壁面作用下的甲烷/空气预混射流火焰结构与燃烧特性
发布时间：2021-09-05 09:14
大多数实际应用的燃烧系统中都存在壁面,它在气体动力学、热力学和反应动力学等方面均强烈影响着燃烧过程。事实上,火焰-壁面的相互作用是目前未燃碳氢化学物排放的主要机制之一,随着排放要求越来越严苛,对于燃烧系统效率和碳氢化合物排放限值的要求越来越高,亟需研究火焰-壁面相互作用这一双向耦合过程。这不仅能为发动机和各类燃烧室的设计提供理论依据,还可以丰富燃烧装置内部的近壁面燃烧理论。因此,本文在结合国内外学者对火焰-壁面相互作用研究现状的基础上,针对壁面作用下的CH4/Air预混射流火焰结构及燃烧特性进行了实验和数值模拟研究。具体研究内容和成果如下:（1）搭建了用于研究射流火焰与壁面相互作用的实验台架。基于实验台架的相关参数,耦合相关化学反应机理,建立了壁面作用下CH4/Air预混燃烧过程的二维数值计算模型,并进行了实验验证,发现模拟结果与实验结果具有较好的一致性。（2）通过实验和数值模拟相结合的方法,对比无壁面作用的情况,给出了不同雷诺数下壁面对CH4/Air预混射流火焰特性的影响规律。结果表明,壁面作用下的预混锥轮廓长度小于无...
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常用壁面淬火方案的分类[1]
江苏大学硕士学位论文3图1.1常用壁面淬火方案的分类[1]Fig.1.1Classificationofgenericwallquenchingscenarios[1]在正面淬熄（HOQ）时，火焰向壁面传播，火焰前端和壁表面的方向是相反的。图1.2为目前一些学者[2,24-26]通过实验研究的正面淬熄装置图。HOQ始终是一个瞬态事件，一般通过火花（电或激光）在壁面前将预混混合物引燃。然后火焰通过最初停滞状态的气体混合物向壁面传播（图1.2a-c）或通过对流的方式（层流流动或湍流流动）向壁面（图1.2d）传播。Poinso和Bruneaux等人[27,28]通过DNS模拟计算了正面淬火过程，如图1.3所示。最开始火焰以恒定的速度传播（Peclet数随时间线性减少），直到火焰开始“感知”到壁面的存在，第一阶段是近壁火焰（时间t<1.4），接下来由于壁面作用火焰淬熄（1.4<t<3.3），这是第二阶段。最后第三阶段是“后淬火阶段”（淬火后氧化，t>3.3）。（a）（b）（c）（d）图1.2正面淬火装置图。预混合物在壁面前点燃，引发火焰向壁面传播：（a）Foucher等人[24]；（b）Boust等人[25]；（c）Saggau等人[26]；（d）Mann等人[2]Fig.1.2SketchesofHOQconfifigurations(a)Foucheretal.[24],(b)Boustetal.[25],(c)Saggau[26],and(d)aconvectiveflow,whichiseitherlaminarorturbulentMannetal.[2].
壁面作用下的甲烷/空气预混射流火焰结构与燃烧特性4图1.3层流正面淬火的数值模拟结果[27,28]Fig.1.3NumericalresultsfromlaminarHOQ[27,28]侧面淬熄（SWQ）的火焰是平行于壁面传播的[29,30]。在这种情况下，对于初始停滞或层流混合气，火焰的正常方向离壁面足够远，壁面与火焰相互垂直。壁面法向和瞬时火焰法向在火焰-壁面相互作用的瞬间，二者的角度通常偏离90°。图1.4为部分实验研究的侧面淬熄（SWQ）结构[25,31-34]。典型的SWQ装置研究的是V形火焰，其中一个或两个火焰分支与壁面相互作用，如图1.4（c）所示。即使在最简单的混合物停滞情况下，SWQ本质上也是一个二维问题。与HOQ相比，侧壁构型的淬火仅发生在靠近壁面的那部分火焰中。因此，SWQ期间的火焰距离壁面更远，散热更少。SWQ配置的另一个不同之处是，在FWI瞬间释放最大热量的位置之后，平均时间要比火焰后气体传递到固体壁的时间更长。因此，释放热量最大的位置对于疲劳失效尤为重要，扩展的火焰后区域对于优化燃烧室壁的冷却至关重要。（a）（b）（c）图1.4侧面淬火装置图（a）火焰在封闭的静止混合物中点燃，并沿着壁面移动[25]；（b）火焰稳定在多孔板上方的对流层流中稳定[31-33]；（c）层流或湍流中稳定的V型-火焰[34]Fig.1.4SketchesofSWQconfifigurations
【参考文献】：
期刊论文
[1]壁面反应对微小通道内火焰影响的数值研究[J]. 郑晓峰,冯耀勋,张立志. 热能动力工程. 2017(04)
[2]壁面反应对微小空间内甲烷/空气着火特性的影响[J]. 杨浩林,霍杰鹏,蒋利桥,汪小憨,赵黛青. 燃烧科学与技术. 2015(03)
[3]等温壁面条件壁面反应对微小通道内H2/空气预混火焰的影响[J]. 冯耀勋,杨浩林,赵黛青. 中国电机工程学报. 2013(23)
[4]壁面附近火焰OH自由基行为的PLIF研究[J]. 冯耀勋,杨浩林,蒋利桥,汪小憨,赵黛青,山下博史. 工程热物理学报. 2011(04)
本文编号：3385076
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常用壁面淬火方案的分类[1]
江苏大学硕士学位论文3图1.1常用壁面淬火方案的分类[1]Fig.1.1Classificationofgenericwallquenchingscenarios[1]在正面淬熄（HOQ）时，火焰向壁面传播，火焰前端和壁表面的方向是相反的。图1.2为目前一些学者[2,24-26]通过实验研究的正面淬熄装置图。HOQ始终是一个瞬态事件，一般通过火花（电或激光）在壁面前将预混混合物引燃。然后火焰通过最初停滞状态的气体混合物向壁面传播（图1.2a-c）或通过对流的方式（层流流动或湍流流动）向壁面（图1.2d）传播。Poinso和Bruneaux等人[27,28]通过DNS模拟计算了正面淬火过程，如图1.3所示。最开始火焰以恒定的速度传播（Peclet数随时间线性减少），直到火焰开始“感知”到壁面的存在，第一阶段是近壁火焰（时间t<1.4），接下来由于壁面作用火焰淬熄（1.4<t<3.3），这是第二阶段。最后第三阶段是“后淬火阶段”（淬火后氧化，t>3.3）。（a）（b）（c）（d）图1.2正面淬火装置图。预混合物在壁面前点燃，引发火焰向壁面传播：（a）Foucher等人[24]；（b）Boust等人[25]；（c）Saggau等人[26]；（d）Mann等人[2]Fig.1.2SketchesofHOQconfifigurations(a)Foucheretal.[24],(b)Boustetal.[25],(c)Saggau[26],and(d)aconvectiveflow,whichiseitherlaminarorturbulentMannetal.[2].
壁面作用下的甲烷/空气预混射流火焰结构与燃烧特性4图1.3层流正面淬火的数值模拟结果[27,28]Fig.1.3NumericalresultsfromlaminarHOQ[27,28]侧面淬熄（SWQ）的火焰是平行于壁面传播的[29,30]。在这种情况下，对于初始停滞或层流混合气，火焰的正常方向离壁面足够远，壁面与火焰相互垂直。壁面法向和瞬时火焰法向在火焰-壁面相互作用的瞬间，二者的角度通常偏离90°。图1.4为部分实验研究的侧面淬熄（SWQ）结构[25,31-34]。典型的SWQ装置研究的是V形火焰，其中一个或两个火焰分支与壁面相互作用，如图1.4（c）所示。即使在最简单的混合物停滞情况下，SWQ本质上也是一个二维问题。与HOQ相比，侧壁构型的淬火仅发生在靠近壁面的那部分火焰中。因此，SWQ期间的火焰距离壁面更远，散热更少。SWQ配置的另一个不同之处是，在FWI瞬间释放最大热量的位置之后，平均时间要比火焰后气体传递到固体壁的时间更长。因此，释放热量最大的位置对于疲劳失效尤为重要，扩展的火焰后区域对于优化燃烧室壁的冷却至关重要。（a）（b）（c）图1.4侧面淬火装置图（a）火焰在封闭的静止混合物中点燃，并沿着壁面移动[25]；（b）火焰稳定在多孔板上方的对流层流中稳定[31-33]；（c）层流或湍流中稳定的V型-火焰[34]Fig.1.4SketchesofSWQconfifigurations
【参考文献】：
期刊论文
[1]壁面反应对微小通道内火焰影响的数值研究[J]. 郑晓峰,冯耀勋,张立志. 热能动力工程. 2017(04)
[2]壁面反应对微小空间内甲烷/空气着火特性的影响[J]. 杨浩林,霍杰鹏,蒋利桥,汪小憨,赵黛青. 燃烧科学与技术. 2015(03)
[3]等温壁面条件壁面反应对微小通道内H2/空气预混火焰的影响[J]. 冯耀勋,杨浩林,赵黛青. 中国电机工程学报. 2013(23)
[4]壁面附近火焰OH自由基行为的PLIF研究[J]. 冯耀勋,杨浩林,蒋利桥,汪小憨,赵黛青,山下博史. 工程热物理学报. 2011(04)
本文编号：3385076
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