贫燃预混旋流燃烧的火焰特性与吹熄不稳定性

发布时间：2020-10-21 20:13

　　 贫燃预混燃烧(Lean Premixed Combustion,LPC)是在低于正常化学当量比下进行的新型清洁燃烧技术,可以有效降低氮氧化物、碳氢化合物和一氧化碳的排放量。近年来,随着天然气、氢气、合成气等清洁能源的开发利用,贫燃预混燃烧的不稳定性问题(如热声振荡、吹熄、回火等)成为研究热点。贫燃预混燃烧中火焰宏观形态的转变被认为是燃烧不稳定出现的前兆,本论文在充分文献调研的基础上,设计完成了贫燃预混旋流燃烧实验数据采集和控制系统,开展了2DPIV和OH*-Chemiluminescence火焰自发光联合激光诊断实验,编制了数字图像分析处理程序,提取了燃烧特性参数,研究了火焰宏观形态转变与贫燃吹熄不稳定性之间的作用机理。本文的主要工作和成果如下:(1)设计完成了贫燃预混旋流燃烧实验据采集和控制系统,该系统可以实时显示和记录喷嘴上下游的气体压力和温度;监测和控制电动三通阀的阀门开度以获取合适的示踪粒子浓度。(2)开展了2DPIV和OH*-Chemiluminescence火焰自发光联合激光诊断实验,实验发现火焰宏观形态随当量比降低发生显著变化,依次为“紧缩”形、“M”形、“V”形和“柱”形。基于数字图像分析方法计算了反应进程变量和火焰表面密度,火焰表面密度与反应进程变量呈线性相关,即火焰表面密度随进程变量的降低而降低。特别的,在当量比为0.50~0.60的区间内、火焰呈现“M”与“V”型转变时,火焰表面密度下降幅度超过80%,出现明显下跃,此后即发生火焰吹熄,据此可将火焰宏观形态转变作为吹熄不稳定性的预判准则。(3)针对旋流火焰,研究了流场与反应热释放对火焰应变的耦合影响规律及贫燃预混燃烧火焰吹熄不稳定性诱发机理。研究发现,随着当量比降低,旋流火焰面由最初远离位于内外剪切层的高涡量区域,到逐渐与高涡量区域重叠,使得火焰面承受较大的拉伸应变。火焰最大可能应变?_(ma) _x随当量比的降低而降低,但同时火焰熄灭拉伸率?_(ext)也大幅降低,据此将两者的比值?_(ma) _x?_(ext)作为衡量火焰吹熄的特征量。比值越大,旋流火焰越易于发生局部拉伸断裂,最终造成火焰面整体脱离钝体,发生吹熄。本文的研究有助于揭示火焰面与流场的相互作用规律,优化燃烧室安全运行区间。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TK16
【文章目录】：
摘要
Abstract
引言
1 绪论
    1.1 燃气轮机低污染清洁燃烧技术
    1.2 贫燃预混燃烧不稳定性研究进展综述
        1.2.1 热声耦合振荡
        1.2.2 贫燃火焰吹熄
        1.2.3 火焰形态与燃烧稳定性之间的关联
    1.3 本文的主要研究内容及技术路线
        1.3.1 研究内容
        1.3.2 技术路线
2 实验系统与测试方法
    2.1 燃烧室系统
    2.2 管路及辅助系统
    2.3 信号采集及控制系统
*-Chemiluminescence系统'>    2.4 PIV及 OH^*-Chemiluminescence系统
        2.4.1 PIV系统
*-Chemiluminescence系统'>        2.4.2 OH^*-Chemiluminescence系统
    2.5 本章小结
3 贫燃预混旋流燃烧火焰特性与宏观转变
    3.1 火焰宏观形态转变
        3.1.1 实验条件
        3.1.2 火焰宏观形态转变
    3.2 数字图像分析方法
        3.2.1 火焰锋面提取
        3.2.2 反应进程变量计算
        3.2.3 火焰表面密度计算
    3.3 旋流火焰燃烧特性参数
    3.4 本章小结
4 贫燃预混旋流燃烧的吹熄不稳定性
    4.1 火焰结构转变瞬态分析
    4.2 火焰面与流场的相互作用
        4.2.1 不同当量比下的燃烧速度场
        4.2.2 不同当量比下的涡量场
        4.2.3 不同当量比下的火焰应变率
    4.3 本章小结
结论
展望
参考文献
max计算程序'>附录 A Κ_max计算程序
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢

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本文编号：2850551