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.

火焰筒头部结构对燃烧特性影响研究

火焰筒头部结构是影响预混燃烧的关键参数,试验研究了扩张角55°(渐扩)、90°(突扩)火焰筒分别匹配旋流数0.45、0.65旋流器对燃烧性能的影响。结果表明:突扩火焰筒较渐扩具有更低的贫油熄火极限,且无论突扩还是渐扩火焰筒,均匹配较大旋流数(S_(N)=0.65)具有更低的熄火极限;突扩型火焰筒温度场对旋流器适应性好,各旋流数下均获得较均匀温度场,出口温度分布系数为0.1313~0.1392;渐扩火焰筒对旋流器适应性差,匹配较小旋流数(S_(N)=0.45)温度场均匀性更好,出口温度分布系数为0.1335;突扩火焰筒在NOx排放上具有优势,且匹配小旋流数更佳;渐扩火焰筒在CO、UHC排放上具有优势,且匹配大旋流数更佳。

微小型凹腔燃烧器内甲烷/空气预混火焰特性

对有凹腔的微细通道内甲烷/空气的预混燃烧进行了实验研究,并与无凹腔的情况进行了比较。结果表明,无凹腔时,只出现了稳定或振荡的倾斜火焰;有凹腔时,在很宽的速度范围内火焰均能被有效地稳定,当进气速度接近吹出极限时,火焰锋面发生弯曲和脉动。当量比为0.8、0.9和1.0时有凹腔的微细通道的吹出极限分别为0.8、1.35和1.75 m·s-1,是对应进气条件下燃烧速度的几倍,这表明凹腔具有很强的稳燃能力。数值模拟结果表明,凹腔的斜壁与下游的水平壁面之间的转折点存在很大的速度梯度和剪应力,导致了火焰在高速下被拉断而吹出。总之,有凹腔的微细通道内火焰的稳定性主要由反应区和流场之间的相互作用决定。

液体煤油凹槽火焰稳定极限研究

针对所设计的超燃冲压发动机燃烧室,对液体煤油的凹槽火焰稳定特性进行研究。采用概率密度函数紊流扩散燃烧模型、紊流k-ω模型和离散液滴模型,数值模拟了飞行马赫数为5,不同位置和油气当量比喷射燃料的情况。从凹槽前缘喷射燃料,凹槽在富油时火焰稳定范围比较广;从凹槽底面和后壁喷射燃料,凹槽抑制了富油时火焰稳定范围,而在贫油时火焰稳定范围比较广。火焰结构受燃料喷射位置和油气当量比的影响。油气当量比是3.0时,凹槽出现开放型凹槽流动;而其它的模拟情况,凹槽均出现过渡型凹槽流动,这与冷流时凹槽流动类型不同。深入研究凹槽的热流场特性,使凹槽发挥最大的火焰稳定作用。

煤油燃料超燃冲压发动机燃烧特性实验研究

为研究空气节流时序对超燃冲压发动机点火和火焰稳定的影响,通过实验方法研究了13个状态的煤油燃料超燃冲压发动机的燃烧特性。通过先锋氢气和节流空气增强煤油燃烧的稳定性,利用两个固定位置的压力传感器监测火焰稳定状态,采用纹影和OH-PLIF相结合的测量手段,获得了流场结构和火焰发展信息。发动机入口来流条件为马赫数2.0,总温950K,总压0.82MPa。在空气节流的作用下,煤油被先锋火焰引燃,在先锋氢撤除后,煤油仍然可以稳定燃烧。在扩张段中,空气节流和燃烧共同作用产生的激波串移动速度约为52m/s,但在凹槽内其速度仅为3.7m/s。观测监测点压力变化情况可以区分所研究状态的火焰稳定与否,通过对13个研究状态的考察,获得了火焰稳定临界曲线。当所研究状态点在临界曲线右上方区域时,火焰状态稳定;当所研究状态点在临界曲线左下方区域时,火焰将被吹熄;当所研究状态点在临界曲线上时,火焰不稳定,在空气节流撤除之前将被吹熄。

井喷失控井天然气喷量测定计算与实验研究

钻井过程中突发的天然气井喷事故会造成很大的环境危害和经济损失,准确测定井喷失控时气井产气量便成为制定抢险救援方案的一项重要工作。为此,针对天然气喷流行为特点,通过对天然气喷流流动状态的分析,研究轴对称层流喷流燃烧火焰的速度分布,利用气体伯努利方程分析气井产气量与喷流火焰高度之间的关系,对轴对称层流状态下的失控井喷量进行数值计算,完成了失控井喷量测定计算软件的编制;然后,根据实验测试数据,对比分析软件计算结果与实验测试结果,对计算软件进行了修正。结论认为:(1)当喷口形状一定时,气井产气量与喷流火焰高度呈正比关系,与气体运动黏度、化学计量比因子、氧气浓度呈反比关系;(2)修正后的计算软件计算结果与实际测试结果之间的误差在允许范围内且能够自动生成报表。该研究成果可为生产现场科学、安全的抢险救援方案的制定提供有效的分析技术手段,对失控井抢险救援工作具有实际意义。

突扩燃烧室在准稳态假设下的熄火过程对比分析

在准稳态假设条件下,运用数值模拟方法对火焰的边区驻留与旁侧驻留的两种突扩类型的亚燃冲压发动机燃烧室的熄火过程进行了分析。通过改变燃烧室进气流量和燃油当量比,对比分析了燃烧室在向熄火的压力下限和贫、富油边界转变过程中的流场特征和火焰形态变化。研究显示,中心突扩燃烧室在压力和燃油浓度下降过程中,熄火过程中表现为火焰锋面的中心收缩;旁侧突扩燃烧室则表现为突扩截面内温度的差异,以致火焰稳定功能的丧失。

稀释对射流扩散火焰抬举及吹熄特性影响的实验研究

以低热值气体燃料的燃烧利用为背景,以N_2或CO_2稀释的甲烷或丙烷及内径2mm或3mm的喷管作为多重变量,实验研究了射流扩散火焰的抬举速度及吹熄速度随燃料稀释比的变化规律.结果发现,随着稀释比的增大,火焰抬举速度近似呈线性缓慢减小,吹熄速度近似呈指数快速衰减.分析表明,这主要归因于稀释导致了当量混合层流火焰速度、初始燃料质量分数及燃烧放热的减小,并对低热值气体燃料的燃烧器设计提出了建议.此外,大于临界稀释比时,附着火焰随射流速度的增大不能转变为稳定的抬举火焰而会发生直接吹熄,依据甲烷和丙烷临界稀释比对应的射流雷诺数推测出二者的临界稀释比可能受不同机理的控制.

分级旋流火焰贫熄火特性试验与数值研究

依托分级旋流燃烧器,对3种旋流强度、3种空气分级比及4个预燃级当量比的熄火特性进行实验研究和数值研究。固定预燃级当量比,逐渐降低主燃级燃料流量直至熄火获得熄火边界。研究结果表明:预燃级当量比较高的分级旋流火焰,由于其火焰根部能够在很宽的范围内保持较为稳定的状态,因此该情况下的分级火焰熄火边界较宽。熄火主要经历火焰拉长、角涡回火、火焰沿轴向窜动等几个主要过程。采用数值方法能够捕捉到熄火过程的主要特征现象。对3种熄火极限预测方法进行讨论,选取特征温度法,制定新的熄火极限判定标准。得到适用于本研究分级旋流火焰的熄火极限预测方法。

基于Driscoll凹腔稳焰模型的超声速燃烧火焰稳定尺度效应研究

为了研究超声速燃烧室尺度放大后,保持火焰稳定边界相对于基准燃烧室不变,凹腔火焰稳定器几何参数应遵循何种放大准则的问题,基于已有的Driscoll凹腔稳焰数学模型,采用典型的单凹腔矩形截面燃烧室作为基准燃烧室,分别计算基准燃烧室在贫燃和富燃状态时的火焰稳定准则数DaNP,再按照燃烧室尺度放大定义写出尺度放大燃烧室的稳焰准则数表达式Da′NP,将稳焰边界不变作为约束条件,构建尺度放大准则方程式DaNP=Da′NP,求解准则方程式获得凹腔几何参数放大准则表达式,绘制准则特性曲线,分析归纳近似准则,并通过数值计算方法初步验证准则的有效性。采用Driscoll凹腔稳焰模型的尺度效应分析结果表明,燃烧室放大一定倍数n后,无法通过调整凹腔长度和深度放大倍数k1和k2使得贫燃熄火边界保持不变;但是,可以通过调整参数k1和k2使得富燃熄火边界保持不变,此时凹腔几何参数遵循的放大准则近似为k 1≈k 2≈n^(1/4)。

正癸烷热空气伴流抬举火焰特性研究

实验研究了不同伴流温度、不同燃料摩尔分数条件下正癸烷热空气伴流抬举火焰的相关抬举特性.实验结果表明,在伴流空气温度低于燃料自点火温度时,正癸烷抬举火焰底部呈现典型的三叉火焰结构.在引入浮力速度后,临界抬举速度和燃料当量比条件下的火焰传播速度具有很好的相关性;将临界抬举速度和临界吹熄速度进行无量纲化后,二者都和伴流空气温度具有很好的线性相关性.燃料火焰抬举高度随射流速度增加而增加,随伴流空气温度增加和燃料摩尔分数增加而减小.

壁面厚度和材料对微通道内H_(2)/空气燃烧特性影响的数值模拟

通过数值计算对二维平板微燃烧器内H_(2)/空气的预混燃烧特性进行研究,讨论了壁面厚度和材料对火焰位置、外壁面温度、燃烧效率、热循环比和散热损失比的影响.结果表明:平板的热导率越高、平板厚度越大,火焰的稳定性就越好,吹熄极限和偏斜极限就越大;平板厚度越大、热导率越高,火焰位置越靠近燃烧器的上游,且平板外壁面温度分布更加均匀,燃烧效率和热循环比更高;燃烧器的散热损失比受到火焰温度的影响,并随着火焰温度的升高而降低,但是当进气速度达到偏斜极限时,燃烧效率和火焰温度开始下降,从而导致燃烧的散热损失比开始急剧下降.

小尺寸钝体稳定预混火焰根部的实验和仿真

燃烧室内火焰稳定性对于冲压发动机、涡轮机和加力燃烧室至关重要,而火焰稳定机理是燃烧室稳定性设计的重要参考。从火焰传播和稳定机理来看火焰根部是重要影响因素,而传统火焰稳定性的研究着重关注较大尺寸的钝体,对于小尺寸钝体的研究很少,重在研究小尺寸钝体后火焰稳定特性,研究对象为一个二维贫油甲烷预混火焰。在实验中,钝体尺寸为5 mm,Re数范围是126~315,进口来流速度和当量比分别调节,以观察火焰根部特性随相关参数的变化情况。当进口速度增加,火焰根部向下游移动;当当量比减小,火焰根部同样向下游移动。在仿真中,钝体尺寸为1 mm和2 mm,Re数范围是45~250。结果显示,在1 mm钝体后存在一个火焰根部,并随来流速度增加而向下游移动;在2 mm钝体后存在两个火焰根部,并随来流速度增加向下游移动,并最终合为一个直至发生火焰吹熄。对于小尺寸钝体稳定预混火焰,当火焰临近吹熄发生时,火焰根部均向下游移动,在这个移动过程中火焰根部能有效维持火焰面的传播,直至最终吹熄的发生。通过研究发现的火焰现象可用于支撑未来半经验公式的建立。

离心条件下后台阶贫油熄火特性

利用气流通过弯管产生的离心效应来模拟高速旋转的工况,研究高位后台阶火焰稳定器的关键几何参数对液雾燃烧贫油熄火特性的影响.通过控制后台阶高度,台阶板长度,后台阶到上壁面的距离三个几何参数,考察它们对后台阶火焰稳定器贫油熄火特性的影响.试验得到的结果表明在离心条件下,后台阶高度和台阶板长度对贫油熄火特性的影响较大,随着后台阶高度和台阶板长度的增加,贫油熄火极限降低,范围拓宽;而后台阶到上壁面的距离对贫油熄火特性影响很小;对于同一个后台阶而言,随着离心力的增加,后台阶火焰稳定器的贫油熄火极限也降低,熄火范围拓宽.

弯曲通道模拟离心条件下的主燃级和预燃级联焰试验

冲压转子发动机是冲压发动机和燃气涡轮发动机的有机结合,其结构简单。冲压转子发动机燃烧室由于其内部受到强离心力场的作用,燃烧室火焰的稳定燃烧以及传播都会受其影响。为了得到离心力场对分级燃烧中两级联焰的影响规律,本文进行了试验研究工作。针对燃烧室在强离心条件下的燃烧特点,采用弯曲通道模拟气流的离心效应。在弯曲试验段上对预燃级和主燃级进行了联焰研究,试验在常温常压条件下进行,进口气流速度范围为10～70m/s。试验中考察了离心力、燃油分级比例以及主燃级燃油喷射初始角度对联焰的影响,试验结果初步验证了燃烧方案的可行性,为冲压转子发动机燃烧室的研究奠定了基础。

滑动弧辅助甲烷/氨旋流火焰的稳燃和排放特性

本文针对滑动弧等离子体辅助下的甲烷/氨气/空气预混旋流火焰,研究了其燃烧稳定性以及NO_(x)排放特性。研究结果表明,滑动弧不仅能够大幅拓展甲烷/氨气/空气预混旋流火焰的贫燃吹熄极限(在开放空间和受限空间中,贫燃吹熄极限分别从0.60~0.80拓宽到0.30),同时能够降低NO_(x)排放量。随后,通过NH_(2)^(*)化学自发光的光学测量,分析了滑动弧等离子体降低NO_(x)排放的可能机理。

替代燃料贫油熄火边界影响因素

为了研究燃油以及入口空气压力对于贫油熄火(LBO)边界的影响大小及规律,采用航空煤油(RP-3)、高沸点费托油(FT)和柴油进行了三种不同燃烧室入口压力工况下的贫油熄火实验并进行规律分析。分析结果表明:入口压力对贫油熄火边界的影响(19.17%)要大于燃油性质造成的影响(6.26%)。导致熄火油气比变化的主要因素包括入口空气压力,火焰体积,燃烧室温度,燃油雾化直径以及燃油的热值和密度,其中火焰体积和燃油雾化直径主要受燃油性质影响,而燃烧室温度则与入口压力有很大关系。入口压力影响的贫油熄火油气比变化会受其影响的火焰体积和燃烧室温度变化而削弱。碳数高支链烷烃含量少的燃油可能会提高火焰体积对熄火油气比的影响,使其在低入口压力下有更好的贫油熄火边界。

喷嘴间距对贫油熄火特性和流场结构的影响

为深入认识喷嘴间距对燃气轮机燃烧室贫油熄火和气动性能的影响,基于典型的双旋流扩散燃烧喷嘴设计了喷嘴位置连续变化可调的双头部模型燃烧室。实验测量了不同初始当量比条件下喷嘴间的最大传焰距离,分析了火焰传播的动态过程;此外还研究了喷嘴间距对贫油熄火当量比、反应流场和方均根速度场的影响。实验结果表明:当量比每增加0.1,无量纲最大联焰间距增大0.2左右,并且喷嘴间的联焰过程大致可分为四个阶段;单喷嘴的贫油熄火当量比大于任意喷嘴间距下双喷嘴的贫油熄火当量比;随着喷嘴间距的减小,贫油熄火当量比先减小后增大;另外,喷嘴间距减小导致射流合并,气流径向速度抵消变小,中心射流速度峰值增大以及回流区尺寸缩小;随着喷嘴彼此靠近,喷嘴间的方均根速度变大,分布区域变广。