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.

CH4/CO2非预混射流火焰燃烧特性实验研究

为了掌握含杂质生物沼气在工业燃烧装置中非预混射流火焰燃烧特性,对CH4/CO2非预混射流火焰在300 K和600 K伴流空气中的火焰形态、火焰高度以及推举高度进行了实验研究,并与CH4/N2非预混射流火焰燃烧特性进行对比.实验结果表明:在相同工况下,CH4/CO2火焰高度较低,但其推举高度高于CH4/N2火焰;两种火焰推举高度随伴流温度升高而降低.采用预混火焰模型对火焰推举高度进行了理论分析,得到了两种非预混火焰无量纲火焰推举高度与无量纲燃料流速的关联式.基于预混火焰模型的理论分析表明,预混气层流火焰速度及燃料和氧化剂密度比对非预混火焰的推举高度的影响较为显著.

横向扰流条件下的喷射火脱火高度计算

通过对Thornton模型的深入分析,以其风力影响下的火焰抬升高度计算公式为基础,得出了横向风力条件下的喷射火脱火高度计算模型,进而根据扰流和风力产生脱火的本质相同,利用火焰倾角这一关键参数将扰流速度转化为同等条件下的风速,最终建立了横向扰流条件下的脱火高度计算模型,并设计了同步数据采集实验平台对该模型进行检验及修正,结果表明:模型仿真结果与实验结果变化趋势相同,但在数值上存在一定差别;根据实验数据添加修正系数后,计算模型与实验结果符合良好;脱火发生后,随着横向扰流速度的增大,脱火高度逐渐增大并趋于平缓;相同条件下,扰流喷口半径越大,形成的脱火高度越大.另外实验发现,达到脱火条件时,火焰存在"腾跃"现象,即火焰瞬间脱离燃气喷口上升到一定高度.

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.

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.

氢气/甲烷扩散火焰特性实验研究

燃烧的基本特性如抬举高度、层流燃烧速度以及射流出口速度等与燃烧装置的设计有关。对纯氢气火焰、氢气/甲烷、氢气/甲烷/CO2扩散火焰的抬举高度和射流出口速度进行了实验研究,并对层流燃烧速度进行了分析。研究认为,抬举高度随着射流出口速度的增加而线性增加。层流燃烧速度随氢气体积分数的增加呈指数增长,特别当氢气体积分数>40%以后,层流燃烧速度随氢气体积分数显著增加。

湍流热伴流中氢气与乙炔射流自着火实验

氢燃料燃气轮机是碳中和目标下氢燃料发电的关键设备,因此探究湍流热伴流中氢气自着火特征以及与碳氢燃料间的差异具有重要意义。该文采用湍流热伴流自着火实验系统,通过获取火焰图像和OH自由基分布,对比分析了氢气和乙炔在自着火类型、结构等方面的差异。结果表明:受氢气的高扩散系数和高火焰传播速度影响,氢气随机着火分布区域较紧凑,OH自由基分布较连续,同时难以观测到独立自着火核。此外,相较于乙炔,氢气自着火抬升高度对燃料射流速度敏感性较低,自着火位置波动性较弱。基于氢气射流自着火特征,该文还改进了自着火抬升高度预测模型,并证明了火焰传播在氢气射流自着火火焰稳定方面的重要作用。

甲烷/氧气层流反扩散火焰形态及滞后特性研究

对空气气氛中甲烷/氧气反扩散火焰的形态和推举滞后特性进行了实验研究.实验中通过改变气体流量考察了气速变化对火焰形态演变及滞后特性的影响,并利用紫外相机系统研究了气速对不同形态火焰中OH*分布的影响.研究结果表明:甲烷气速、氧气气速和火焰的历史状态是决定火焰形态的三个重要参数,并以此对实验范围内的火焰形态进行了分区;氧气气速对不同形态反扩散火焰轴线上的OH*分布有相似的影响,当氧气缺乏时,反扩散反应区较短,当氧气富余时,反扩散反应区在轴向分布较广;同轴甲烷的气速对反扩散火焰的滞后特性影响显著,随着甲烷气速的增加,反扩散火焰的推举速度和再附着速度呈线性减小,部分预混火焰向反扩散火焰转变的速度呈线性增加.