甲烷三重火焰传播与形态特性的实验与数值模拟研究

发布时间：2020-08-14 18:34

【摘要】：作为一种典型的部分预混火焰,兼具稀预混燃烧、浓预混燃烧和扩散燃烧三种燃烧形式的三重火焰广泛存在于多种类型的燃烧装置中。由于这种火焰的着火、传播以及火焰结构等特性与预混和扩散火焰有很大的差别,因此研究不同条件下三重火焰的基础特性与燃烧机理,具有重要的理论和实际意义。本文以甲烷为燃料,针对三重火焰的传播与几何结构特性,采用实验结合数值模拟的方法进行了研究。研究工作可以深化对甲烷三重火焰传播过程及其火焰几何结构发展行为的影响因素和影响规律的理解,为部分预混燃烧过程的控制及利用提供理论依据。在三重火焰燃烧实验系统的建立过程中,本文借助理论和数值模拟的方法,以形成均匀稳定的层流流场为目标,对实验系统的关键配件——协流燃烧器各特征尺寸(中心主喷嘴的直径、长度、同心协流喷嘴的长度、入口布置等)的设计进行了研究,根据计算结果确定了合理的设计尺寸。通过对气路及燃烧器出口条件控制系统的设计,实现了中心主流和同心协流出流条件的独立精确控制。通过MATLAB编程改进了火焰图像的后处理方法,使得所得数据的分辨率细至约0.5mm,满足对于火焰几何特征的测量。采用高速摄影的方法研究了协同流场中甲烷三重火焰的传播行为,通过对不同流场条件下三重火焰传播状态、传播速度等特性的分析,探讨了甲烷三重火焰的传播特性,明确了三重火焰传播状态与其自身燃烧状态的关联,获得了不同来流条件对于三重火焰锋面传播速度与局部流场速度之间关系的影响规律,从而进一步明确了对其传播状态变化的影响机理。发现了三重火焰在不同传播状态间过渡时的运动规律：当三重火焰的传播状态在“回传—举升”或“举升—吹熄”间过渡时,分别会出现“三阶段回传”或“三阶段吹熄”的运动规律,同时获得了促使其转变传播状态的临界来流条件。通过研究三重火焰尾部末端的运动规律,明确了来流条件对于流场可燃范围的影响,从而进一步明确了其对于火焰稳定性和传播状态的作用。采用高速摄影的方法研究了三重火焰在传播过程中其火焰形态结构的发展,通过对不同传播状态下三重火焰局部和整体几何特征的分析,探讨了甲烷三重火焰几何结构的发展规律,明确了火焰基部宽度与高度间的相关联系,发现火焰基部宽度有随着自身高度升高而变宽的趋势,同时发现了火焰自身长度受主流速度的影响机理,即流速和其中所含燃料的增加会分别抑制和促进焰身长度的增长。获得了不同传播状态下基部宽度随时间的变化规律,揭示了不同来流条件对于焰身长度的影响规律,明确了由已燃气体的浮力所引发的尾部霜端局部区域内的Kelvin-Helmholtz不稳定是三重火焰焰身长度发生震荡现象的主要原因。明确了不同传播状态下上游来流扰动对于火焰焰身长度的影响大小,发现当局部流场速度和锋面传播速度接近时,流场中的扰动能够对火焰产生更大的影响。采用光谱测量的方法研究了三重火焰的燃烧特性,通过对不同来流条件下三重火焰基部三重点光谱信息和关键中间产物含量的分析,探讨了甲烷三重火焰在来流条件改变时燃烧特性的变化规律,明确了主、协流的流速和当量比各自对于三重点处局部燃烧特性与NOx产生率的影响,获得了来流条件改变时,三重火焰中浓预混燃烧放热、稀预混燃烧放热以及扩散燃烧放热强度的变化规律,明确了各种燃烧方式在燃烧过程中所占的比例变化,研究发现主流流速和当量比的增强比协流更能促进浓预混火焰分枝的燃烧强度,同时也发现相比与协流,主流流速和当量比对于三重点处prompt型NOx的生成率具有更大的影响权重。为了在已有实验结果的基础上,进一步从微观角度展现三重火焰几何结构的发展变化过程及其发生机理,本文基于层流有限化学反应速率模型以及详细的甲烷燃烧化学反应机理(30种组分、184步基元反应),采用了数值模拟的方法研究了封闭流场中甲烷三重火焰在不同来流条件下传播与火焰几何结构的发展过程。明确了固体壁面流动边界层对于冷态协同流场速度与组分分布的影响,利用考虑到内部反应流—流场与喷嘴壁面—外界环境三者之间热交换的影响的耦合传热方法,揭示了经火焰加热后的壁面对于火焰自身以及上游未燃混合气流场的影响规律,发现了高温壁面对上游未燃气体的加热所引发的热膨胀而带来的流场变向效应：通过对不同直径流场下三重点内基元反应的分析,明确了窄流道内中间产物H和OH浓度的增加是促使三重火焰燃烧得到加强的主要原因。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ511
【图文】：

扩散燃烧,预混燃烧,燃烧现象,火焰

按照燃料与氧化剂在燃烧前巧混z巧的不同，燃烧过程可Ｗ分为扩散燃烧、逡逑部分预混燃烧和预混燃烧，其中部分预混燃烧过程中普遍存巧着一种独特的火焰逡逑类型——Ｈ重火焰（ｔｒｉｐｌｅ邋ｆｌａｍｅ），如图１－１中的巧部放大W 所示，導主要特征是逡逑包含了稀预混燃烧、浓巧沿燃烧和扩散燃烧Ｈ种燃烧形式，其中稀巧海和浓预诚逡逑火焰区分别处于扩散燃烧火焰区的两侧，对于Ｈ个火焰分巧交汇的情况，该交汇逡逑点称为三重点。逡逑ｆｗｋＨ逡逑巧预浪燃巧邋稀巧巧燃料逦兰ｉ．南逡逑图１－１典型Ｈ重木焰形态Ｗ逡逑由于在实际的燃烧过程中，很难达到完全的扩散燃烧或预混燃烧，因此《种逡逑流场条件下（如协同流、自由射流、对冲流等）的燃烧现象中均存在Ｈ重火焰，逡逑如烺１－２和图１－３所示。由于这种部分预混火焰的着火、传播及火焰结构等特性逡逑？■与预混和扩散火始有很大的差别，因此研究不同条件下Ｈ重火焰的基础特性与燃逡逑烧机理，既能增进对这种燃烧现象的理解，也能为提爵实际燃烧装置的燃烧效率、逡逑

身长,对举,火焰,二重

巧人义博＋学巧论文ｈａｏｆｉＷ针对Ｈ重火焰迟滞现象的研究结果则表明，焰身高度与举升结果密切相关，如圈１－３０所示。此外，由于火焰焰身长区大小有关，因此对于火焰的排放特性也有显著的影响，根可知，Ｈ重火焰的焰身Ｋ度与其ＮＯ和ＣＯ排放量直接相关，ＡｔｎｄｍｅＭ邋ｌｌｙｉｗｗ邋？ｉｉ逦ＬＡｓｄ逡逑

特使,身长

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