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Experimental Investigation of the Flame Propagation and Flashback Behavior of a Green Propellant Consisting of N2O and C2H4 被引量:6
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作者 Lukas Werling Felix Lauck +3 位作者 Dominic Freudenmann Nicole Rocke Helmut Ciezki Stefan Schlechtriem 《Journal of Energy and Power Engineering》 2017年第12期735-752,共18页
Regarding the research on alternatives for monopropellant hydrazine, several so called green propellants are currently under investigation or qualification. Aside others, the DLR Institute of Space Propulsion investig... Regarding the research on alternatives for monopropellant hydrazine, several so called green propellants are currently under investigation or qualification. Aside others, the DLR Institute of Space Propulsion investigates a N20/C2I-I4 premixed green propellant. During the research activities, flashback from the rocket combustion chamber into the feeding system has been identified as a major challenge when using the propellant mixture. This paper shows the results of ignition experiments conducted in a cylindrical, optical accessible ignition chamber. During the ignition and flame propagation process, pressure, temperature and high-speed video data were collected. The high speed video data were used to analyze the flame propagation speed. The obtained propagation speed was about 20 rn/s at ignition, while during further propagation of the flame speeds of up to 120 m/s were measured. Additionally, two different porous materials as flame arresting elements were tested: Porous stainless steel and porous bronze material. For both materials Peclet numbers for flashback were derived. The critical Peclet number for the sintered bronze material was around 20, while for the sintered stainless steel the critical Peclet number seems to be larger than 40. Due to the test results, sintered porous materials seem to be suitable as flashback arresters. 展开更多
关键词 Green rocket propellants ignition flame flashback N2O C2H4 premixed gases flashback an'esters porous materials.
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富氢燃料气射流预混火焰回火特性的研究进展 被引量:1
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作者 吕海陆 李丹 +1 位作者 张扬 张海 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第12期2718-2731,共14页
燃气轮机是一种重要的动力设备,是碳中和的重要环节,燃用富氢燃料气是降低其碳排放的有效途径.由于氢气的化学反应活性高、燃烧速率快,使得燃烧室内预混射流火焰发生回火的风险大大增加,即火焰有可能从燃烧室向上游预混气管道传播.文章... 燃气轮机是一种重要的动力设备,是碳中和的重要环节,燃用富氢燃料气是降低其碳排放的有效途径.由于氢气的化学反应活性高、燃烧速率快,使得燃烧室内预混射流火焰发生回火的风险大大增加,即火焰有可能从燃烧室向上游预混气管道传播.文章综述了近20年来富氢燃料气射流火焰回火的代表性实验及数值模拟的研究进展,介绍了包含燃料氢含量、来流温度及工作压力等参数、喷嘴结构与尺寸、热声振荡和微混燃烧器等对回火特性影响的研究成果,现有研究表明,边界层内火焰传播速度超过来流速度是造成回火的主要因素,控制来流速度、来流温度、改变局部燃料浓度可以克服或者减缓回火.根据目前的研究现状和发展动态,对未来的研究方向进行了展望. 展开更多
关键词 富氢燃料气 射流火焰 预混火焰 回火特性 燃气轮机
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凹腔稳燃超声速燃烧火焰闪回不稳定性的数值研究
3
作者 肖烨炘 金台 《应用数学和力学》 CSCD 北大核心 2023年第9期1042-1053,共12页
针对等直截面超燃冲压发动机燃烧室中火焰闪回低频燃烧振荡现象,采用延迟分离涡模拟(DDES)的混合RANS/LES方法结合PaSR湍流燃烧模型进行了三维模拟研究.计算得到了完整的燃烧振荡周期,与实验中的低频燃烧振荡现象较为一致.低频燃烧振荡... 针对等直截面超燃冲压发动机燃烧室中火焰闪回低频燃烧振荡现象,采用延迟分离涡模拟(DDES)的混合RANS/LES方法结合PaSR湍流燃烧模型进行了三维模拟研究.计算得到了完整的燃烧振荡周期,与实验中的低频燃烧振荡现象较为一致.低频燃烧振荡周期可分为凹腔火焰稳定、火焰回传、火焰吹熄3个阶段.通过分析低频燃烧振荡周期中不同阶段的燃烧流动状态,给出了可能的低频燃烧振荡的形成机制.研究结果表明,在整个低频燃烧振荡周期中燃烧室内没有发生热壅塞,燃烧室提供的背压和燃烧释热是燃烧室内形成低频燃烧振荡的关键. 展开更多
关键词 火焰闪回 超声速低频燃烧振荡 燃烧流动 热壅塞
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非稳态超声速燃烧研究进展 被引量:4
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作者 孙明波 蔡尊 +5 位作者 王亚男 赵国焱 孙永超 李佩波 万明罡 李亮 《空气动力学学报》 CSCD 北大核心 2020年第3期532-551,共20页
超燃冲压发动机内部的超声速燃烧过程已经得到了持续和广泛的研究。随着研究的不断深入,超声速燃烧基础研究的关注热点,也逐渐从以火焰稳定过程为代表的准稳态过程,转到了以燃烧振荡过程为代表的非稳态过程。目前,非稳态超声速燃烧及其... 超燃冲压发动机内部的超声速燃烧过程已经得到了持续和广泛的研究。随着研究的不断深入,超声速燃烧基础研究的关注热点,也逐渐从以火焰稳定过程为代表的准稳态过程,转到了以燃烧振荡过程为代表的非稳态过程。目前,非稳态超声速燃烧及其调控已经成为超燃冲压发动机迈向真正实用化所必需解决的问题。本文以非稳态超声速燃烧作为研究对象,分别针对超燃冲压发动机燃烧室中的声学振荡、流动诱导的燃烧不稳定、点火过程、火焰闪回以及近吹熄极限的火焰不稳定这五个典型非稳态超声速燃烧过程进行了系统的综述,梳理了近年来关于非稳态超声速燃烧过程的研究进展,分析了非稳态超声速燃烧过程机理并给出了一些模型及调控方法。最后,为下一步开展非稳态超声速燃烧研究提出了建议。 展开更多
关键词 超声速燃烧 声学振荡 流动不稳定性 点火 火焰闪回 吹熄极限
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燃气轮机燃烧回火机理与数值模拟的研究进展 被引量:9
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作者 张文普 李宇斌 《燃烧科学与技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第5期385-401,共17页
回火是指火焰向上游传播,从燃烧室进入到预混区的一种燃烧不稳定现象,它是燃烧中最基本和重要的现象之一,从根本上决定了燃烧装置的可靠性.回顾了回火研究的发展历程,详细概述了回火现象发生的5种机制:自动点火、燃烧不稳定性回火、中... 回火是指火焰向上游传播,从燃烧室进入到预混区的一种燃烧不稳定现象,它是燃烧中最基本和重要的现象之一,从根本上决定了燃烧装置的可靠性.回顾了回火研究的发展历程,详细概述了回火现象发生的5种机制:自动点火、燃烧不稳定性回火、中心流回火、边界层回火和燃烧诱发旋涡破碎引起的回火CIVB(combustion induced vortex breakdown),重点介绍了回火研究领域最近30年的主要工作和当前的研究现状,指出当前燃气轮机回火现象的研究主要集中以下3个方面:燃料组分对回火特性的影响,旋流对回火特性的影响,回火的数值模拟.在此基础上,提出了未来燃气轮机回火研究的重点和方向. 展开更多
关键词 回火机理 边界层回火 CIVB回火 燃料组分 旋流 数值模拟
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预混段结构对氢燃料旋流预混燃烧诱导涡破碎回火极限影响的数值研究 被引量:17
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作者 田晓晶 崔玉峰 +1 位作者 房爱兵 聂超群 《中国电机工程学报》 EI CSCD 北大核心 2014年第8期1276-1284,共9页
燃烧诱导涡破碎(combustion induced vortex breakdown,CIVB)回火是氢燃料旋流预混燃烧可靠运行所面临的重要问题之一。文中通过数值模拟分析了预混段长度L和预混段出口水力直径D对CIVB回火极限的影响。数值"试验"设计方案的... 燃烧诱导涡破碎(combustion induced vortex breakdown,CIVB)回火是氢燃料旋流预混燃烧可靠运行所面临的重要问题之一。文中通过数值模拟分析了预混段长度L和预混段出口水力直径D对CIVB回火极限的影响。数值"试验"设计方案的选取借鉴试验设计(DOE)方法,而结果处理则采用方差分析方法。得到如下结论:L和D对回火临界当量比?cri和熄火因子Cquen都有显著影响,其中?cri对应LD2,Cquen对应LD;预混段结构通过改变混合物在预混段内的停留时间作用于CIVB回火极限,可以通过减小L或D改善CIVB回火的发生;此外,文中证实了回火极限与预混段几何结构间函数关系的存在,拓宽了已有时间尺度模型的应用范围。 展开更多
关键词 燃烧诱导涡破碎回火 预混段结构 回火极限 流预混 氢燃料火焰
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预混段结构对旋流预混氢火焰回火形式影响的数值研究 被引量:9
7
作者 田晓晶 崔玉峰 +2 位作者 邢双喜 房爱兵 聂超群 《推进技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第3期345-351,共7页
为了区分不同类型的回火形式,以便可以对不同类型的回火施加不同的控制方法,引入试验设计(DOE)方法和方差分析方法数值分析了预混段长度L和预混段出口处水力直径D对回火形式和回火极限的影响。主要得到如下结论:L和D对回火极限均有显著... 为了区分不同类型的回火形式,以便可以对不同类型的回火施加不同的控制方法,引入试验设计(DOE)方法和方差分析方法数值分析了预混段长度L和预混段出口处水力直径D对回火形式和回火极限的影响。主要得到如下结论:L和D对回火极限均有显著影响,通过减少混合物在预混段内的停留时间可以同时改善燃烧诱导涡破碎(CIVB)回火和边界层回火;L/D存在两个临界值,当L/D≤(L/D)cri1时发生边界层回火,当L/D>(L/D)cri2时发生CIVB回火,当(L/D)cri1<L/D≤(L/D)cri2时可能只发生CIVB回火或两种回火形式共存;L/D通过改变CIVB回火发生所需的临界切向涡量值而作用于CIVB回火,L/D值越大,诱发CIVB回火所需的临界切向涡量值越小,越容易发生CIVB回火。 展开更多
关键词 燃烧诱导涡破碎回火 边界层回火 回火形式 切向涡量 氢燃料火焰
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旋流强度对氢气预混火焰CIVB回火的影响 被引量:2
8
作者 段冬霞 黄辉 +2 位作者 胡宏斌 徐佳恒 聂超群 《推进技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第4期819-826,共8页
为了研究旋流强度对氢气预混火焰燃烧诱导涡破碎(CIVB)回火的影响,以便深入理解氢气的CIVB回火特点进而减弱回火,首先采用二维轴对称模型,并使用用户自定义函数(UDF)修改动量守恒方程来模拟旋流,得到了不同旋流数下氢气预混火焰的CIVB... 为了研究旋流强度对氢气预混火焰燃烧诱导涡破碎(CIVB)回火的影响,以便深入理解氢气的CIVB回火特点进而减弱回火,首先采用二维轴对称模型,并使用用户自定义函数(UDF)修改动量守恒方程来模拟旋流,得到了不同旋流数下氢气预混火焰的CIVB回火极限,然后从旋流强度对流场特性和火焰特性两方面的影响进行深入分析。结果表明:对于无中心体旋流预混喷嘴中氢气火焰的CIVB回火,旋流数从0.409增加到0.432,从流场条件分析,旋流数增加使负切向涡量增加,对回火起促进作用;从火焰条件分析,旋流数增加使氢气湍流火焰速度先增加后减小,最后趋于猝熄,对回火先起促进作用后起抑制作用。流场和火焰条件共同决定了旋流数对氢气预混火焰CIVB回火的影响趋势,即旋流数增加先促进回火后抑制回火。 展开更多
关键词 燃烧诱导涡破碎回火 旋流数 氢气预混火焰 负切向涡量 湍流火焰速度
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基于试验设计方法对氢燃料CIVB回火的多参数数值分析 被引量:2
9
作者 田晓晶 崔玉峰 +2 位作者 邢双喜 房爱兵 聂超群 《推进技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第6期1098-1107,共10页
为了能够全面考察多因素,包括质量流量、燃烧室结构(旋流器结构和预混段结构)、温度和燃料组分等对燃烧诱导涡破碎(CIVB)回火的影响,采用试验设计(DOE)方法进行多参数数值分析。对于CIVB回火的模拟采用二维轴对称模型,并补充用户自定义... 为了能够全面考察多因素,包括质量流量、燃烧室结构(旋流器结构和预混段结构)、温度和燃料组分等对燃烧诱导涡破碎(CIVB)回火的影响,采用试验设计(DOE)方法进行多参数数值分析。对于CIVB回火的模拟采用二维轴对称模型,并补充用户自定义函数(UDF)来模拟旋流器的存在。结果表明:因素对CIVB回火影响的重要程度排序依次为:旋流器结构>预混段结构>温度>燃料组分>质量流量;其中,旋流器结构、预混段结构、温度和燃料组分对于CIVB回火具有高度显著的影响,而质量流量以及任意两因素间的交互作用可以忽略;各因素主要通过改变流场和火焰特性作用于CIVB回火。 展开更多
关键词 燃烧诱导涡破碎回火 试验设计方法 参数化分析 氢燃料火焰
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基于动态增厚模型的甲烷/空气预混旋流燃烧回火大涡模拟 被引量:1
10
作者 夏昊 王金华 +3 位作者 卫旭涛 韩旺 吴凤荣 黄佐华 《燃烧科学与技术》 CAS CSCD 北大核心 2022年第6期667-672,共6页
基于动态增厚模型大涡模拟,耦合甲烷两步化学反应机理对甲烷预混火焰在德克萨斯大学旋流燃烧器中的回火过程进行模拟研究.分别采用绝热边界条件及考虑热损失边界条件对回火过程进行模拟,对比两种边界条件下的回火热释放及回火速度可以发... 基于动态增厚模型大涡模拟,耦合甲烷两步化学反应机理对甲烷预混火焰在德克萨斯大学旋流燃烧器中的回火过程进行模拟研究.分别采用绝热边界条件及考虑热损失边界条件对回火过程进行模拟,对比两种边界条件下的回火热释放及回火速度可以发现,考虑热损失后回火速度更接近实验值.回火过程中火焰面会形成火舌结构,火舌顺着预混段内流场方向作周向运动,同时沿着中心体壁面向上游传播.而当边界层回火占主导时,火舌顶端周向运动不明显. 展开更多
关键词 预混钝体旋流火焰 回火 动态增厚 大涡模拟
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燃料分级对旋流火焰的动态特性影响研究 被引量:3
11
作者 张志浩 巩耀禛 +2 位作者 刘潇 杨家龙 郑洪涛 《推进技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第9期2088-2098,共11页
为深入研究分级旋流火焰特性,以分级旋流模型燃烧室为研究对象,对四个不同燃料分级比(Rf)条件下的分级旋流火焰进行了数值研究,在时均燃烧场特性分析的基础上进一步对燃料分级比为1和3两个工况进行了基于壁面建模的大涡模拟(WMLES)研究... 为深入研究分级旋流火焰特性,以分级旋流模型燃烧室为研究对象,对四个不同燃料分级比(Rf)条件下的分级旋流火焰进行了数值研究,在时均燃烧场特性分析的基础上进一步对燃料分级比为1和3两个工况进行了基于壁面建模的大涡模拟(WMLES)研究。结果表明:燃料分级比的改变会影响中心回流区(CRZ)的长度和宽度。燃烧室中截面的散点分布图能够显示出不同燃料分级比条件下的燃烧特征。燃料分级比为1时,燃烧室剪切层仅存在零散的涡破碎区;而燃料分级比为3时,伴随涡破碎区还出现了单螺旋分支进动涡核(PVC)。通过FFT变换获得的燃烧室内剪切层速度能谱主频与进动涡核的旋转频率相同,表明内剪切层速度脉动的产生与进动涡核有关。另外进动涡核会使流场内的燃料分布和燃烧模式发生周期性的变化,进而影响燃烧过程。调整燃料分级比在1附近,能够使分级火焰达到稳定燃烧降低排放的目标。 展开更多
关键词 分级旋流火焰 剪切层 回火 大涡模拟 进动涡核
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喷注方案对凹腔稳焰燃烧室低频振荡的影响研究
12
作者 崔兴达 孙明波 +2 位作者 汪洪波 江雄 李伟 《推进技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第10期2370-2380,共11页
为了研究在入口来流马赫数2.52,总温1486K的超声速来流条件下,稳焰凹腔上游不同位置乙烯横向喷注对模型发动机燃烧室内低频燃烧振荡特性的影响,通过1kg/s直连式超燃试验平台,利用高频压力传感器、高速摄影相机等设备,对凹腔上游近距离... 为了研究在入口来流马赫数2.52,总温1486K的超声速来流条件下,稳焰凹腔上游不同位置乙烯横向喷注对模型发动机燃烧室内低频燃烧振荡特性的影响,通过1kg/s直连式超燃试验平台,利用高频压力传感器、高速摄影相机等设备,对凹腔上游近距离、远距离喷注等方案的发动机内部压力与火焰动态特性进行了研究。试验结果表明:在当前当量比条件下,当稳焰凹腔上游近距离喷注燃料时,燃烧室存在较大范围亚声速区域,并出现由热声不稳定性激励的低频压力振荡,频率分布范围较宽(50~400Hz)且振幅较弱。对于燃料喷注位置到稳焰凹腔距离较远的情况,燃烧室内出现以火焰逆传和火焰吹脱为特征的周期性火焰振荡现象。分析认为较远喷注距离有利于燃料-空气充分混合并形成预混区,导致火焰快速逆传。火焰逆传与DDT (爆燃转爆震)中的火焰加速传播过程有关。周期性火焰逆传与火焰吹脱过程相耦合形成了具有特定主频(约85Hz)且振幅较大的低频压力振荡。 展开更多
关键词 低频燃烧振荡 喷注位置 稳焰凹腔 热声不稳定性 火焰逆传 火焰加速 爆燃转爆震
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超声速燃烧不稳定的尺度效应分析
13
作者 刘铭江 赵国焱 +3 位作者 孙明波 汤涛 李亮 汪洪波 《燃烧科学与技术》 CAS CSCD 北大核心 2021年第4期451-459,共9页
为了研究超燃冲压发动机中燃烧不稳定现象尺度效应的规律和原理,参照超声速燃烧实验开展多种尺度条件下的二维数值仿真计算研究,系统分析了不同尺度条件下边界层厚度、燃料混合效率对燃烧不稳定现象的作用规律.进一步通过设计多组喷注... 为了研究超燃冲压发动机中燃烧不稳定现象尺度效应的规律和原理,参照超声速燃烧实验开展多种尺度条件下的二维数值仿真计算研究,系统分析了不同尺度条件下边界层厚度、燃料混合效率对燃烧不稳定现象的作用规律.进一步通过设计多组喷注条件与凹腔构型,分析燃烧不稳定现象的敏感因素.结果表明:燃料和主流的混合效率是影响燃烧不稳定现象的关键因素,边界层相对厚度与燃料混合效率正相关,超声速燃烧尺度通过影响边界层相对厚度影响燃烧不稳定现象.超声速燃烧不稳定具体表现为燃烧振荡,火焰闪回是燃烧振荡的首个子过程,热力学喉道的形成是火焰闪回现象的必要条件.凹腔尺度通过影响凹腔、主流之间质量和热量交换程度影响火焰闪回速度.来流总温通过抑制热力学喉道的形成抑制火焰闪回现象,喷注压力和喷注方向通过影响燃料和主流的混合效率影响燃烧不稳定现象. 展开更多
关键词 燃烧不稳定 尺度效应 火焰闪回
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来流预混均匀性对湍流射流火焰回火特性的影响 被引量:3
14
作者 李丹 吕海陆 +3 位作者 张扬 张海 周托 吕俊复 《清华大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第4期560-571,共12页
微混燃烧器的可燃气体预混发生在距燃烧器喷嘴出口较近的地方,可燃气在喷嘴出口可能存在一定的不均匀性,对回火的影响值得关注。使用高速摄像和纹影法实验观测了4种燃料预混方式对氢气(H2)、一氧化碳(CO)和空气湍流射流火焰回火特性的影... 微混燃烧器的可燃气体预混发生在距燃烧器喷嘴出口较近的地方,可燃气在喷嘴出口可能存在一定的不均匀性,对回火的影响值得关注。使用高速摄像和纹影法实验观测了4种燃料预混方式对氢气(H2)、一氧化碳(CO)和空气湍流射流火焰回火特性的影响,并使用粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术测量了回火条件下的出口流场,结果表明在不同预混方式下,湍流射流火焰的回火都属于边界层回火,混合均匀性不影响湍流射流火焰回火机理。高速摄像结果显示,回火前接近化学当量状态下,预混火焰周围呈蓝色且存在扩散火焰层,而混合程度最劣条件下的一侧扩散火焰呈明显的橘红色,加之回火开始于同侧,表明该侧氢气浓度较高;随着混合均匀性改善,橘红色扩散火焰逐渐消失,发生回火的起始位置呈随机性。通过纹影图像能较清晰地分辨回火发生的时刻和位置,观测的回火过程用时与高速摄像结果一致。不同来流预混方式的回火速度范围存在一定差异,来流混合程度差更容易发生回火。结合PIV测量结果分析表明:来流预混形式对喷口附近气流速度场影响不大,其对回火的影响主要体现在浓度分布的变化,主要因素是壁面附近火焰传播速度的改变。 展开更多
关键词 富氢燃料气 来流气体混合均匀性 湍流射流火焰 回火 流场特性
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