加氢对甲烷层流火焰正面淬熄状态下电学特性的影响

发布时间：2020-08-15 19:39

【摘要】：我国正处于经济转型重要阶段,因此也面临一系列转型阶段的挑战与困难,对于能源高效与安全使用的重要性也变得越来越重要。根据国际能源署预测,中国对于能源的需求量将会持续增大,预计在2035年中国的能源消耗量将超过美国,成为世界最大的能源消耗国。目前化石燃料在全球范围内的广泛使用已经造成了许多危机,包括能源短缺危机以及环境污染问题,因此清洁能源的推广和使用也变得日益重要。能源在不同燃烧器中燃烧过程也不尽相同,对于微尺度燃烧器而言,虽然燃烧过程能产生更大的能量和功率,但也面临燃烧不稳定和容易出现火焰淬熄的困境。发生火焰淬熄时自由基、带电粒子和电子的分布会产生显著的变化,因此研究火焰淬熄情况下的电学特性对于减弱淬熄情况和提高燃烧稳定性与效率具有一定的指导作用。论文研究了加氢对甲烷层流火焰正面淬熄状态下电学特性的影响。在加氢对火焰电学特性的实验研究中,首先进行了火焰中电学特性的理论分析,结合火焰燃烧中热量散失及自由基分布的特点,分析了不同的极板材质、电压、掺氢量及空气量等不同的工况下加氢对甲烷火焰电学特性的影响,利用电流表测量出不同条件下的一系列瞬时电流值并绘制成不同的曲线图,发现极板材质不同对实验结果中的电流值的影响可以忽略不计,并且燃烧器接负电压时对实验结果中的电流值影响较大,另外不同掺氢量和空气量会对实验中的电流值产生不同的影响。本实验中最适宜的电流值为50ml/min,加入氢气可以使火焰的结构发生变化,空气量的增加会使火焰形态发生变化变化,进而使实验中的电流增大,但是在同一种形态火焰下,空气量的增加对于电流值峰值的变化影响不大。此外,空气量的增加会导致电流峰值对应的距离逐渐减小在研究的数值模拟中,首先选择合适的数学模型以及燃烧过程中涉及的电离机理并建立了物理模型,随后对火焰的温度、电子、自由基及离子进行模拟。研究了掺氢量及空气量对于温度、电子、自由基及离子分布的影响,发现选择合适的掺氢量以及空气量对可以提高电子及自由基的浓度并且电子浓度的变化与实验中电流的变化吻合,但掺氢量对温度的影响较小,对不同种类的离子的影响也不尽相同。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK16
【图文】：

流核,静止空气,空气空间,心区

哈尔滨：￡业大学工Ｉ呈硕士学位论文，有一半径为Ｒ的喷口，燃料从该喷㈡射入一静止的空气空间，的喷射中心以及边界，中间的图像是在喷射气流的核心区域内，的速度随距离的增加而减小，右图是喷射流的最大速度至边缘减小过程Ｄ逡逑°ｉ／邋＾邋ｅ邋７ｒ＊逡逑１ｉ逡逑

层流扩散火焰,层流射流,初始速度,燃烧器

逦（２－２１）逡逑８；＾NB邋４」逡逑式中ｆ办ｒ办——喷口处燃料的体积流量。逡逑如图２－２所录，火焰中真正发生剧烈化学反应的区域只是一小部分，该区域逡逑内，火焰温度最高，化学反应最强，组分浓度最大。由于热量的传递，火焰上逡逑方的温度也处于高温状态，浮力的作用明显，不可忽略不计。根据质量守恒定逡逑律，随着流速的增大，流线越紧密，燃料的浓度梯度增加，扩散作用也不断地逡逑加强，这两种作用明显且相反，相互抵消，因此总体看并未对火焰产生影响。逡逑Ｔ＋逦Ｙｉ邋“逡逑Ｔｆ逦１＾逦逦逡逑＼逦ＯＲ逦３７逦Ｏ邋Ｒ逦ｘ逡逑机，丨＼…、——４－逦Ｔ－ｔ逡逑逦２Ｒ邋邋邋ＯＲ逦ｒ逦ＯＲ逦ｘ逡逑图２－２层流扩散火焰结构逡逑若燃烧器出Ｃｌ为圆形，则层流射流火焰的长度以及初始速度与管径大小均逡逑不相关，真正影响长度以及初始速度的是初始体积流鬣，因为即便不逡逑同的速度与管径搭配

示意图,实物

２．３实验构建逡逑２．３．１实验平台逡逑图２－３、２－４分别是电学实验的实验台实物图和实验台结构，示意图。本实验逡逑的实验平台包括：配气系统、混合系统、燃烧系统、高度调节系统、电学系统。逡逑连接情况如图２－４所示。甲烷、氢气和空气顺着导管一次通过节流阀和质量流ｆｔ逡逑计后进去混合室内，充分混合合从燃烧器出口处喷出。用外加点火源点火使其逡逑燃烧，并且通过添加外加电压形成外加电场的空间，不断调节电压植的大小，逡逑记录各个瞬时的电流值，此外用相机拍摄各个工况下的火焰轮廓。逡逑该实验中的变化量主要有：ａ，金属极板种类：黄铜、铝、铁和３０４钢；ｂ．距逡逑离范围；最高点是燃烧器出订处距离极板９０ｍｍ处，最近点是与燃烧器出口处逡逑无限接近；ｃ？掺氢量占比：０％、２０．０％、３３．３％、４４．４％和５０％；邋ｄ．电庙范围：土逡逑４、８、１２、１６、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０；邋ｅ？空气量占比：０％、６１．５％、逡逑７７．３％、８５．７％。通过对这些变量对于电学特性的影响，探宄变量间的耦合作用逡逑以及对电子与自由基影响的机理。逦逦逡逑１＾逡逑图２－３卖验合实物图逡逑－１８－逡逑

【参考文献】