贫燃氢—空气预混湍流火焰结构及传播特性研究

发布时间：2020-10-29 17:02

　　 当今世界化石能源越来越匮乏,自然环境也面临巨大的破坏,氢能作为一种清洁无污染能源受到了广泛的关注,因此以氢燃料为设备提供动力具有很大的应用前景。此外稀薄燃烧技术可以提高氢内燃机的燃烧效率,对于降低氮氧化物排放也有很大的作用。贫燃氢-空气预混燃烧传播速度较慢,湍流预混燃烧是其速燃的关键,因此开展湍流环境下贫燃氢-空气湍流预混燃烧特性的基础研究对指导氢内燃机设计具有深远的意义。湍流预混燃烧过程的基础研究已进行几十年,但因湍流环境自身具备复杂性,随机性,很难对湍流作用与化学作用进行解耦,因此大多数学者停留在火焰图像的简单测量。故而,有关湍流相关的理论分析以及深入研究还存在很大的欠缺,在当今时代背景下,着眼于科学、可持续发展的未来,本文对常温、不同初始压力、湍流强度以及燃空当量比的贫燃氢-空气湍流预混火焰燃烧特性进行进一步的分析、研究,本文主要研究内容如下:首先,对定容燃烧实验系统进行改进。解决了湍流营造过程中的电动机震荡以及侧壁点火,提高了纹影-高速摄影系统的拍摄质量。有效的调试并处理贫燃氢-空气湍流预混燃烧火焰图像里基本参数的提取以及计算。其后,研究了贫燃氢-空气湍流预混火焰结构特性的影响因素,对不同湍流氛围内贫燃氢-空气预混火焰失稳特性进行了研究,研究了燃空当量比和湍流强度对贫燃氢-空气预混火焰失稳肇点的影响规律。对火焰结构特征参数褶皱比和拉伸率的变化规律进行了定量分析。并同时进行了贫燃氢-空气湍流预混火焰传播特性的相关研究,分析湍流预混火焰传播特性的影响因素和变化规律。对不同初始条件下,贫燃氢-空气湍流预混火焰传播速度和相对燃烧速度随火焰半径的变化规律进行了详细的分析,揭示了湍流流动对贫燃氢-空气湍流预混火焰传播特性的影响机制;且对贫燃氢-空气湍流预混火焰加速特性进行了相关研究,计算了加速指数并针对常温常压条件下分析了加速指数随燃空当量比、湍流强度的变化规律。最后,对贫燃氢-空气湍流预混火焰燃烧速度理论计算模型进行了研究,将实验值与贫燃氢-空气湍流燃烧速度理论计算模型值进行对比,并对其修正因子进行校正,并验证修正模型的准确性。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK16
【部分图文】：

先锋等人ｎ４］对管道中的丙烷－空气预混火焰进行了分析，结果表明伴随着火焰传播??火焰会变形成为一种不稳定的火焰结构，并且在管道内小尺度涡团成为大尺度涡??团时，火焰从层流变成了湍流（如图１－１所示）。孙金华等人ｔ１５］在后续也分析了管??道中不同浓度下的甲烷－空气预混气体火焰的结构特性。???图ｉ－ｉ火焰阵面结构变化过程［１４］??Ｆｉｇ．?１－１?Ｃｈａｎｇｅ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｏｆ?ｆｌａｍｅ?ｆｒｏｎｔ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??杜青等人［１６］基于自行设计的以光学发动机（转速６００？１１００）和高速摄像机的??试验系统，得到了湍流预混燃烧的火焰结构图像（如图１－２）。基于修正数盒子法的??分形维数处理方法来处理火焰图像，研宄出了分形维数这一参数对湍流预混燃烧??火焰结构褶皱程度变化规律的影响。??義＾Ｑ?Ｅ３??齡■?□?□?：ａ??图１－２光学发动机及湍流预混火焰发展过程Ｉ％??Ｆｉｇ．?１－２?Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｏｆ?ｏｐｔｉｃａｌ?ｅｎｇｉｎｅ?ａｎｄ?ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ?ｐｒｅｍｉｘｅｄ?ｆｌａｍｅ??４??

变化的趋势会明显减弱。甲烷／空气质量浓度当量比达到１．０６时，预混气体充分燃??烧，火焰传播速度较快，预热区厚度达到最小值，火焰传播速度与预热区厚度存在??此消彼长的变化趋势（如图１－５所示）。??：?■ＨＶｉ?．ｍｍ－?＼?－ｋ画…??ＨＨＢＨＩ??（ａ）?＃＝０．？４??图１－５不同甲院质量浓度当量比的火焰传播纹影图［２２］??Ｆｉｇｌ－５．?Ｆｌａｍｅ?ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ?ｓｃｈｌｉｅｒｅｎ?ｗｉｔｈ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｍａｓｓ?ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ?ｒａｔｉｏ?ｏｆ?ｍｅｔｈａｎｅ??胡二江等人分析了氢气－空气－稀释气预混层流燃烧速度与马克斯坦长度，??图１－６分析了拉伸火焰传播速度随燃烧火焰半径的变化规律。发现了：随稀释程??度的增加，氢气－空气－稀释混合气的层流燃烧速度和马克斯坦长度都在减小，火??焰不稳定性升高，胞状球形膨胀火焰前锋面处的半径呈现的位置提前。??＂?〇?０?ｓ?？?０?°?°?＝?９?ａ?ａ?（＾）??１２?．?ａ?〇?？?Ｂ〇?ａｔｔ?〇?？?°?°?°?＃?ｏ?０?０??８°?°??１０?－?Ａ?Ａ??＾?６?？?９?＜ｐｔ－０＾００??４＼?

变化的趋势会明显减弱。甲烷／空气质量浓度当量比达到１．０６时，预混气体充分燃??烧，火焰传播速度较快，预热区厚度达到最小值，火焰传播速度与预热区厚度存在??此消彼长的变化趋势（如图１－５所示）。??：?■ＨＶｉ?．ｍｍ－?＼?－ｋ画…??ＨＨＢＨＩ??（ａ）?＃＝０．？４??图１－５不同甲院质量浓度当量比的火焰传播纹影图［２２］??Ｆｉｇｌ－５．?Ｆｌａｍｅ?ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ?ｓｃｈｌｉｅｒｅｎ?ｗｉｔｈ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｍａｓｓ?ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ?ｒａｔｉｏ?ｏｆ?ｍｅｔｈａｎｅ??胡二江等人分析了氢气－空气－稀释气预混层流燃烧速度与马克斯坦长度，??图１－６分析了拉伸火焰传播速度随燃烧火焰半径的变化规律。发现了：随稀释程??度的增加，氢气－空气－稀释混合气的层流燃烧速度和马克斯坦长度都在减小，火??焰不稳定性升高，胞状球形膨胀火焰前锋面处的半径呈现的位置提前。??＂?〇?０?ｓ?？?０?°?°?＝?９?ａ?ａ?（＾）??１２?．?ａ?〇?？?Ｂ〇?ａｔｔ?〇?？?°?°?°?＃?ｏ?０?０??８°?°??１０?－?Ａ?Ａ??＾?６?？?９?＜ｐｔ－０＾００??４＼?
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本文编号：2861197