合成气预混层流燃烧特性的研究

发布时间：2017-10-13 23:41

  本文关键词：合成气预混层流燃烧特性的研究

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【摘要】：合成气作为一种气体燃料,可以从多种物质中气化获得,在不可再生能源日益枯竭的今天,合成气具有广阔的应用前景,可广泛应用于各种动力装置中。合成气的主要成分是H2、CO、CH4、N2、 CO2,因合成气来源广泛,其各组分组成比例变动较大。由于合成气成分复杂,其基础燃烧特性随气体组成比例的不同会有较大变动。针对合成气,需要系统的研究其在不同的气体组成下的基础燃烧特性,对建立健全合成气预混燃烧数理模型,提供仿真计算的基础燃烧数据有重要意义,同时还能指导燃烧设备的设计,具有重要的理论意义和实用价值。首先建立了定容燃烧弹实验系统。实验系统由定容燃烧弹、配气系统、点火系统、纹影及高速摄影系统、数据控制及采集系统六部分组成。对比了本研究和其他学者所得到的层流燃烧速度,结果具有很好的一致性,说明本实验系统有良好的准确性。在定容燃烧弹上利用高速纹影摄影系统,研究了H2/CO混合气在不同H2比例下火焰的马克斯坦长度和层流燃烧速度,发现当H2比例小于50%时,火焰的拉伸行为是由氢气和一氧化碳共同主导；当H2比例大于50%时,火焰的拉伸行为由H2所主导。发现了随着H2比例增大,层流燃烧速度呈现出先迅速增大后缓慢增大的现象。通过Gaseq软件分析了H2/CO混合气绝热火焰温度和热扩散系数,明确了绝热火焰温度不是层流燃烧速度随着H2比例升高而增大的主导因素。通过Chemkin软件研究了基元反应对H2比例增大导致层流燃烧速度非线性升高的影响机制。明确了H2/CO混合气层流燃烧速度和活性自由基之间的关系,发现层流燃烧速度和(H+OH)浓度最大值之间有很好的线性关系。在定容燃烧弹上利用高速纹影摄影系统研究了H2/CO混合气在稀释气体稀释下的燃烧特性,得到了H2/CO混合气在稀释气体(C02、N2)稀释下层流燃烧速度,针对本实验结果提出了N2和C02稀释下H2/CO混合气层流燃烧速度的拟合公式,结果表明拟合公式和实验结果之间有很好的一致性。通过Chemkin软件分析了N2和C02两种气体稀释下对H2/CO混合气层流燃烧速度差别的作用机制,明确了热效应、输运效应、化学动力学效应对N2和CO2稀释下的层流燃烧速度之间差别的影响权重。结果表明热效应和化学动力学效应是造成两种不同惰性气体稀释下层流燃烧速度有较大差别的决定性因素,其中热效应影响权重大于化学动力学效应的影响权重；直接化学反应的影响权重远大于三体反应的影响权重；输运效应的影响很小。在定容燃烧弹上利用高速纹影摄影系统,并结合Chemkin软件研究了H2/CO/CH4三组元燃料中燃料组分变动对层流燃烧速度的影响,探讨了燃料组成对层流燃烧速度的影响规律,开展了敏感性分析和基元反应反应速率分析,明确了重要基元反应对三组元燃料层流燃烧速度复杂变化的影响机制,H2比例变化主要影响活性自由基的浓度,对绝热火焰温度影响较小；H2比例固定时,基元反应OH+CO=H+CO2对层流燃烧速度的作用随着CO比例增大更加明显。研究了H2/CO/CH4燃料层流燃烧速度与活性自由基浓度间的相关性,CO/CH4混合气层流燃烧速度只与H自由基浓度峰值存在线性关系；加入H2后,H2/CO/CH4混合气层流燃烧速度与H自由基和H+OH自由基浓度的峰值均呈现出线性关系最后在定容燃烧弹上利用高速纹影摄影系统研究了合成气预混火焰传播过程中的热质扩散不稳定性、流体力学不稳定性以及浮力不稳定性三种火焰固有不稳定性,探索了初始压力、H2比例以及当量比对火焰胞状不稳定现象的影响,发现了当量比变化导致的H2/CO火焰的胞状不稳定现象会随H2比例的不同呈现出不同规律,H2比例较高时,当量比的升高会抑制火焰的胞状结构的产生,H2比例较低时,当量比的升高会加强火焰的胞状不稳定现象；明确了稀释气体(N2、CO2)稀释对火焰胞状不稳定现象的作用规律和H2比例有直接关系,H2比例较低时,稀释气体的稀释会减弱火焰的胞状不稳定现象,H2比例较高时,稀释气体的稀释会加强火焰的胞状不稳定现象。明确了流体力学不稳定以及热质扩散不稳定性对火焰胞状不稳定现象的影响机制,发现了浮力不稳定性对火焰胞状结构的作用。
【关键词】：合成气 层流燃烧速度 火焰不稳定性 化学反应动力学
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK16
【目录】：

• 致谢5-6
• 中文摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 1. 引言14-36
• 1.1 研究背景及意义14-15
• 1.2 合成气预混层流燃烧速度的研究现状15-28
• 1.2.1 层流燃烧速度研究的意义及方法15-17
• 1.2.2 氢气/一氧化碳/空气层流燃烧速度的研究现状17-22
• 1.2.3 稀释气体对氢气/一氧化碳/空气层流燃烧速度影响的研究现状22-27
• 1.2.4 氢气/一氧化碳/甲烷/空气混合气层流燃烧速度的研究现状27-28
• 1.3 合成气预混火焰固有不稳定性研究现状28-33
• 1.3.1 预混层流火焰的三种固有不稳定性28-31
• 1.3.2 合成气预混层流火焰固有不稳定性的研究现状31-33
• 1.4 当前合成气层流燃烧特性研究中存在的不足33-34
• 1.5 本文的主要研究内容34-36
• 2. 定容燃烧实验系统的建立及实验系统验证36-46
• 2.1 定容燃烧实验系统的建立36-41
• 2.1.1 实验系统的总体构成36-38
• 2.1.2 预混气配气系统38-39
• 2.1.3 点火系统39-40
• 2.1.4 纹影及高速摄影系统40-41
• 2.1.5 数据采集及同步控制系统41
• 2.2 数据处理方法41-43
• 2.3 实验系统的验证43-44
• 2.4 本章小结44-46
• 3. 氢气/一氧化碳/空气混合气层流燃烧速度的影响机制研究46-66
• 3.1 火焰拉伸作用对氢气/一氧化碳/空气火焰传播过程的影响46-50
• 3.1.1 火焰拉伸作用对氢气/一氧化碳/空气拉伸火焰速度的影响46-50
• 3.1.2 氢气比例对氢气/一氧化碳/空气预混火焰马克斯坦长度的影响50
• 3.2 氢气/一氧化碳/空气混合气预混层流燃烧速度50-55
• 3.2.1 氢气比例对氢气/一氧化碳/空气混合气层流燃烧速度的影响50-54
• 3.2.2 初始压力对氢气/一氧化碳/空气混合气层流燃烧速度的影响54-55
• 3.3 氢气/一氧化碳/空气混合气燃烧化学反应动力学分析55-64
• 3.3.1 不同氢气比例下氢气/一氧化碳/空气燃烧化学反应敏感性分析55-56
• 3.3.2 不同氢气比例下氢气/一氧化碳/空气燃烧基元反应速率分析56-62
• 3.3.3 氢气/一氧化碳/空气混合气层流燃烧速度和自由基浓度相关性研究62-64
• 3.4 本章小结64-66
• 4. 稀释气体对氢气/一氧化碳/空气混合气层流燃烧速度的影响机制研究66-98
• 4.1 稀释气体对氢气/一氧化碳/空气混合气层流燃烧速度的影响66-80
• 4.1.1 氮气的稀释对氢气/一氧化碳/空气混合气层流燃烧速度的影响66-72
• 4.1.2 二氧化碳的稀释对氢气/一氧化碳/空气混合气层流燃烧速度的影响72-79
• 4.1.3 不同稀释气体对氢气/一氧化碳/空气层流燃烧速度影响对比分析79-80
• 4.2 稀释气体对氢气/一氧化碳/空气混合气绝热火焰温度及热扩散系数的影响80-87
• 4.2.1 氢气/一氧化碳/空气/氮气混合气的绝热火焰温度及热扩散系数81-83
• 4.2.2 氢气/一氧化碳/空气/二氧化碳混合气绝热火焰温度及热扩散系数83-87
• 4.3 稀释气体的热效应、化学动力学及扩散效应对层流燃烧速度的影响87-95
• 4.3.1 氢气/一氧化碳/空气/二氧化碳混合气燃烧化学反应动力学分析87-91
• 4.3.2 氮气和二氧化碳稀释下三种效应对层流燃烧速度差别影响权重分析91-95
• 4.4 本章小结95-98
• 5. 氢气/一氧化碳/甲烷/空气燃料组分比例变动对层流燃烧速度影响研究98-118
• 5.1 组分比例对氢气/一氧化碳/甲烷/空气层流燃烧速度的影响98-104
• 5.1.1 氢气/一氧化碳/甲烷中两组分比例同时增大对层流燃烧速度影响98-100
• 5.1.2 氢气比例为定值时甲烷比例的增大对层流燃烧速度的影响100-101
• 5.1.3 一氧化碳比例为定值时氢气比例的增大对层流燃烧速度的影响101-102
• 5.1.4 甲烷比例为定值时氢气比例的增大对层流燃烧速度的影响102-104
• 5.2 氢气/一氧化碳/甲烷/空气燃烧化学反应动力学分析104-115
• 5.2.1 氢气/一氧化碳/甲烷/空气燃烧化学反应敏感性分析104-106
• 5.2.2 氢气/一氧化碳/甲烷/空气燃烧基元反应速率分析106-112
• 5.2.3 氢气/一氧化碳/甲烷/空气混合气层流燃烧速度和自由基浓度相关性研究112-115
• 5.3 本章小结115-118
• 6. 合成气预混层流火焰固有不稳定性的研究118-138
• 6.1 氢气/一氧化碳/空气火焰流体力学不稳定性及热质扩散不稳定性的研究118-128
• 6.1.1 流体力学不稳定性和热质扩散不稳定性表征参数118-120
• 6.1.2 初始压力对氢气/一氧化碳/空气预混火焰不稳定性的影响120-123
• 6.1.3 氢气比例对氢气/一氧化碳/空气预混火焰不稳定性的影响123-125
• 6.1.4 当量比对氢气/一氧化碳/空气预混火焰不稳定性的影响125-128
• 6.2 稀释气对氢气/一氧化碳/空气火焰流体力学不稳定性及热质扩散不稳定性的影响128-133
• 6.2.1 稀释气比例对氢气/一氧化碳/空气预混火焰不稳定性的影响128-131
• 6.2.2 当量比对稀释气稀释下的氢气/一氧化碳/空气预混火焰不稳定性的影响131-133
• 6.3 火焰浮力不稳定性对火焰胞状结构的作用133-135
• 6.4 本章小结135-138
• 7. 总结与展望138-146
• 7.1 论文主要工作及结论138-143
• 7.2 主要创新点143-144
• 7.3 后续研究展望144-146
• 参考文献146-156
• 附录156-162
• 作者简历162-166
• 学位论文数据集166

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本文编号：1027749