层流预混气体点火与火焰传播的模拟与实验研究

发布时间：2020-03-30 14:22

【摘要】：由于预混燃烧在燃料和氧化剂的配比调节、火焰温度的控制及NOx的排放等方面具有独特的优势,在高性能的先进发动机燃烧系统中得到广泛使用。作为预混燃烧的基本特性,点火和火焰传播性能直接关系到燃烧过程的稳定性、经济性和清洁性,是燃烧设备设计的理论基础。深入认识和掌握预混燃料的点火和火焰传播特性,对于先进燃烧系统的设计和优化具有重要意义。本文采用实验和数值模拟的方法系统地研究特定条件下预混火焰的点火和火焰传播特性。本文首先研究了预混气体的点火特性。采用水蒸气等稀释气体的贫预混燃烧技术是富氧燃烧及低NOx燃烧的重要技术,燃烧不稳及难以点燃等仍是该技术面临的主要问题。通过采用详细化学反应机理的一维预混火焰数值模拟,系统地研究了不同燃料(甲烷、正丁烷和正癸烷)在水蒸气稀释的空气环境下的点火特性。探讨了常压或低压环境下添加稀释水蒸气对这些预混可燃气体点火的影响。研究获得了不同压力下的最小点火能随水蒸气稀释率的变化关系,结果表明,最小点火能随稀释率的增大呈现出指数增大的关系,并与压力成反比。研究发现,不同压力下甲烷/空气的最小点火能与压力的乘积是水蒸气稀释率的多项式函数,正丁烷和正癸烷等燃料也有类似的规律。此外,论文分析了稀释水蒸气的稀释效应、化学反应效应、三体反应效应和热辐射效应对甲烷/空气点火特性的影响,结果表明三体重组反应是增大最小点火能、降低着火极限的关键。其次本文研究了预混气体的火焰传播特性。层流火焰速度是预混燃气层流燃烧过程的重要特征参数,它决定了燃气的燃烧速率,反映了预混火焰的稳定性,并常被用于验证不同燃料的化学反应机理。本文采用双腔泄压式燃烧弹实验测量贫燃预混氢气/氧气/氦气在不同压力下的层流火焰速度,其中压力取值范围从0.5atm到7.0 atm。与此同时,采用四种不同的描述氢气化学反应的详细机理,并基于该详细机理模拟分析了与实验类似工况的向外传播的球形火焰的特性。结果表明,低压下,尤其是在P0.7atm时,层流火焰速度的实验结果比四种机理的预测值均略高,层流火焰速度的测量结果随着压力增加而单调降低,然而层流火焰速度的模拟计算值却随压力的增加呈先增加后减小的趋势。高压下,层流火焰速度的实验结果与化学机理预测值基本一致。通过研究上述实验和计算结果发现贫燃氢气的总包反应级数n在超低压下可大于2,高压时n可减小为负值。第三,通过实验和数值模拟方法,本文研究了贫燃合成气的层流火焰传播特性,重点对比了高压下球形火焰法和热流法的层流火焰速度测量结果及机理预测值的异同。结果表明,合成气的球形火焰法测量值与三种机理的预测结果均非常吻合,说明这三种机理均能很好地预测贫燃富氢合成气的层流火焰速度,而热流法测量获得的层流火焰速度却低于球形火焰的实验值及机理预测值。最后本文通过采用详细化学反应机理的数值模拟方法,研究了预混气体冷焰现象的点火和传播特性。由于对低温燃烧稳定性、燃料重整性能等的重要影响,低温化学反应引起的冷焰受到了越来越多的关注,而目前对预混气体冷焰现象的引发机理和传播特性还不清楚。本文通过考虑详细化学反应机理和运输参数的一维层流火焰数值模拟,系统地研究了预混二甲醚/空气混合物的冷焰现象的引发、传播和消失过程。模拟中通过一个温度和尺寸适宜的热点来触发预混气体混合物的低温化学反应,以实现冷焰的引发。由于在冷焰传播期间,在其中心处发生了高温化学反应,进而引发在冷焰后面传播的热火焰,便形成了预混冷、热火焰共存的双火焰结构。由于热火焰传播比冷焰更快,它最终会追上冷焰并与之融合。本文还研究了冷焰的火焰传播速度,分析了影响冷焰传播和热火焰出现不同因素,发现当量比越大,初始温度或氧气浓度越高,预混冷焰传播的越快,热火焰也出现的越早。研究中采用了三种二甲醚氧化的化学反应机理,虽然这三种机理预测的热火焰传播速度基本相同,但冷焰传播速度却存在较大的差异。为此,亟待结合冷焰速度的实验测量完善其低温化学反应机理。
【图文】：

汽油机,柴油机,最小点火能

图 1.1 柴油机 ( a ) 和汽油机 ( b ) 点火图Fig. 1.1 Ignition of diesel engine (a) and gasoline engine (b).多数的燃烧装置都需要借助电火花点火来实现在预务，所以电火花点火一直被广泛研究。成功的火花体中的热量及以自由基形式存在的能量。如果能量，，热量和自由基从点火核的表面向外传导扩散，成大量的热和活泼自由基，火焰温度上升，火焰从点源，火焰也能够自维持的向外传播，这意味着点火个复杂且重要的基础燃烧问题，也一直是燃烧领域广泛的应用而获得了大量的关注与研究。理论方面了关于电火花点火的理论，他们认为最小点火能Zeldovich 等人[13]根据热扩散理论，提出最小点火能到质量扩散对点火的影响，控制点火的特征尺寸又

预混火焰

添加稀释气体是稀薄燃烧的常用方式。之前e、Ar、N2、CO2）对氢气/空气的最小点火能加化学反应的惰性气体，CO2为参与化学反应火和火焰传播，既描述了点火机理，又分析了体的稀释极限，揭示了稀释气体的对点火的影入足够的能量，就会点燃自维持传播的火焰，火焰分为预混火焰和非预混火焰，具体可见一起，燃烧产生的火焰称之为预混火焰，预合均匀，燃烧放热强度高，燃烧所需空间小和污染排放。非预混燃烧是指燃料与空气未焰的内侧或外侧，燃烧过程中采用边扩散边混合面，无法控制燃烧产物的排放。而本文。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK16

【参考文献】