OH-PLIF定量测量方法及混合气燃烧动力学研究
发布时间：2020-07-30 12:32
【摘要】：随着经济的持续发展,能源危机及环境问题日益严重,生物质合成气、天燃气等作为可持续的绿色清洁能源在工业应用中越来越广泛,由于气体组分多样,燃烧机理复杂,有待进一步研究。本文通过PLIF光学诊断方法对燃烧中的OH基浓度进行定量测量,然后对CH_4、H_2预混燃烧的燃烧动力学进行了定量分析。本文首先由详细的理论推导得出PLIF荧光信号公式,发现其主要影响因素为:激光方面、受激介质能级方面、收集系统方面和受激介质的摩尔分数。通过保证整个PLIF实验系统参数设置不变,选取激发波长为283.55nm的激光,实现PLIF荧光信号与OH基摩尔分数的正比关系。其中选取的H_2/Air燃烧化学反应机理包含13种组分,19个基元反应方程,并通过数值计算与实验进行对比,分析两者的火焰结构特征和分布趋势,并获得数值计算结果中整个火焰的OH基摩尔浓度分布,结合PLIF实验的荧光强度分布,计算得出比例因子为160000。然后采用相同的实验系统设置对CH_4/Air和CH_4/H_2/Air层流预混燃烧进行研究,同时还研究了N_2稀释对燃烧的影响,结合所得比例因子对实验结果进行定量分析,得出以下结论:(1)在当量比保持恒定值时,随着雷诺数的增加,火焰传播速率不变,轴线上OH基浓度逐渐降低,整体火焰中OH基浓度分布随雷诺数的增加逐渐往两翼分布;(2)当量比大于1时,随着当量比的增加,火焰传播速率减小,OH基浓度整体降低。从CH_4/Air层流预混燃烧实验中发现,随着当量比在1~1.6之间逐渐增加时OH基摩尔分数逐渐减小,其中最大、最小值分别为:0.01075、0.00146;(3)从CH_4/H_2/Air层流预混燃烧实验中发现,当量比为0.8~1.2时火焰传播速率呈现先增大后减小的趋势,当量比为1时为最大值,火焰传播速率为0.5598m/s。当Ф≥1,轴线上OH基摩尔浓度值出现了两个峰值,而Ф1时仅有一个峰值,同时CH_4/Air层流预混燃烧没有出现该现象;(4)在选取工况H7(Ф=1.2,Re=500)进行N_2稀释实验中。随着稀释比增加,内焰高度变大,轴线上OH基摩尔分数减小,火焰传播速率减小;(5)对层流预混燃烧火焰传播速率进行研究表明,通过求取实际火焰锋面所得结果明显小于传统计算方法的结果,这是由于实际火焰锋面呈不规则状,传统的计算方法均采用近似拟合,忽略了局部的不规则性,从而所得火焰锋面的面积偏小,所得火焰传播速率偏大。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK16
【图文】：
1 绪 论素，通过理论推导得出荧光强度与浓度的线性关系。结合理论分析得出定量测量燃烧火焰中 OH 基摩尔浓度的方案。第三章通过标定数值计算的火焰，得到数值计算的标定火焰 OH 基浓度场。第四章选取相同工况进行 PLIF 实验得出标定实验火焰，然后通过所得数值模拟的 OH 基摩尔浓度分布场与 PLIF 实验所得的荧光强度进行对比分析，验证数值计算的准确性并通过具体数值得出比例因子。第五章将所得比例因子应用于 PLIF 实验当中，通过定量的分析当量比、雷诺数、稀释气体对预混燃烧的影响，定量分析不同工况预混燃烧的 OH 基浓度场的变化。第六章为总结与展望，主要是对整个工作研究结果的总结和对下一步工作进行展望。
图 2.1 PLIF 实验系统图Figure 2.1 PLIF experimental system2.1.1 PLIF 诊断系统其中 PLIF 诊断系统包括：YAG 激光器、染料激光器、光学透镜组、反射镜、带有滤镜的 ICCD 相机、在线能量监视仪和电脑控制系统。测量系统的初始激光束由 Nd：YAG 泵浦激光器产生，波长为 1064nm、频率为 10Hz，然后经二分之一玻片形成两束波长和频率不变的激光束，两束激光分别经过二倍频和三倍频晶体，再经光学谐振腔得到 355nm 的激光，光束的功率恒定在 2.5W。所输出的 355nm激光经反射镜进入染料激光器中染料光栅调谐及二倍频晶体倍频后得到波长为283.55nm 的激光束。结合第二章的理论分析，实验的激光条件完全符合理论推导的要求。当最终所得的 283.55nm 激光经光学透镜组作用得到所需的能量集中且分布均匀的平面激光，其高度为 50mm，厚度为 0.8mm。实验中将片状激光作用在燃烧器火焰的中心，带有 OH-LIF 滤光镜的 ICCD 相机与平面激光做正交布置，用于
12图 2.2 PLIF 激光系统实物图Figure 2.2 Physical image of the PLIF laser system在拍摄过程中对每个工况至少拍摄两次，且每次拍摄 200 张图降低实验的偶然性，故此近似保证了理论推导中激光、受激介系统对荧光强度的影响为定值。气系统系统由高压气瓶，气体流量计，气体混合腔，单向阀，管道阻
本文编号：2775546
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK16
【图文】：
1 绪 论素，通过理论推导得出荧光强度与浓度的线性关系。结合理论分析得出定量测量燃烧火焰中 OH 基摩尔浓度的方案。第三章通过标定数值计算的火焰，得到数值计算的标定火焰 OH 基浓度场。第四章选取相同工况进行 PLIF 实验得出标定实验火焰，然后通过所得数值模拟的 OH 基摩尔浓度分布场与 PLIF 实验所得的荧光强度进行对比分析，验证数值计算的准确性并通过具体数值得出比例因子。第五章将所得比例因子应用于 PLIF 实验当中，通过定量的分析当量比、雷诺数、稀释气体对预混燃烧的影响，定量分析不同工况预混燃烧的 OH 基浓度场的变化。第六章为总结与展望，主要是对整个工作研究结果的总结和对下一步工作进行展望。
图 2.1 PLIF 实验系统图Figure 2.1 PLIF experimental system2.1.1 PLIF 诊断系统其中 PLIF 诊断系统包括：YAG 激光器、染料激光器、光学透镜组、反射镜、带有滤镜的 ICCD 相机、在线能量监视仪和电脑控制系统。测量系统的初始激光束由 Nd：YAG 泵浦激光器产生，波长为 1064nm、频率为 10Hz，然后经二分之一玻片形成两束波长和频率不变的激光束，两束激光分别经过二倍频和三倍频晶体，再经光学谐振腔得到 355nm 的激光，光束的功率恒定在 2.5W。所输出的 355nm激光经反射镜进入染料激光器中染料光栅调谐及二倍频晶体倍频后得到波长为283.55nm 的激光束。结合第二章的理论分析，实验的激光条件完全符合理论推导的要求。当最终所得的 283.55nm 激光经光学透镜组作用得到所需的能量集中且分布均匀的平面激光，其高度为 50mm，厚度为 0.8mm。实验中将片状激光作用在燃烧器火焰的中心，带有 OH-LIF 滤光镜的 ICCD 相机与平面激光做正交布置，用于
12图 2.2 PLIF 激光系统实物图Figure 2.2 Physical image of the PLIF laser system在拍摄过程中对每个工况至少拍摄两次，且每次拍摄 200 张图降低实验的偶然性，故此近似保证了理论推导中激光、受激介系统对荧光强度的影响为定值。气系统系统由高压气瓶，气体流量计，气体混合腔，单向阀，管道阻
【参考文献】
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1 刘晶儒;胡志云;张振荣;关小伟;王晟;陶波;叶景峰;张立荣;黄梅生;赵新艳;叶锡生;;激光光谱技术在燃烧流场诊断中的应用[J];光学精密工程;2011年02期
2 武辉;穆克进;王岳;肖云汉;;氢含量对氢气/甲烷混合气扩散燃烧特性的影响研究[J];热能动力工程;2010年01期
3 胡志云;刘晶儒;张振荣;叶景峰;关小伟;张立荣;王晟;黄梅生;赵新艳;叶锡生;;激光燃烧诊断技术及应用研究进展[J];中国工程科学;2009年11期
4 唐延东;王岳;Christian Eigenbrod;;Flame front detection by active contour method from OH-PLIF images under microgravity[J];Chinese Optics Letters;2006年08期
本文编号：2775546
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