氣體燃料缸內(nèi)預(yù)混燃燒火焰穩(wěn)定性的基礎(chǔ)研究

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，通過模擬分析獲得了不同穩(wěn)定性作用下火焰的動力學(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火焰面演變形態(tài)、組分分布的影響，并研究了流體動力學(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。開發(fā)了高溫高壓定容燃燒彈測試系統(tǒng)，基于該測試系統(tǒng)開展了不同燃空當(dāng)量比、初始壓力和初始溫度、非烴氣體組分比例和摻氫比下低熱值氣體燃料摻氫燃燒時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)動機(jī)缸內(nèi)湍流預(yù)混火焰分析模型，開展了著火階段點(diǎn)火區(qū)域附近的湍流特征參數(shù)對初期火焰形成與發(fā)展的穩(wěn)定性影響，獲得了不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和點(diǎn)火時刻下缸內(nèi)全局與點(diǎn)火位置局部流場參數(shù)的變動規(guī)律，研究了缸內(nèi)初始火核形成過程中火核半徑等參數(shù)的變化歷程，開展了火焰?zhèn)鞑ミ^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，分析著火過程點(diǎn)火區(qū)域附近的湍流特征參數(shù)對初期火焰形成與發(fā)展的穩(wěn)定性影響，研究火焰?zhèn)鞑ミ^程中缸內(nèi)湍流的渦團(tuán)結(jié)構(gòu)分布對火焰面的作用，開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)值計算揭示熱膨脹、能量優(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對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。本研究對深入認(rèn)識內(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，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?；鹧婧芏蹋踔量床坏?，所以又稱為無焰燃燒。

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

預(yù)混可燃?xì)怏w的燃燒是典型的預(yù)混燃燒。預(yù)混可燃?xì)怏w由著火開始進(jìn)一步發(fā)展，使化學(xué)反應(yīng)加劇，并出現(xiàn)火焰，該火焰首先發(fā)生在局部，然后向其余未燃?xì)怏w中傳播，直到燃燒結(jié)束，其傳播速度稱為火焰?zhèn)鞑ニ俣?，也稱為預(yù)混可燃?xì)怏w的燃燒速度。因此，預(yù)混可燃?xì)怏w的燃燒火焰處于運(yùn)動傳播之中，只有滿足一定條件時，火焰才處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)(動態(tài)平衡)。當(dāng)流動達(dá)到湍流時，燃燒火焰表現(xiàn)的特點(diǎn)與層流火焰不同，其火焰鋒不再平滑有序，屬于湍流預(yù)混火焰。

由于燃料和空氣未預(yù)混，故允許將兩者預(yù)熱至較高的溫度 (不受著火溫度限制)，以便充分利用廢氣余熱，并可 使低發(fā)熱量燃料也能達(dá)到較高的燃燒溫度。

非預(yù)混燃燒具有穩(wěn)定燃燒范圍(指燃料空氣比的變化范圍) 寬和不會產(chǎn)生回火等優(yōu)點(diǎn)，因此在燃燒設(shè)備中常采用非預(yù)混燃燒。

非預(yù)混燃燒具有以下兩個特點(diǎn)：(1)由于是邊混合邊燃燒，故燃燒火焰長度較長；(2)在空氣供應(yīng)不足或與燃 料混合欠佳時，一些尚未進(jìn)入火焰前鋒的燃料因受熱會分解產(chǎn)生碳粒和難于燃燒的重質(zhì)碳?xì)浠衔?，這將造成不完全燃燒。此外，常把氣體燃料的非預(yù)混燃燒稱作“有焰燃燒”。

而預(yù)混燃燒在充滿預(yù)混合氣的燃燒設(shè)備內(nèi)，通常是在某一局部區(qū)域首先著火，接著形成一層相當(dāng)薄的高溫燃燒區(qū)，靠它幫助使鄰近的預(yù)混合氣引燃，逐漸把燃燒擴(kuò)展到整個混合氣范圍。這層高溫燃燒區(qū)如同一個分界面，把燃燒完的已燃?xì)怏w（燃燒產(chǎn)物）和尚未進(jìn)行燃燒的未燃混合氣分隔開來。在它的前方是未燃的混合氣，而在它的后方是已燃的燃燒產(chǎn)物。隨時間推移，火焰面在預(yù)混合氣中不斷向前擴(kuò)展，呈現(xiàn)出火焰?zhèn)鞑サ默F(xiàn)象

在著火以后隨著溫度增加，燃燒速率猛烈增加，并大大超過了可燃混合氣的形成速率。此后，由于滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣耗盡，燃燒速率迅速下降，形成一個銳峰，不易辨認(rèn)其與后繼燃燒階段的分界。