声作用下涡与火焰耦合影响NO_x生成的实验与模型研究

发布时间：2017-09-16 12:21

  本文关键词：声作用下涡与火焰耦合影响NO_x生成的实验与模型研究

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【摘要】：不同声场作用下甲烷/空气部分预混火焰NOx生成特性尚未获得系统的研究和认识,基于涡与火焰耦合作用,分析声参数、流场参数对部分预混火焰EINOx生成具有重要的工程价值和学术意义。为了探索不同声作用下EINOx生成特性与机理,搭建了扬声器激励下火焰NOx生成与动力学研究实验系统,通过热电偶测温、火焰图像采集与处理、PIV速度场测试、NOx测量等实验手段,系统给出了流场参数、声参数对部分预混火焰EINOx生成的影响规律,从涡的角度细致地分析了影响的机理,基于涡运动理论与对流波理论构建了声作用下部分预混火焰EINOx生成的动力学模型。本文的主要工作和成果如下:1.声参数、流场参数对声作用下部分预混火焰NOx生成的作用规律细致分析了当量比、二次风流速、射流Re数等流场参数和频率、振幅等声场参数对声作用下部分预混火焰EINOx生成的影响,结果发现:①当量比对EINOx的作用在4出现转折,当量比小于4时,EINOx随当量比的增加而降低;当量比大于4时,随当量比的增加而趋于平稳;②二次风流速增加使得火焰长度减小,EINOx降低;③预混气Re数增加,使涡的作用向火焰下游转移,对火焰影响减弱,使得EINOx增大;④频率对EINOx的影响存在临界频率[170,190]cf?,当小于cf时,随频率增大,涡作用逐渐向火焰上游转移,EINOx增大,且EINOx?kf?b,k?[0.01,0.03],b?[0.4,0.5];当大于cf时,随频率增加EINOx变化规律不明显;⑤振幅对EINOx影响也存在一致的临界频率,当小于cf时,随振幅增加,涡作用逐渐增强,火焰长度明显减小,EINOx随之减小,且EINOx?k A?b,k?[?0.009,?0.003],b?[1,5];当大于cf,EINOx随振幅增加逐渐增加。2.声作用下涡与扩散火焰耦合降低NOx生成的作用规律在给出声场参数与流场参数对扩散火焰EINOx影响规律的同时,通过对流场中涡结构的分析,细致分析了声作用下扩散火焰内声与涡、涡与EINOx的关系:①随燃气Re数的增加,火焰长度增大,EINOx增加;②二次风流速增加,氧化剂逐渐由足量过度至过量,反而降低火焰温度,EINOx反应速率加快,总量先增大后减小;③频率对声作用下扩散火焰EINOx的影响也存在cf的同时,还存在共振频率,在共振频率下火焰发生弯曲与褶皱,火焰被压缩入燃烧器内,EINOx明显减小;④频率小于cf时,EINOx随振幅增加而减小,且满足线性方程;但大于cf时,EINOx随振幅增加而增大;⑤声作用下扩散火焰EINOx与火焰流场内涡直径和涡作用高度成正比,与涡的生命周期成反比;⑥声振幅与涡直径、涡作用高度和涡生命周期均成反比,且存在确定的线性关系;⑦声场频率与涡生命周期成正比。3.声作用下涡与部分预混火焰耦合作用降低NOx生成的动力学模型基于涡运动理论,分析了声作用下扩散火焰锋面EINOx与涡结构和涡运动参数的关系,并形成对应的现象学模型:①随涡直径增大,涡旋转速度减小,涡作用减小,EINOx增大,且EINOx(35 108)/100vortex?d?;②随涡作用高度的增加,涡向下游转移,对火焰影响减小,EINOx增大,且EINOx?(S?7)/10;③涡生命周期与EINOx成正比,随生命周期增加,火焰停留时间增加,EINOx增大;④随声作用下扩散火焰投影面积、火焰表面积、火焰体积增加,NOx生成空间区域增加,EINOx增大,且1/2100EINOx 10 108f?A?,1/2EINOx 0.076 1.08s?A?,1/3EINOx 0.091 1.08f?V?;⑤通过实验数据对上述关系模型进行验证,误差小于10%。基于对流波理论,分析了声作用下预混火焰锋面EINOx生成与对流波波长和脉动振幅的关系,并形成了EINOx生成的动力学模型:①随对流波波长增加,NOx生成的空间条件被强化,EINOx增大;②脉动位移和火焰St数与EINOx生成成反比,且EIN O x?0.3?,'EINOx 0.005+4A????St;③基于实验数据对模型进行验证,符合模型准确性的要求。通过比例方法耦合扩散锋面与预混锋面的EINOx生成模型,①形成了声作用下涡与部分预混火焰耦合影响EINOx生成的动力学模型,如式5-64;②通过部分预混火焰EINOx生成与PIV图像进行验证,以vortexd为中间参数的模型误差为10%,而以S为中间参数的模型误差为22.2%;③通过引入具有化学反应因素的Da数修正EINOx生成模型,使模型与实验数据的误差均降低至10%以内。
【关键词】：甲烷 部分预混火焰 涡与火焰耦合 氮氧化物 动力学模型
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK16
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第1章 绪论13-37
• 1.1 引言13-17
• 1.1.1 概述13-15
• 1.1.2 学术价值15-16
• 1.1.3 工程意义16-17
• 1.2 声作用下火焰NO_x生成的影响因素17-24
• 1.2.1 当量比17-18
• 1.2.2 燃料流速与伴流流速18-21
• 1.2.3 声频率21-22
• 1.2.4 声振幅22-23
• 1.2.5 组合参数23-24
• 1.3 涡与火焰耦合影响火焰NO_x生成的研究现状24-30
• 1.3.1 声作用下火焰NO_x生成机理研究现状24-26
• 1.3.2 涡结构影响NO_x生成研究现状26-30
• 1.4 本文主要研究内容30-37
• 1.4.1 课题的提出30-33
• 1.4.2 研究目标与内容33
• 1.4.3 本文架构33-35
• 1.4.4 创新之处35-37
• 第2章 声作用下火焰NO_x测试实验系统与测试方法37-55
• 2.1 引言37-38
• 2.2 声作用燃烧过程试验装置38-41
• 2.2.1 声环境发生装置38-40
• 2.2.2 定位装置40-41
• 2.3 燃气与空气管路41-44
• 2.3.1 燃气与空气管路设计41-43
• 2.3.2 流量控制43-44
• 2.4 测试系统44-53
• 2.4.1 压力信号采集系统44-45
• 2.4.2 温度信号采集系统45-46
• 2.4.3 污染物测试系统46-48
• 2.4.4 图像采集系统48-49
• 2.4.5 粒子成像测速（PIV）系统49-53
• 2.5 实验系统的声学特性53-55
• 第3章 声作用下涡与部分预混火焰耦合机制对NO_x生成的影响55-101
• 3.1 引言55-66
• 3.1.1 NO_x测试数据处理与误差分析55-57
• 3.1.2 火焰长度的获取方法57-61
• 3.1.3 PIV系统测试参数选取与涡的捕捉方法61-66
• 3.2 流场参数对声作用下部分预混火焰NO_x生成的影响66-76
• 3.2.1 当量比的影响66-71
• 3.2.2 二次风流速的影响71-74
• 3.2.3 预混气雷诺数的影响74-76
• 3.3 声参数对部分预混火焰NO_x生成的影响76-87
• 3.3.1 频率的影响76-84
• 3.3.2 振幅的影响84-87
• 3.4 涡与火焰耦合机制对声作用下部分预混火焰NO_x生成的影响87-99
• 3.4.1 声作用下部分预混火焰流场中涡的可视化87-89
• 3.4.2 火焰中涡的发展过程89-93
• 3.4.3 流场参数对火焰涡结构的影响93-95
• 3.4.4 声参数对火焰涡结构的影响95-99
• 3.5 本章小结99-101
• 第4章 声作用下扩散火焰NO_x生成影响因素的实验研究101-129
• 4.1 引言101-103
• 4.2 流场参数对声作用下扩散火焰NO_x生成的影响103-110
• 4.2.1 Re数的影响103-104
• 4.2.2 二次空气流速的影响104-110
• 4.3 声参数对声作用下扩散火焰NO_x生成的影响110-117
• 4.3.1 频率的影响110-113
• 4.3.2 振幅的影响113-116
• 4.3.3 共振频率的影响116-117
• 4.4 声作用下扩散火焰EINO_x生成数学模型构建117-127
• 4.4.1 冷态流场内声与涡的关系117-123
• 4.4.2 扩散火焰中声与涡关系123-126
• 4.4.3 基于涡运动理论的声作用下扩散火焰EINO_x生成数学模型126-127
• 4.5 本章小结127-129
• 第5章 涡与火焰耦合降低NO_x生成的动力学模型研究129-171
• 5.1 引言129-139
• 5.1.1 火焰NO_x生成模型综述129-133
• 5.1.2 流场变化影响NO_x生成化学反应133-138
• 5.1.3 涡与火焰耦合降低NO_x生成模型的构建假设与方法138-139
• 5.2 声作用下扩散火焰NO_x生成模型构建139-150
• 5.2.1 一维模型构建139-142
• 5.2.2 二维模型的发展142-145
• 5.2.3 三维模型的探索145-147
• 5.2.4 模型的验证147-150
• 5.3 声作用下预混火焰锋面NO_x生成模型构建初探150-156
• 5.3.1 对流波理论的引入150-151
• 5.3.2 基于对流波理论的预混火焰锋面NO_x生成模型探索151-155
• 5.3.3 模型验证155-156
• 5.4 声作用下部分预混火焰NO_x生成模型构建156-167
• 5.4.1 模型的构建156-159
• 5.4.2 模型的验证159-164
• 5.4.3 模型的修正164-167
• 5.5 本章小结167-171
• 第6章 结论与展望171-175
• 6.1 结论171-173
• 6.2 创新点173
• 6.3 展望173-175
• 符号说明175-179
• 附录179-181
• 参考文献181-192
• 致谢192-193
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果193-194

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