烧火焰图像进行采集并从中提取火焰燃烧锋面,采用本生灯法对等离子体作用下预混火焰传播速度进行测量,并与等离子体关闭时火焰传播速度进行比较分析,以此评价等离子体增强燃烧的效果.结果表明：在不同当量比（φ）工况下,无论有无等离子体作用,随着φ增加,火焰传播速度均先增加后减小,φ=1时达到最大值;对CH4/O2/He混合气体进行等离子体放电处理后,其火焰传播速度在不同当量比作用下都有所增强,在当量比为0.85～1.15的范围内,燃烧速度增加17％～35％,因此可以认为等离子体对预混甲烷燃烧有显著强化作用.

甲烷及掺氢甲烷预混火焰的稳定性

基于本生灯火焰测试,研究CH4与Air的预混火焰的稳定特性随本生灯尺寸和燃气当量比的变化关系,获得与先前测试比较吻合的结果。预混火焰的脱火极限随燃气当量比的增加而逐渐增加,而回火极限随燃气当量比呈抛物线型变化关系,峰值出现在燃气当量比φ=1附近。对测试结果进行综合分析。结果发现:本生灯大小基本与火焰脱火极限无关,而对回火极限略有影响,但这种影响关系主要存在于小尺寸本生灯测试。随着燃气掺氢比的增大,混合气体火焰的稳定区间有变宽的趋势,这主要归因于氢气掺混增大火焰传播速度。掺氢率对预混火焰的脱火及回火极限的影响可近似为线性关系,本生灯直径越小,该线性增加率越大,而燃气当量比基本对该线性增加率无影响。

采用速度匹配法研究本生灯火焰的稳定点位置

采用理论预测与实验研究的方法分析了本生灯火焰的稳定点位置与气流速度的关系,因为火焰稳定点的存在与否直接决定了火焰的存在与否.理论预测采用速度匹配法,通过分析本生灯出口附近冷态流场中气流速度分布与火焰传播速度分布的相对关系,并引入壁面淬熄的影响,预测出火焰稳定点的空间位置并得到了经验关系式.实验则以甲烷-空气的预混层流本生灯火焰为研究对象,确定了火焰稳定点位置与气流速度的相对关系.实验结果与Bernard Lewis的预测不同,即随流速增大,火焰稳定点会朝向射流的下游和射流中心线方向移动.而根据得到的经验关系式预测出的火焰稳定点位置与实验结果符合良好,精度在±20%以内,表明速度匹配法能够准确预测火焰稳定点的位置.

沼气—空气混合气层流燃烧速度的研究

本文采用本生灯法对沼气—空气混合气的层流燃烧速度进行了测定和分析 ,并总结出沼气层流燃烧速度的计算公式。

高温下掺氢天然气层流预混火焰传播特性

利用本生灯-纹影系统及CHEMKIN-PRO对高温下掺氢天然气层流预混火焰传播速度进行实验及数值模拟研究,并从热力学及化学动力学效应方面讨论了初始温度对掺氢天然气层流预混火焰传播特性的影响.结果表明:GRI-3.0机理能较准确地预测293~500 K条件下的掺氢天然气层流预混火焰传播速度;在相同初始温度下,混合物层流预混火焰传播速度在高掺氢比时增幅更显著;在相同当量比下,混合物层流预混火焰传播速度及绝热火焰温度随初始温度的升高呈近线性增加;高温下,H自由基浓度的增大进一步增强了H+O 2=O+OH对整体燃烧反应的促进作用,使混合物层流预混火焰传播速度显著加快.

高密度烃层流火焰传播速度试验研究

为了研究液态燃料的预混燃烧特性,利用本生灯方法与数字图像处理技术相结合的方法对高密度烃的层流火焰传播速度和贫油点火、熄火极限进行了试验测量。研究表明:高密度烃的层流火焰传播速度在恰当比为1.1附近取得最大值;贫油燃烧阶段的层流火焰传播速度随当量比的变化幅度比富油燃烧阶段小;当量比相同时,燃油流量的改变对层流火焰传播速度的影响不大;层流火焰传播速度随混合气体温度的增加而增加;随混合气体温度的增加,层流火焰传播速度随当量比的变化幅度增大;燃油流量在小于35ml/h区域内,贫油点火极限、熄火极限的当量比存在一定的波动,且随混合气体温度的增加而减小,但减小幅度不大。

本生灯层流预混火焰稳定点与熄火机理

采用速度匹配法结合壁面淬熄分析甲烷本生灯层流预混火焰稳定点与熄火机理,得到了贫油与富油状态下火焰稳定点不同的移动规律,定量预测了火焰吹熄特性关系,并通过实验验证.火焰稳定点在本生灯出口附近的边界层中,该处的火焰传播速度与预混气来流速度相平衡;而在边界层中,以火焰稳定点为起点,存在一个可点火区域.随着来流预混气流速的增大或者当量比远离恰当比,这一可点火区域逐渐缩小,直至成为一个点,此时即为熄火的临界状态.通过比较近壁面的当地气流速度与火焰传播速度,并采用非耦合的方法分析壁面淬熄的影响,得到了火焰稳定点的移动规律.在径向上,火焰稳定点随来流速度增大向射流中心线方向移动;在轴向上,随流速增大,贫油工况下稳定点向下游移动,富油工况时则向上游移动.根据火焰稳定点移动规律结合可点火区域分析定量预测了吹熄特性,通过了实验验证,证明了火焰的熄火机理.

本生灯预混火焰淬熄距离实验分析

淬熄距离是表征壁面淬熄效应的一项重要参数.通过直接拍摄火焰位置图片,得到甲烷本生灯预混火焰淬熄距离随来流预混气速度与当量比的变化关系.实验结果表明,本生灯火焰淬熄距离随来流速度的变化规律在不同当量比范围内是不同的.而在同一速度下,随来流当量比增大,淬熄距离贫油时减小,富油时先增大再减小,最后在某一当量比时淬熄距离保持一个定值.这一变化关系是由来流预混气对壁面的冷却作用和火焰面对壁面的加热作用共同影响所造成的,尤其是富油预混火焰的双层结构会极大地影响淬熄效应.

CO2/N2稀释对H2/CH4层流火焰传播特性的影响

利用本生灯-纹影系统实验研究含有CO2,N2的掺氢天然气层流预混火焰传播速度,并应用GRI-3.0机理模拟计算不同组分预混燃气绝热火焰温度、敏感性系数及重要自由基浓度等,详细讨论CO2,N2的稀释效应.研究表明,GRI-3.0机理能较好地预测掺氢天然气层流预混火焰传播速度;CO2,N2稀释组分会显著抑制掺氢天然气层流预混火焰速度及其绝热火焰温度;与N2相比,CO2不仅具有较强的热力学效应,且随着CO2稀释比的增加,火焰中重要自由基H浓度显著减少,抑制氧化反应H+O2=O+OH对燃烧的主导促进效应,使预混燃料的层流火焰传播速度显著降低.

预混可燃气火焰传播速度的研究

采用了传统的热力理论，在火焰上建立热能平衡式．该平衡式不仅考虑了新鲜混合气的热焓变化以及反应区过来的热量，更进一步考虑了燃烧反应本身的放热率．采用奇异摄动法得到预混丁烷气的层流火焰传播速度表达式，并与采用本生灯试验测试系统测得的预混气平均火焰传播速度进行了比较，得到了较为满意的结果．

预混层流燃烧的试验方法综述

层流燃烧是燃烧机理研究的重要内容,是进行湍流燃烧研究的重要依据。而层流燃烧研究的手段与方法是决定其研究结果准确与否的重要基础。为此,本文综述了目前世界上较为常用的层流燃烧研究试验方法,包括本生灯法、平面燃烧器法、滞止面法、定容燃烧弹法,介绍其试验原理与结构,分析了各种方法的优点与缺点,为更好地开展层流燃烧的试验研究提供了的参考。

正十二烷高温机理简化及验证

由于详细化学反应机理在模拟燃烧室燃烧时,计算量极大,很难被广泛运用。为了满足工程设计要求,采用替代燃料的简化机理进行计算不失为一种行之有效的方法。本文基于误差传播的直接关系图法和敏感性分析法对正十二烷180组分1962步高温机理(温度大于1100 K)进行简化,获得40组分234步化学反应机理。在温度为1100–1650 K,压力为0.1–4 MPa条件下,采用简化机理及详细机理对不同当量比、压力下着火延迟时间进行模拟,模拟结果与实验数据吻合得较好。通过对不同压力及温度下火焰传播速度进行模拟,验证了简化机理能够正确地反映正十二烷的燃烧特性。利用C_(12)H_(26)/OH/H_2O/CO_2等重要组分随时间变化的数据,验证了简化机理能够准确描述燃烧过程反应物消耗、基团变化、生成物产生的过程,并表明该机理具有较高的模拟精度。利用该简化机理对本生灯进行数值分析,结果表明该机理能够准确地反映火焰区温度和组分浓度的变化。紧凑的正十二烷高温简化机理不仅能够正确体现其物理化学特性,而且能够用于三维数值模拟,具有较高的工程运用价值和应用前景。

高密度烃与航空煤油燃烧特性对比试验

采用本生灯方法并结合数字图像处理方法分别对高密度烃和航空煤油的燃烧特性进行了试验研究,分析了不同燃油流量下当量比、预混燃气温度对层流火焰传播速度与贫油点火、熄火极限的影响,从而确定了高密度烃的层流火焰传播特性。实验研究表明:当量比为1.1时,高密度烃层流火焰传播速度达到最大值,而航空煤油在当量比为1时达到最大值,且在相同工况下高密度烃的层流火焰传播速度的最大值较小;层流火焰传播速度随混合气温度的增加而变大;燃油流量的改变对层流火焰传播速度的影响不大;相同工况下高密度烃的贫油点火、熄火极限比航空煤油的要大,且燃油流量在小于35ml/h区域内,贫油点火极限、熄火极限的当量比,都随燃油流量的变化都存在一定的波动。

掺氢天然气层流火焰传播速度试验研究

为准确测量掺氢天然气层流预混火焰传播速度,并研究掺氢比对掺氢天然气层流预混火焰传播特性的影响,通过本生灯法对比试验研究自然光及纹影拍摄条件下掺氢天然气层流预混火焰的传播速度,根据化学动力学机制模拟计算并讨论不同掺氢比条件下的预混燃料层流火焰传播特性。研究表明:利用纹影系统拍摄获得的火焰传播速度更接近燃烧学定义的层流预混火焰传播速度;随着掺氢比的增加,掺氢天然气层流预混火焰传播速度及绝热火焰温度均不断增加,且层流预混火焰传播速度峰值所对应的当量比显著向富燃料侧移动;燃料中氢气组分的不断增加使得H自由基的摩尔分数以及OH自由基的生成速率均显著增加。

正癸烷四步高温总包机理构建与验证

燃烧数值模拟受控于化学反应机理的物种和反应数量,为减小机理规模,构建了包含8个组分(C_(10)H_(22),O_(2),C_(2)H_(4),CO,H_(2),CO_(2),H_(2)O,N_(2))并带有修正函数的正癸烷四步高温总包反应机理。以烷烃高温宏观氧化反应路径分析为基础,将正癸烷燃烧过程分解为长链烃裂解为中间烃、中间烃氧化为CO、CO氧化为CO_(2)等三个宏观过程,其中裂解反应是点火延迟时间的主控因素,而氧化释热过程则对层流火焰速度和点火延迟时间均有显著影响。以点火延迟时间和层流火焰速度为优化目标,通过文献比选并调试得到指定工况下的初始动力学数据;结合两个正癸烷骨架机理的模拟数据,采用以当量比与压力为自变量的二元函数对裂解和氧化过程的Arrhenius公式的指前因子进行修正。在温度T=1000~2000K,压力p=0.1~0.3MPa,当量比Φ=0.5~1.5的工况下,利用Chemkin-Pro软件计算了总包机理的绝热火焰温度、点火延迟时间、层流火焰速度,计算结果与实验数据和骨架机理的计算结果吻合较好。运用该总包机理对本生灯火焰进行数值模拟,取得了与实验一致的火焰温度和组分浓度变化。研究范围内该总包机理满足正癸烷的主要燃烧特性,同时大幅降低了反应规模,适合正癸烷高温燃烧的工程应用。

铝基粉末燃料层流火焰传播速度实验研究

为研究铝基粉末燃料火焰传播特性,设计了气固两相本生灯型层流火焰实验装置,开展了铝基粉末燃料层流火焰传播速度的实验研究;获得了气流流速、颗粒相浓度等因素对空气中铝颗粒层流火焰传播的影响规律,并研究不同级配比例下的铝基粉末燃料的火焰传播性能。研究结果表明:在相同颗粒浓度条件下,提高气流速度会显著增加铝基粉末燃料层流火焰传播速度;在相同气流速度条件下,铝基粉末燃料层流火焰传播速度在铝颗粒浓度接近600g/m3时达到最大值,而当铝颗粒浓度过低时,层流火焰无法稳定传播;此外试验结果还表明,利用小粒径颗粒填充大颗粒间的孔隙,能显著提高铝基粉末燃料层流火焰传播速度。

CH4/H2混合气在O2/CO2气氛下层流火焰传播速度的实验研究

运用本生灯法,对常温常压下(25℃、1.01×105Pa)的CH 4/H 2/O 2/CO 2预混气体的层流火焰传播速度进行实验研究,使用基于火焰图像为基础的全面积法计算预混气体层流火焰传播速度。主要研究了化学当量比(0.7~1.4)、氧气体积分数(30%、35%、40%)、氢气体积分数(0%~40%)对火焰传播速度的影响规律。结果表明:CH 4/H 2/O 2/CO 2混合气的火焰传播速度随着化学当量比的增加先增大后降低,化学当量比在1~1.1之间,火焰传播速度取得最大值;层流火焰传播速度随氧气体积分数的增大而增大,增长率也呈增长趋势;层流火焰传播速度随着氢气体积分数增大而增大。

本生灯法结合纹影技术测量甲烷/空气层流燃烧速度及流场分析

层流燃烧速度是确定燃烧传播模型和验证化学反应机理的关键参数。搭建了本生灯实验系统和纹影实验系统用于探究甲烷预混层流燃烧特性,通过本生灯法和纹影技术测得了甲烷/氮气/空气的层流燃烧速度和火焰外部流场,并且探究了当量比及氮气掺混对层流燃烧速度和火焰外部流场的影响。研究发现,当量比对甲烷层流预混火焰燃烧特性有着重要的影响,随着当量比的增加,层流燃烧速度先增大后减小,锥形火焰高度先减小后增加,火焰外部流场开始逐渐趋于稳定;氮气掺混对层流燃烧速度起着降低的作用,且掺混的氮气越多,层流燃烧速度降低幅度越大;掺混氮气后火焰高度增加,但是火焰外部流场变得更加紊乱,难以稳定。

甲烷-空气预混火焰稳定特性的实验研究

基于本生灯实验,测试分析了甲烷-空气预混火焰的稳定燃烧特性。试验研究了预混气体火焰闪回和吹熄极限随燃空当量比的变化关系。研究发现,甲烷-空气混合气体的闪回极限的最大值出现在接近化学当量比处,并且呈现出类似抛物线的变化规律;而火焰的吹熄极限随着当量比的增加而逐渐增大。试验通过采用13 mm和11 mm两种不同口径的本生灯,研究了本生灯孔径对甲烷-空气预混火焰的稳定燃烧区间的影响关系,实验证明,随着孔径的增大,闪回极限将会减小,而吹熄极限随之增大。通过实验获取这些参数,能够为设计和优化燃烧系统提供理论支撑。

基于LIBS研究丙烷层流预混火焰温度和当量比的空间分布

激光诱导击穿光谱(LIBS)是监测燃烧过程关键参数的重要手段之一。为此搭建了LIBS三维可移动实验测量平台,结合等离子体能量和光谱研究了丙烷层流预混火焰的空间结构,得到了不同当量比和不同高度的温度趋势和当量比空间分布。结果表明:本生灯火焰预混燃烧区厚度随高度增加而增加;H、N、O的谱线强度和等离子体能量变化趋势一致,说明粒子体积分数是影响等离子体能量的主因。通过标定H656和N746的谱线强度比值与当量比的关系得到了局部当量比的空间分布。