負(fù)壓下的層流預(yù)混火焰結(jié)構(gòu)及火焰不穩(wěn)定機(jī)理研究

本項(xiàng)目以負(fù)壓下的層流預(yù)混火焰為研究對(duì)象，開(kāi)展了火焰結(jié)構(gòu)、火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧娣€(wěn)定性的試驗(yàn)和仿真研究。 首先開(kāi)展了平面預(yù)混火焰的試驗(yàn)研究。通過(guò)采用CH4、C2H2、H2三種燃料，O2和空氣兩種氧化劑，研究了不同反應(yīng)速度下的火焰結(jié)構(gòu)；研究了壓力為9kPa~100kPa、當(dāng)量比為0.7～1.3時(shí)的火焰結(jié)構(gòu)及其特征參數(shù)，獲得了精細(xì)的一維火焰結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：隨著壓力降低，OH*和CH*的峰值濃度位置越高，火焰厚度越寬，更有利于獲得細(xì)節(jié)的火焰結(jié)構(gòu)。近熄火狀態(tài)下，氣流速度雖略大于火焰?zhèn)鞑ニ俣龋梢酝ㄟ^(guò)一定的火焰彎曲達(dá)到較穩(wěn)定的燃燒。 接著開(kāi)展了對(duì)沖火焰的試驗(yàn)研究，考察了壓力、當(dāng)量比和應(yīng)變率對(duì)自發(fā)輻射和PLIF光強(qiáng)峰值、光強(qiáng)分布等的影響。結(jié)果表明：OH*自發(fā)輻射光強(qiáng)峰值隨壓力增長(zhǎng)而減?。蝗N激發(fā)態(tài)粒子隨應(yīng)變率的增長(zhǎng)都是先增大后減小的，在應(yīng)變率64.48～96.72s-1時(shí)達(dá)到最大值；應(yīng)變率越大，激發(fā)態(tài)粒子的分布越寬，但OH基濃度逐漸下降。 然后開(kāi)展了自發(fā)輻射數(shù)值研究。通過(guò)分析和驗(yàn)證OH*和CH*的產(chǎn)生機(jī)理，開(kāi)展了平面火焰和對(duì)沖火焰結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算，所得激發(fā)態(tài)粒子的分布與自發(fā)輻射試驗(yàn)結(jié)果較為一致；考察了不同燃料類型、不同壓力和當(dāng)量比下的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，獲得了其影響規(guī)律。 最后開(kāi)展了層流預(yù)混火焰的自發(fā)不穩(wěn)定性研究。通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)壓壓力，可以實(shí)現(xiàn)火焰的自發(fā)不穩(wěn)定。研究表明：這種自發(fā)不穩(wěn)定有上下振動(dòng)、左右交替熄滅等多種形態(tài)，振動(dòng)頻率為30～200Hz；在上下振動(dòng)模態(tài)中，火焰振動(dòng)頻率與火焰高度振幅大致成反比，高度振動(dòng)和強(qiáng)度振動(dòng)具有同頻率但不同相位的特點(diǎn)，且高度振幅和強(qiáng)度振幅隨壓力增大先增加后減小；分析表明：火焰熱釋放與爐盤之間的傳熱耦合是自發(fā)不穩(wěn)定的內(nèi)在激勵(lì)機(jī)制。 2100433B

本項(xiàng)目利用負(fù)壓下火焰鋒將展寬的特點(diǎn)，采用先進(jìn)光學(xué)手段對(duì)負(fù)壓下的層流預(yù)混火焰進(jìn)行研究。首先研究不同燃燒方式、不同混合氣組成、不同壓力下的火焰結(jié)構(gòu)，特別是得到細(xì)節(jié)的反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)，建立包含詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)的層流預(yù)混火焰模型；然后研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)下的火焰速度，特別是明晰火焰的膨脹和壓縮、拉伸和皺褶的規(guī)律及其對(duì)火焰速度的影響；最后通過(guò)實(shí)現(xiàn)層流預(yù)混火焰的自發(fā)不穩(wěn)定，測(cè)量發(fā)生不穩(wěn)定時(shí)的火焰結(jié)構(gòu)和特征參數(shù)，分析其主要影響因素，探求在考慮反應(yīng)區(qū)厚度時(shí)的火焰不穩(wěn)定機(jī)理。.本項(xiàng)目的研究將有助于深入了解層流預(yù)混火焰的反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)及其對(duì)火焰速度和穩(wěn)定性的影響，有助于加深對(duì)負(fù)壓燃燒過(guò)程的理解，為設(shè)計(jì)出高效穩(wěn)定的負(fù)壓燃燒器提供機(jī)理性認(rèn)識(shí)。

本項(xiàng)目采用理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究等方法開(kāi)展氣體燃料缸內(nèi)預(yù)混火焰穩(wěn)定性的基礎(chǔ)研究工作。通過(guò)建立氣體燃料穩(wěn)定性的理論分析模型，獲得了不同Lewis數(shù)、活化溫度和膨脹比下的色散關(guān)系，得到了臨界波數(shù)和不穩(wěn)定性波數(shù)隨不同初始參數(shù)的變化規(guī)律，提出了描述氣體燃料層流預(yù)混火焰不穩(wěn)定性的修正色散關(guān)系表達(dá)式。耦合詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和無(wú)發(fā)射邊界條件，建立了低熱值氣體燃料摻氫平面層流火焰的直接數(shù)值模擬模型，通過(guò)模擬分析獲得了不同穩(wěn)定性作用下火焰的動(dòng)力學(xué)形態(tài)變化及產(chǎn)生機(jī)理，研究了燃料中非烴組分和氫組分對(duì)火焰面演變形態(tài)、組分分布的影響，并研究了流體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性和熱-質(zhì)擴(kuò)散不穩(wěn)定性作用下火焰的傳播速度與位移速度的變化。開(kāi)發(fā)了高溫高壓定容燃燒彈測(cè)試系統(tǒng)，基于該測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)展了不同燃空當(dāng)量比、初始?jí)毫统跏紲囟取⒎菬N氣體組分比例和摻氫比下低熱值氣體燃料摻氫燃燒時(shí)層流燃燒速度和火焰穩(wěn)定性的試驗(yàn)研究，分析了不同初始條件下火焰的傳播特性，不穩(wěn)定性機(jī)理占主導(dǎo)作用時(shí)胞狀火焰的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并研究了不穩(wěn)定火焰的自加速特性。建立了低熱值氣體燃料摻氫發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)湍流預(yù)混火焰分析模型，開(kāi)展了著火階段點(diǎn)火區(qū)域附近的湍流特征參數(shù)對(duì)初期火焰形成與發(fā)展的穩(wěn)定性影響，獲得了不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和點(diǎn)火時(shí)刻下缸內(nèi)全局與點(diǎn)火位置局部流場(chǎng)參數(shù)的變動(dòng)規(guī)律，研究了缸內(nèi)初始火核形成過(guò)程中火核半徑等參數(shù)的變化歷程，開(kāi)展了火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中缸內(nèi)湍流的渦團(tuán)結(jié)構(gòu)分布特性的研究，闡明了低熱值氣體燃料摻氫發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)湍流-火焰相互作用的主要機(jī)理,并研究了低熱值氣體摻氫混合燃?xì)獾慕M分分配比對(duì)火焰面結(jié)構(gòu)的影響。 2100433B

本項(xiàng)目采用理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究等方法開(kāi)展氣體燃料缸內(nèi)預(yù)混火焰穩(wěn)定性的基礎(chǔ)研究工作。通過(guò)建立氣體燃料缸內(nèi)預(yù)混湍流火焰分析模型，分析著火過(guò)程點(diǎn)火區(qū)域附近的湍流特征參數(shù)對(duì)初期火焰形成與發(fā)展的穩(wěn)定性影響，研究火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中缸內(nèi)湍流的渦團(tuán)結(jié)構(gòu)分布對(duì)火焰面的作用，開(kāi)展甲烷及摻混非烴氣體成分的混合燃?xì)庠诟變?nèi)預(yù)混燃燒的基礎(chǔ)研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析獲得不同初始條件下的火焰穩(wěn)定性表征參量和火焰面結(jié)構(gòu)，建立氣體燃料預(yù)混火焰內(nèi)在不穩(wěn)定性分析模型，聯(lián)合實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算揭示熱膨脹、能量?jī)?yōu)先擴(kuò)散、浮力等火焰內(nèi)在不穩(wěn)定影響因素以及湍流擾動(dòng)對(duì)氣體燃料著火初期火焰形態(tài)及結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系。在此基礎(chǔ)上闡明氫組分對(duì)變組分氣體燃料預(yù)混燃燒火焰穩(wěn)定性的影響規(guī)律。本研究對(duì)深入認(rèn)識(shí)內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)火焰燃燒特性和穩(wěn)定性規(guī)律具有重要的學(xué)術(shù)意義。

1、燃燒器可分為：預(yù)混燒嘴，內(nèi)混燒嘴和部分預(yù)混燒嘴

2、預(yù)混系統(tǒng)的作用：在燒嘴和點(diǎn)火點(diǎn)之前完成一次空氣和氣體燃料的混合。

也就是說(shuō)，空氣和燃?xì)庠谶M(jìn)入燒嘴之前已經(jīng)混合成為可燃?xì)怏w。

3、預(yù)混合氣的流量應(yīng)考慮以下因素：

a.可燃性氣體與空氣混合物的著火極限

b.火焰?zhèn)鞑ニ俣?

c.混合壓力

d.調(diào)節(jié)比

4、保證完全預(yù)混式燃燒的條件：

燃?xì)夂涂諝庠谥鹎邦A(yù)先按照化學(xué)當(dāng)量比混合均勻設(shè)置專門的火道，使燃燒區(qū)內(nèi)保持穩(wěn)定的高溫在以上條件下，燃?xì)?空氣混合物到達(dá)燃燒區(qū)后能在瞬間燃燒完畢。火焰很短，甚至看不到，所以又稱為無(wú)焰燃燒。

5、預(yù)混系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：

形成短火焰，火焰溫度高，延展性好，使用集中的預(yù)混合系統(tǒng)可簡(jiǎn)化燃燒系統(tǒng)的管路。

6、預(yù)混系統(tǒng)的缺點(diǎn)：

存在回火的可能性，調(diào)節(jié)比有限，空氣/燃料比受限，難于應(yīng)用在燃油燒嘴上。2100433B