平板狭缝间碳氢燃料微小火焰特性的实验研究

发布时间：2017-11-01 16:03

  本文关键词：平板狭缝间碳氢燃料微小火焰特性的实验研究

  更多相关文章： 碳氢燃料 微尺度燃烧 熄火距离 脉动火焰 自由基

【摘要】：随着MEMS技术的进步,以及商用便携式设备和微型飞行器的迅速发展,人们对高能量密度的便携式微能源系统提出了更高的要求。不同于常规尺度的燃烧器,当微燃烧器的特征尺寸在毫米量级时,微燃烧器的表面积体积比迅速增大,导致微尺度燃烧存在反应物停留时间短、壁面热损失大、化学熄火加剧等困难,这些因素会促使微尺度火焰出现不稳定甚至熄火。本文采用实验方法考察了平板狭缝间不同碳氢燃料/空气预混火焰的特性,探索了微通道中导致火焰不稳定和熄火的机制,进一步完善了微尺度火焰的燃烧现象和理论。首先测量了平板狭缝火焰燃烧装置中碳氢燃料预混火焰的熄火距离,考察了燃料种类、燃烧器壁面温度、当量比和出口速度对预混火焰熄火距离的影响。实验发现,甲烷/空气预混火焰的熄火距离大于正丁烷/空气预混火焰的熄火距离,丙烷/空气预混火焰的熄火小于正丁烷/空气预混火焰的熄火距离,乙烷/空气预混火焰的熄火距离最小。对影响火焰熄火距离的因素进行了分析,发现壁面温度越高,火焰的热损失越小,熄火距离也越小。当量比越高,燃烧反应越强烈,火焰的熄火距离也越小。随着燃料预混气的出口速度增加,火焰的熄火距离先是减小,然后趋于稳定。然后采用高速摄影观察了火焰熄火的动态。结果表明,随着平板间的距离逐渐减小,火焰经历了三个主要阶段。在第一阶段,火焰处于稳定状态,随着平板间距的减小,火焰的位置逐步升高。第二阶段,火焰处于规律性的脉动阶段,火焰的脉动频率和平板间距无关。第三阶段,火焰熄灭,当平板间距小于熄火距离时,火焰不能维持在脉动状态而熄灭。对不同燃料的空气预混火焰脉动频率进行了比较,乙烷和丙烷的空气预混火焰脉动频率大于正丁烷/空气预混火焰的脉动频率,甲烷/空气预混火焰的脉动频率最小。不同燃料/空气预混火焰的脉动范围也不相同,正丁烷/空气预混火焰的脉动范围最大,丙烷和乙烷的空气预混火焰的脉动范围大于甲烷/空气预混火焰的脉动范围。最后采用平面激光诱导荧光技术(PLIF)在不同的壁面温度和平板间距下对不同燃料预混火焰中OH自由基的浓度分布进行了测量,分析了OH自由基的分布规律,并考察了火焰位置随平板间距的变化。结果表明,随着平板间距减小,火焰中OH自由基的最大浓度下降,随着壁面温度升高,火焰中OH自由基的最大浓度增大。随着平板间距的减小,火焰位置初始保持稳定,当达到特定的距离时,火焰快速的向下游移动,直至火焰熄灭,且壁面温度越高,火焰位置越靠近喷嘴。本文的研究结果丰富了微尺度燃烧理论,为微尺度燃烧器的设计提供了数据支持,为有效提升微型能源动力系统的运行稳定性奠定了基础。
【关键词】：碳氢燃料 微尺度燃烧 熄火距离 脉动火焰 自由基
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK16
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-23
• 1.1 微尺度燃烧的背景10-11
• 1.2 微燃烧器存在的主要问题11-12
• 1.3 微通道中微尺度燃烧的研究进展12-21
• 1.3.1 熄火距离的研究12-15
• 1.3.2 操作参数对微尺度燃烧的影响15-17
• 1.3.3 微通道内的火焰形态17-19
• 1.3.4 微通道内火焰中的OH自由基分布19-21
• 1.4 本文研究内容21-23
• 2 平板狭缝间微小火焰的熄火距离23-31
• 2.1 实验装置和实验方法23-26
• 2.2 实验结果及分析26-29
• 2.2.1 四种碳氢燃料预混火焰的熄火距离26-27
• 2.2.2 当量比对熄火距离的影响27-28
• 2.2.3 燃料预混气出口速度对熄火距离的影响28-29
• 2.3 小结29-31
• 3 平板狭缝间微小火焰的火焰形态31-41
• 3.1 实验装置和实验方法31
• 3.2 实验结果及分析31-39
• 3.2.1 随平板间距变化预混火焰的不同形态31-35
• 3.2.2 火焰脉动的频率和脉动区间35-39
• 3.3 小结39-41
• 4 平板狭缝间微小火焰的OH基分布41-53
• 4.1 碳氢燃料链式反应理论41-42
• 4.2 实验装置和实验方法42-45
• 4.2.1 OH自由基及其测量方法42-43
• 4.2.2 实验装置43-44
• 4.2.3 实验方法44-45
• 4.3 实验结果及分析45-52
• 4.3.1 丙烷预混火焰中OH自由基分布图45-48
• 4.3.2 实验结果分析48-52
• 4.4 小结52-53
• 5 结论和展望53-55
• 参考文献55-58
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果58-59
• 致谢59

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本文编号：1127500