基于过程层析成像技术的EV燃烧器可视化火焰检测实验及数值研究

发布时间：2020-06-06 02:39

【摘要】：能源是人类各项活动的重要物质基础。在过去几十年中,我国经济飞速发展,但由此也带来日益显著的能源及环境问题。目前我国火力发电最主要的原材料是煤炭,然而对其极度依赖,不仅将面临着资源日益枯竭的困境,还导致了较为严重的SOx、NOx、粉尘等大气污染物以及CO2的排放,随之而来的环境问题,如雾霾、酸雨、气候变暖等也日益严峻,严重危害到周边居民的身心健康。因而,研究和发展不依赖于煤炭的发电技术,具有重大的现实意义。其中,以气体燃料为工质的燃气轮机发电技术,不仅能解决钢铁工业的电力生产问题,而且在节能减排和环境改善方面也有所突破。燃气轮机是一种旋转锅炉式热力发动机,它把热能转换为机械能,并使用连续流动的气体作为工质。它最初应用在航空发动机领域,之后在能源、国防、交通等领域获得广发应用,成为这些领域高新科技的核心装备。燃气轮机课题研究的重点是燃烧器的设计和性能分析,而对燃烧器的火焰检测则是分析燃烧器性能、优化燃烧器设计结构的重要手段。本文以过程层析成像(Process tomography,PT)技术为基础,针对本实验室自行设计研发的锥形燃气轮机旋流环保型燃烧器(即Swirl-induced environmental burner,简称EV燃烧器)进行三维内部结构的可视化火焰检测,开展的主要工作有:一、设计和搭建了基于过程层析成像系统的火焰检测平台。过程层析成像技术是一种应用于工业可视化检测领域的非侵入式实时测量方法,可以在不破坏被测工质的状态下,对工业过程量及被测参数的内部行为进行实时监测成像。其中电容层析成像技术(Electric capacitance tomography,ECT)是一种以电容变化量为检测参数的过程层析成像技术,被认为是多相流检测领域最有前景的可视化检测方法之一。将ECT应用于火焰检测领域是对该技术的一项应用创新。尽管目前学术界仍对ECT检测火焰的机理存在争议,但已普遍认可ECT能够检测到火焰的电离现象。本文在前人的工作基础上,设计和制作了多种适用于三维火焰检测的电容传感器,包括平面电极片全开放式传感器及平面与环形电极片集成式传感器,采用三维图像重建及数据融合等数据处理方法,实现了对火焰的燃烧状况及三维内部结构较为准确的实时成像。二、为了实现与ECT重建的火焰图像进行对照分析,本文在电学层析成像技术的基础上,进一步融合平面激光诱导荧光(Planar laser induced fluorescence,PLIF)技术等光学手段,实现对火焰中OH自由基的浓度分布实时检测。PLIF技术是一种用以探测待测的分子或原子被激光激发后在特定的量子态聚居密度的共振跃迁技术,在特定染料的激发下可用于检测火焰中OH自由基在平面内的浓度分布。根据火焰的电离理论,火焰中OH自由基聚居密度较大的区域通常也是火焰中燃烧化学反应较为剧烈的区域,体现在ECT图像中即为灰度值较高的区域。因此原理上可以将OH-PLIF检测图像与ECT的重建图像进行对照分析,两者的测量结果可以相互印证。三、本文还通过计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)的方法对燃气轮机的EV燃烧器进行三维空间的数值模拟,采用非稳态湍流模型和湍流与化学反应相互作用的涡耗散概念(Eddy dissipation concept,EDC)燃烧模型对层流火焰及湍流火焰进行模拟,计算出实验条件下甲烷火焰的内部结构、组分及流场分布情况,并与ECT及OH-PLIF的测量结果进行对照分析。数值仿真结果不仅可以与实验测量结果进行良好的对照,还可以补充实验数据,分析燃烧反应的其他燃烧过程产物等,为后续燃烧器的研究提供理论分析基础。本文在对锥形燃气轮机旋流环保型(EV)燃烧器的燃烧特性深入了解的基础上,采用基于电学的过程层析成像技术(ECT)实现对火焰内部三维结构的可视化检测,融合了平面激光诱导荧光技术(PLIF)研究火焰组分,并结合数值模拟的方法从多角度对锥形燃烧器的结构及其燃烧状态进行分析,为后续深入研究奠定基础。
【图文】：

本生灯,火焰

产生高温火焰。本生灯因燃烧效率高，产生污染小，自面世以来便逡逑在实验室中得到了广泛应用。逡逑本生灯的结构如下图２－１所示。本生灯通过橡胶喉管与煤气罐相连。本生逡逑灯的调节阀可以调节燃气流量，而空气调节环通过控制气孔开闭状态可以调节逡逑进入燃烧器管道内的预混空气量。使用本生灯前应将其置于防火板上，并关闭逡逑气孔；之后启动燃气调节阀，点燃本生灯，这时火焰为橙色，燃烧不充分；再逡逑打开空气调节环让新鲜空气进入，火焰转为蓝色，温度升高。逡逑１５逡逑

火焰,内焰,外焰,火焰温度

由Ｈ然烧过程中反应产物被加热，使得产物的密度小ｊ邋？反应物的密度，因逡逑此，燃烧产物的速度耍大于未燃气体的速度，气流在火焰锋ｉｆ）丨前后有明显的加逡逑速。如图２－２中所标注，未燃烧的Ｍ混合＼休在火焰峰１〖１１的前端，经过化学反逡逑应的高温燃烧产物则位］１？火焰锋面的后端。稳定燃烧后本少灯的火焰如丨：图２－２逡逑所示。火焰从结构上可以分三层：内层火焰温度约为３００°Ｃ，是Ｈ２０、Ｃ０、逡逑丨１、（：０２和Ｎ、０的混合物，称为焰心。中层为火焰的反应区，火焰温度约逡逑５００°Ｃ，燃气在此Ｅ域开始燃烧，但是，燃烧＋完全，火焰呈淡蓝色，这部分火逡逑焰被称为还原焰，也叫内焰。外层氧气供给十分充分，燃气完全燃烧，此处火逡逑焰的温度最高，〖４达８００？９００°Ｃ，火焰呈淡紫色，，这部分火焰称为氧化焰，也逡逑称外焰。根据前文所述火焰中发生燃烧反应最剧烈的区域为快速反应区，即火逡逑焰中内焰与外焰的交界面。逡逑２．１．１．２邋；而流火焰逡逑湍流火焰又称紊流火焰，与层流火焰相比，火焰的长度缩短，并有明显的逡逑噪声
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X773;TK473

【参考文献】