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(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?、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(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?；鹧婧芏蹋踔量床坏?，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

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(kāi)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(dòng)傳播之中，只有滿足一定條件時(shí)，火焰才處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)(動(dòng)態(tài)平衡)。當(dāng)流動(dòng)達(dá)到湍流時(shí)，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(huì)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(gè)特點(diǎn)：(1)由于是邊混合邊燃燒，故燃燒火焰長(zhǎng)度較長(zhǎng)；(2)在空氣供應(yīng)不足或與燃 料混合欠佳時(shí)，一些尚未進(jìn)入火焰前鋒的燃料因受熱會(huì)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(gè)混合氣范圍。這層高溫燃燒區(qū)如同一個(gè)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(kāi)來(lái)。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(shí)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(guò)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(gè)銳峰，不易辨認(rèn)其與后繼燃燒階段的分界。