CH_4/空气和C_3H_8/空气预混湍流火焰结构及湍流火焰速度测量

利用OH-PLIF技术探测了CH4/空气和C3H8/空气混合气在不同湍流强度下的预混湍流瞬时火焰前锋面结构,通过湍流产生板产生了弱湍流区内的不同湍流强度,通过控制当量比调节火焰密度比和路易斯数,计算了实验中的层流火焰特征参数,分析了湍流强度和火焰特征参数对预混湍流火焰结构、湍流火焰速度的影响.结果表明:火焰前锋面结构的褶皱程度随湍流强度的增大而明显增强.在相同湍流强度下,CH4/空气火焰比C3H8/空气火焰更加褶皱.通过提取火焰OH-PLIF图像锋面,分别用角度法和面积法计算了湍流火焰速度,获得了弱湍流条件下湍流火焰速度与湍流强度的一般关系式.在相同密度比下,即相同流体动力学不稳定性下,热扩散不稳定性更大的CH4/空气比C3H8/空气的湍流火焰速度更大,而在路易斯数接近且热扩散不稳定性处于次要地位时,密度比大的CH4/空气流体动力学不稳定性更大,其对湍流火焰速度的影响也更大.     

基于旋流火焰根部熄火现象的FGM模型研究

针对原尺寸的复杂几何预混旋流燃烧器开展了同步OH/CH_2O-PLIF测量,并利用发展的带拉伸查表法(SFGM)耦合大涡模拟(LES)的方法模拟了相同雷诺数下(Re=10 000)稳定火焰及临近吹熄下的旋流燃烧特性.发展的SFGM模型在化学反应源项中引入与拉伸率直接相关的着火因子,如此拉伸率则无需与进展变量耦合建表,极大地缩小了建表工作量.随后将模拟结果与实验结果对比,验证了LES耦合SFGM模型可以较为准确地捕捉复杂几何旋流预混燃烧的火焰形态(OH及CH_2O×OH分布):如预测到预混管出口处的局部熄火位置,临近吹熄的火焰相比于稳燃火焰有更高的抬升高度.在强旋流下,湍流火焰的传播速度和湍流速度的脉动值成正相关,火焰前锋面在上游侧的边缘位置很大程度上由流场向下游扩张的轴向速度和中央回流区(CRZ)中的主体火焰向上游传播的速度共同决定.随着当量比降低到熄火极限,CRZ内的混合物被不断稀释,火焰逐渐破碎成孤立的火核;与此同时,燃烧温度下降导致火焰传播速度降低,而流场速度不变,火焰前锋面被吹向下游远离CRZ并最终被吹熄.     

CH_4/空气预混稀燃临吹熄火焰结构研究

预混稀燃是最具有前景代替传统扩散燃烧的清洁燃烧方式之一.然而,高速流动的预混稀燃中常出现低当量比下火焰吹熄的情况.吹熄给燃烧过程带来了极大的不稳定性.旋流和钝体是实际燃烧中常用的稳焰方式.吹熄的机理研究大多基于钝体或旋流火焰进行,但同时加入两者稳焰时的吹熄研究尚且不足.本研究基于OH-PLIF技术,在旋流加钝体稳焰下,针对CH_4/空气预混稀燃临熄火条件下的火焰面结构进行了测量和表征.研究表明,临熄火过程中火焰根部抬升逐渐增加,火焰面密度减小,火焰趋向于向回流区聚集.结果表明,火焰根部局部熄火对吹熄过程可能有重要影响,同时验证了未燃气回流促进吹熄的结论.     

贫燃预混旋流火焰的燃烧不稳定性

在低污染模型燃烧室上,从实验角度研究了常温常压下贫燃预混旋流火焰燃烧不稳定性.主要着眼于当量比、旋流数和掺混段结构对于燃烧不稳定性的影响.结果表明,当量比对燃烧的稳定性具有重要影响,随着当量比的提高,燃烧经历了稳定-不稳定-极限环,振荡的频率变化不大,而脉动压力幅值显著增大,最终达到极限环状态.旋流强度增大会导致压力脉动增大,进入不稳定的最小当量比降低.实验所采用的开孔掺混方式与开放式的自由混合方式相比,对燃烧不稳定压力脉动有减小的效果.     

甲烷瞬态火焰与壁面油膜相互作用的实验观测

针对甲烷扩散火焰-壁面相互作用过程,设计了可生成瞬态火焰的焰-壁作用可视化实验装置,利用纹影法与高速相机研究了不同壁面条件下甲烷瞬态火焰撞壁过程火焰形貌的发展演化过程,基于MATLAB数值方法发展了数字图像分割处理技术,并对纹影图像展开了定量分析.基于撞壁瞬间火焰羟基(OH·)活性自由基发光特性考察了油膜对火焰燃烧强度的影响,探究了撞壁高度和壁面油膜特性对焰-壁相互作用的影响机理.结果表明:射流扩散火焰撞壁过程可分为4个阶段,壁面高度对撞壁火焰形貌特征和燃烧特性影响显著,壁面油膜蒸气通过改变撞壁火焰前锋面燃气当量比影响其燃烧强度和形貌特征.     

甲烷-空气预混火焰稳定特性的实验研究

基于本生灯实验,测试分析了甲烷-空气预混火焰的稳定燃烧特性。试验研究了预混气体火焰闪回和吹熄极限随燃空当量比的变化关系。研究发现,甲烷-空气混合气体的闪回极限的最大值出现在接近化学当量比处,并且呈现出类似抛物线的变化规律;而火焰的吹熄极限随着当量比的增加而逐渐增大。试验通过采用13 mm和11 mm两种不同口径的本生灯,研究了本生灯孔径对甲烷-空气预混火焰的稳定燃烧区间的影响关系,实验证明,随着孔径的增大,闪回极限将会减小,而吹熄极限随之增大。通过实验获取这些参数,能够为设计和优化燃烧系统提供理论支撑。     

当量比对甲烷预混低旋流燃烧的影响

通过实验和数值模拟的方法研究了甲烷/空气预混低旋流燃烧的流场结构及当量比对甲烷低旋流燃烧的影响.结果表明,甲烷/空气预混低旋流气流在喷嘴出口处扩张,形成有利于燃烧稳定的低速区;预混火焰"悬浮"于喷嘴上方,在剪切区的内侧,火焰呈W型;富燃时,随着当量比的增加,火焰的推举高度略有增加;甲烷/空气预混低旋流流场具有自相似性,无量纲轴向速度的径向分布几乎不受当量比的影响.同时,燃烧室出口的温度随着当量比的增加而增加,并且在当量比为0.8~1.4时变化较为明显,当量比超过1.4后,增加趋势变缓.     

旋流预混燃烧室燃烧特性及排放特性的数值模拟研究

为了综合考察燃气轮机燃烧室在高稳定性、低排放以及燃料适应性等方面的新要求,基于旋流预混燃烧技术,通过三维数值模拟方法开展了甲烷/空气、丙烷/空气预混燃烧特性及排放特性研究。结果表明：在一定的预混气进气质量流量条件下,当量比增大易引发回火,燃烧温度更高,同时NO_x排放指数增大,增加预混气质量流量,可在一定程度上提高回/熄火极限;当量比固定,增加预混气进气质量流量可避免潜在的回火现象,且NO_x排放指数线性降低;旋流器的旋流数增大能形成强旋流,稳定火焰,降低NO_x排放指数,但过大的旋流强度会引发回火现象;相比于甲烷/空气预混燃烧,丙烷/空气预混燃烧温度偏高,NO_x排放指数较大,但回熄火边界更宽,对应更广阔的稳定燃烧区间。     

LPP燃烧室振荡燃烧特性、火焰结构和NOx排放的实验研究

利用动态压力传感器、平面激光诱导荧光（Planer Laser Induced Fluorescence,PLIF）测量系统和气体分析仪针对不同入口气流旋流数和空气含湿量条件下,贫预混预蒸发（Lean Premixed Prevaporized,LPP）燃烧室中振荡燃烧特性、火焰结构变化规律和NOx排放特性开展了实验研究。研究表明：在一定条件下,随着燃烧室入口气流旋流数增加,激励出振荡燃烧的当量比区域扩大,所激励的振荡燃烧强度不断增加,但振荡燃烧的主频则不断下降,火焰变得更加紧凑且不断向燃烧室中心和上游壁面发展;随着燃烧室入口空气含湿量的增加,振荡燃烧强度会下降甚至消失,振荡燃烧的主频增加,火焰结构由振荡燃烧时的平整型火焰向稳定燃烧时的V型火焰转变,火焰的位置也向燃烧室侧壁面和下游方向移动;LPP燃烧室中NOx排放会随着燃烧室入口空气含湿量和入口气流旋流数的增加而下降。     

贫预混低旋流燃烧器吹脱极限和流场的测量

贫预混低旋旋流燃烧是增强火焰稳定性和控制NOx排放的有效手段,旋流器安装角对于火焰稳定性和流场结构具有重要影响。对两个不同安装角的低旋流燃烧器吹脱极限和冷、热态流场进行了测量分析。结果表明,吹脱旋流数与当量比呈线性关系,旋流器安装角较大时燃烧器稳定火焰的能力受当量比的影响较大。发散角、回流区和湍动能均受旋流器安装角变化的影响。     

生物质燃气预混层流燃烧特性的实验研究

在密闭燃烧容器中对常温、常压环境下的生物质燃气预混层流燃烧特性进行了实验研究,研究了不同燃气组分、不同当量比对生物质燃气预混层流火焰传播速度、火焰表面拉伸率和层流燃烧速度的影响规律。研究结果表明:发酵法制取的生物质燃气中甲烷含量越高,其层流火焰传播速度就越快;相同尺寸的火焰锋面上拉伸率越大,层流燃烧速度则越快;随着当量比的增大,层流火焰传播速度、层流燃烧速度呈现出先增大后减小的趋势。     

当量比变化对合成气双旋流喷嘴燃烧火焰特征的影响

采用平面激光诱导荧光（PLIF）、高温热电偶及红外气体分析仪,对不同当量比下的合成气在双旋流模型燃烧室内的火焰特征进行了试验研究.结果表明：当量比为0.2时,合成气火焰的反应区呈月牙形,随着当量比的增大,合成气火焰根部逐渐出现M型分布特征,火焰锋面的内、外侧张角均单调减小,火焰推举高度与穿透深度增大,同时,燃烧室中下游出现大量的反应区,火焰根部受到压缩,燃烧室排气温度升高,CO排放量迅速降低.     

中心分级旋流火焰中热声不稳定分岔现象研究

针对中心分级旋流燃烧器中甲烷火焰在常温常压下的热声不稳定进行了实验研究,主要关注随着当量比变化发生的分岔现象.实验结果表明,随着总当量比的增加,热声系统经历了两次分岔,因而可以分为3个稳定性区间:安静、中等振荡和强烈振荡.其中,后两种区间下发生了热声不稳定,相空间重构表明其均发生了极限环振荡.本研究还结合高速摄像机拍摄的火焰图像,比较了两种发生热声不稳定的区间下的火焰动力学和热声耦合机理的差异.     

低热值煤层气燃烧器结构优化的实验研究

对一种低热值煤层气燃烧器进行优化设计,在燃气管内设置导流叶片,并在旋流空气管和燃气管之间增加一根直流空气管,对此燃烧器进行冷态和热态实验,结果表明:改进后的燃烧器旋流强度沿中心轴线比原燃烧器下降平缓,在中心轴线相同位置处大于原燃烧器,改进后的燃烧嚣旋流强度最大值为0.53;改进后的燃烧器燃烧温度沿中心轴线比原燃烧器上升快,在中心轴线0.55 m处,温度达到最大值1 440 K;在相同热负荷下,温度峰值比原燃烧器更靠近喷口,且比原燃烧器大.原燃烧器火焰尾部温度高,火焰长,局部容积热强度低.     

微型定容燃烧腔内丙烷/空气火焰传播特性

利用高速摄像的方法,在狭缝间距为2,mm的圆盘状微型定容燃烧装置中考察了常温常压、当量比φ为1.0~1.6静止丙烷/空气预混气中心点火后向外传播的火焰传播特性.结果表明:微型定容燃烧腔内形成的火焰面有光滑、褶皱和断裂3种形态;光滑火焰面的火焰传播速度低于常规尺度下的火焰传播速度;火焰传播速度随着当量比的增加先增大后减小;在点火能量影响范围外,火焰传播速度随半径增大而减小;随当量比的增加火焰锋面容易出现褶皱和断裂现象.     

混合过程对旋流预混火焰燃烧不稳定性影响的实验研究

针对预混火焰燃烧振荡问题,通过改变旋流预混燃烧器的长度和气流速度,研究了混合长度、气体流速和当量比对燃烧不稳定性的影响,检验了时间延迟模型在宽时间尺度范围内的有效性,并揭示燃烧室压力脉动与燃烧器内燃料空气混合的相互作用机制,及其对燃烧模态的影响.结果表明,燃烧室内压力脉动会向上游传播,引起预混管内当量比脉动.当混合时间尺度小于临界尺度时,时间延迟模型具有一定的可行性.预混管内当量比脉动会随气体流动传至燃烧室中,进而影响燃烧过程,导致燃烧模态随混合时间增加而出现稳定-振荡的循环变化.当混合时间尺度大于临界尺度时,压力脉动向上游的扩散和当量比脉动向下游的流动传递衰减严重,燃烧处于稳定模态.该临界尺度约为τfc=1.5.     

甲醇-空气-氮气混合气预混球型火焰的试验研究

利用高速纹影摄像法在定容燃烧弹内研究了不同燃空当最比、初始压力、初始温度和气体稀释度下甲醇-空气-氮气混合气预混球型火焰的发展特性以及3种火焰锋面的不稳定性.获得了不同初始状态下的层流燃烧速度、质量燃烧流量和马克斯坦长度.高的初始压力时,火焰锋面生成的裂纹发展并形成细胞状结构.稀混合气时,浮力和电极的冷却作用对火焰的发展有重要影响.当量比在化学计量比附近时,随着初始温度的提高,流体动力学不稳定性被抑制.随着初始压力的增加,流体动力学不稳定性增强.稀释气的加入抑制了火焰锋面流体动力学的不稳定性.     

空气旋流强度对气泡雾化喷雾流场及火焰的影响

对不同空气旋流强度下气泡雾化喷嘴出口下游喷雾流场特性及燃烧特行进行了诊断与分析.随着空气旋流强度的增加,喷雾锥角明显增大,颗粒的轴向平均速度有所降低,而速度分布趋势则由单峰分布逐渐转变为双峰分布.同时,径向和切向的平均速度都有所提高,速度脉动加强,气、液两相之间的混合趋于强烈.空气旋流强度对油雾的燃烧过程影响显著,随着旋流数S的增大,油雾火焰的湍乱程度加强,火焰长度缩短,火焰表面皱褶和旋涡的尺度有所减小.空气旋流强度过小或过大,都将导致燃烧状况恶化;在S=1.2时,燃烧产物中的cxHy、CO和NO 的体积含量均达到较低的水平.     

径向分层旋流燃烧器燃烧可视化研究

通过所开发的图像采集与处理系统,对一台径向分层旋流燃烧器的煤气火焰进行了可视化研究,并应用分形理论对所提取的火焰锋面进行了定量分析。试验结果表明,利用分形维数可很好地描述火焰锋面的波折程度,为深入研究火焰形状结构对燃料与空气混合的影响提供了一个有力的手段。     

湍流预混燃烧火焰结构的分形维数特征研究

发动机湍流预混燃烧的火焰结构具有自相似性,将分形技术这一新的非线性方法技术引入对湍流预混火焰结构的研究中,基于自行设计的以光学发动机和高速摄像机为核心的试验系统,得到了湍流预混燃烧的火焰结构图像.利用修正数盒法的分形图像处理方法,得到了描述湍流预混燃烧火焰的分形维数特征.在此基础上,对于发动机转速、空燃比、点火提前角和燃料性质等参数对火焰分形维数的影响规律进行了探索性的研究.研究结果表明,湍流预混燃烧火焰的分形维数在燃烧期内先随曲轴转角增加而增加,在达到最大值后,随曲轴转角增加而减小,证明在燃烧中期,火焰锋面具有最大的扭曲度;发动机转速的增加、点火角的提前、混合气的加浓均会使燃烧火焰的分形维数均有不同程度的增加.因此表明上述因素会使燃烧进行得更为剧烈,火焰结构的扭曲程度加强,火焰传播速度加剧.