基于火焰OH自发光技术的贫燃旋流预混燃烧吹熄机理

利用火焰OH自发光技术研究了湍流状态下贫燃旋流预混燃烧的吹熄过程,获取了不同当量比下的平均火焰图像、瞬时火焰图像、二维火焰表面密度和OH平均强度.将当量比从0.90降低至0.46,即由火焰的稳定燃烧状态转变至临界吹熄状态,火焰由中间凹陷的紧缩形变为柱状.当量比位于0.90～0.55时,火焰表面密度下降约10%,可以认为此时火焰处于稳定燃烧状态.当量比位于0.55～0.50时,进度变量最大值从1.0变为0.5,说明火焰锋面处于强烈脉动中,且OH强度骤降约为67%.通过观察OH强度突变区域内的瞬时火焰图像,发现火焰锋面经历了脱离钝体、向燃烧室下游移动,再燃的往复过程.最后比较了不同旋流数(0.45、0.61和0.90)对于OH强度突变区间的影响,结果表明旋流数对于该区间的影响并不明显.     

一种新的火焰稳定机制

传统的钝体稳焰机制以高温烟气的回流预热初始燃料,促使着火提前,强化燃烧,达到稳定火焰的目的.这种钝体稳焰机制并未将回流区所具备的全部功能都发挥出来.本文提出的开缝钝体燃烧机制,即在钝体中心设置缝隙,向回流区送入少量燃料与空气,使其在最有利的环境中立即着火,形成一值班火焰,以明火点燃主流.这样,回流区的“被动热源”将转变...     

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.     

煤粉钝体稳燃器机理的研究

本文从钝体回流区热平衡、强化燃烧三要素(速度梯度、浓度梯度和温度梯度)和钝体火焰稳定模型三个方面对钝休稳然机理进行了综述,说明了钝体回流区是一个具有强烈热交换的高水平热平衡区.最后介绍了从火焰产生条件和回流区热平衡两个方面建立起来的纯体稳焰模型.     

湿空气非预混火焰的稳定性

利用粒子图像测速技术对钝体后的湿空气回流非预混燃烧火焰流场进行了测量,研究湿空气燃烧火焰的结构特性,以及水蒸气的加入对火焰稳定性的影响,得到湿空气燃烧火焰的稳定性区域图.通过对比湿空气燃烧和普通燃烧火焰转变的临界值,发现湿空气燃烧回流火焰向过渡火焰转变时,燃空速度比的临界值比普通燃烧的低16%~22%,而发生局部熄火时的临界值与普通燃烧时的相比至少低25%.分析表明,湿空气火焰不稳定性主要是由于环流湿空气动量的减少引起的,另外稀释作用和化学发应的影响导致氧原子含量降低也是不稳定的一个原因.     

开缝钝体对微型燃烧器燃烧性能改善的研究

为了提高微型燃烧器内的燃烧稳定性,将开缝钝体稳燃技术应用于微型燃烧器中,采用详细化学反应机理模拟了不同速度下微型开缝钝体燃烧器与微型常规钝体燃烧器的燃烧情况。结果表明:开缝钝体燃烧器火焰宽度一致性较好,火焰中心温度沿轴向分布更加均匀;开缝钝体燃烧器燃烧效率高于常规钝体燃烧器;当缝隙直径为0.1 mm时,微型开缝钝体燃烧器吹熄极限达到最高,高于微型常规钝体燃烧器。开缝钝体能有效改善微型燃烧器的燃烧状况。     

强湍流下甲烷稀燃预混火焰的稳定性研究

针对稀燃预混火焰的吹熄问题,运用高速PLIF技术实现了天然气稀燃火焰从薄火焰面区到破碎区的火焰内部结构可视化,提供了在高湍流强度下稀燃预混火焰的重要数据.结合LDV测量得到的流场信息和提取出反应区面积等参数,发现了湍流对火焰反应层的两方面影响.一方面是通过增加反应区面积增强了燃烧强度,另一方面高强度的剪切拉伸导致反应层出现局部淬熄.在一定范围内,湍流对反应的增强作用占主导,从而能够通过增加剪切作用增强射流火焰的稳定性.当湍流强度超过一定值,火焰进入破碎区,小涡尺度与化学反应尺度相当,火焰出现大量局部淬熄现象,从而导致整体吹熄.     

直列预混微火焰吹熄特性的研究

实验测量了三个直列甲烷/空气预混微火焰的吹熄极限,同时利用R型微型热电偶对火焰的温度场进行测量,并建立模型模拟了冷态流场,考察了喷嘴间距、燃料当量比和预混气流速三个关键参数对火焰吹熄特性的影响。研究结果表明,三个直列预混微火焰吹熄特性与单个微火焰不同,随喷嘴间距减小,直列预混微火焰吹熄极限速度先增大后减小,存在一个喷嘴间距临界值使直列微火焰吹熄极限速度达到一个峰值,其原因是喷嘴间距改变导致火焰相互作用发生变化导致。     

燃烧通道中钝体对煤粉-空气两相流火焰稳定能力的研究

本文对于燃烧通道中钝体对煤粉-空气两相火焰的稳定能力进行了研究。给出了稳燃的机理以及各种影响稳燃因素的作用。研究发现了对于稳燃问题存在着一个最佳速度值。同时讨论了钝体用作煤粉火焰稳燃器的环境与条件。     

多孔介质钝体火焰稳定性

提出采用多孔介质材料制作钝体火焰稳定器,旨在利用其通透和弥散性能改善钝体后燃空比,从而提高火焰稳定性.通过对实心钝体、平均孔径为1.27,mm和0.32,mm的多孔介质钝体尾迹冷态流场、钝体火焰及其稳定特性对比实验,发现基于来流速度和钝体特征长度尺度的雷诺数对实心和多孔介质钝体回流区产生特性影响较大.多孔介质钝体回流区出现在x/D=1,其长度为(0.8～1.0)D,回流强度35%;实心钝体产生的回流区紧贴钝体,长度为1.4D、回流强度为82%.当空气伴流速度为6.0,m/s时,实心钝体燃料流速度小于3.1,m/s时熄火,而平均孔径为1.70,mm和0.32,mm的多孔介质则分别在实心钝体燃料流速度小于1.6,m/s和0.9,m/s后才熄火.由于多孔介质渗透和弥散作用,钝体后燃料空气混合更好,可获得更宽的火焰稳定范围.当燃料速度相同时,多孔介质钝体熄火的空气伴流速度更大;当相同燃料和空气伴流条件时,多孔介质火焰刚性更强,燃烧更充分.     

部分预混旋流燃烧的大涡模拟

采用耦合涡耗散概念模型的大涡模拟方法,探究了Re和组分变化对部分预混旋流火焰动力学特性的影响。通过与实验结果定性和定量的比较,验证了大涡程序模拟燃烧过程的可靠性。计算结果显示Re的增加,会明显提高空-燃混合效率,从而导致部分预混火焰中预混燃烧模式的比例有所增加,且预混燃烧区域向上游移动,Re的增加也会使得火焰下游产生更多更快的涡破碎结构。N_2含量的增加,会减小流向回流区尺寸,降低空-燃混合效率,但对减小火焰温度具有明显效果,从而对降低NO_x排放产生积极作用。结论为进一步研究部分预混旋流燃烧室的不稳定性及燃烧效率提供了理论和方法上的指导。     

添加氢气的甲烷/空气预混火焰结构的数值预测

针对添加氢气的甲烷/空气预混火焰的重要特性进行了计算研究.不同含氢比、稀释比以及不同当量比下的绝热燃烧速率模拟结果与目前国际上相关的研究结果相吻合.从稀燃到等当量比范围,采用的模型较好地重构了NO浓度变化,但在浓混合气时,预测结果与Coppens等的研究结果不同.计算结果表明,添加氢气对炭黑生成无明显的作用;同时,以反向对称双火焰为模拟背景,计算获得了不同含氢比下的熄火拉伸率和对应的燃烧温度,证明了添加氢气可以增强稀薄燃烧的稳定性以及扩大稀燃极限.     

开缝钝体燃烧器回流加热链着火分析

用回流加热链着火分析法，分析比较了钝体燃烧器和开缝钝体燃烧器不同的稳焰机理．通过建立热平衡方程，求出流体混合温度．结果表明，只要小股中缝流能够着火，开缝钝体回流流体混合温度就会高于钝体回流流体混合温度，从而增强了稳焰能力．燃烧试验结果与分析结果一致。     

低排放燃烧室值班喷嘴改进设计研究

贫燃预混燃烧是目前实现干式低排放的主要技术措施之一,然而该燃烧技术在机组运行中,总会出现低工况下燃烧室贫燃熄火和回火等问题,为了改善低排放燃烧室的贫燃熄火特性,需要对低排放喷嘴进行结构设计改进。本文针对某型低排放燃烧室,以提高燃烧室贫燃熄火过量空气系数为目标,对低排放喷嘴的值班路进行设计改进。结果表明:(1)旋流缩放组合式值班喷嘴可以形成稳定的值班火焰;(2)旋流缩放组合式值班喷嘴可以引燃主喷嘴;(3)采用旋流缩放式值班喷嘴后,燃烧室的贫燃熄火过量空气系数提高了23%。     

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。     

分层比对双旋流预混火焰结构和燃烧不稳定的影响

基于双旋流预混燃烧实验系统，采用动态压力传感器、ICCD相机等装置，研究了不同分层比对双旋流预混火焰宏观结构和燃烧不稳定的影响．研究结果表明：随着分层比增大，火焰的主释热区由主燃级下游逐渐移向火焰根部，再逐渐向预燃级下游靠近，旋流火焰张角随之增大，火焰中心界面结构有“W”、“V”和“多褶”3种典型结构；随着分层比增大，火焰由稳定转为不稳定，且主频都在60 Hz左右，振幅先增大再慢慢下降，且在分层比为1.25和1.50时，有明显的不稳定第二频率出现，其大小约等于2倍的不稳定主频．     

贫燃预混旋流火焰动力学失稳过程分析

利用实验和数值模拟方法对贫燃预混旋流火焰的动力学失稳过程进行了分析,发现燃烧室入口非反应旋流入射过程所诱发的低频压力振荡将引起反应流热声振荡,两者之间具有倍频关系;旋流剪切边界层内较高的速度梯度诱导产生小尺度漩涡,三维螺旋结构的涡漩进动过程将造成火焰面内出现周期性的局部熄火和重新着火,从而使非平衡羟基等值面和中心回流区...     

低热值煤层气部分预混式旋流燃烧器结构优化研究

针对低热值煤层气部分预混式旋流燃烧器,通过加装钝体对其结构进行了优化研究,采用数值分析的方法考察了钝体对燃烧器出口速度、温度及甲烷浓度分布等的影响规律.研究表明:在燃气管外壁上加装钝体可以提高燃烧器的部分预混效果,缩短火焰长度;在支撑管出口加装钝体可以提高燃烧器出口气流的射流刚性,使炉内温度分布趋于均匀,同时提高回流区卷吸高温烟气的能力和范围,在喷口出口形成稳定的高温区.通过加装两部分钝体的方法,对燃烧器进行局部优化改进后,燃烧器在保证射流刚性的同时达到良好的燃烧稳定性;燃烧器出口轴向速度梯度和温度随出口钝体锥度的增大而提高,出口钝体锥度应选择34.21°为宜.     

甲烷/空气混合物在微小型钝体燃烧器中的燃烧特性

为了实现在淬熄距离以下的稳定燃烧,试验设计了两种带钝体的回热型燃烧器,研究预混甲烷在高度小于淬熄距离的燃烧室中的燃烧特性。燃烧器的燃烧室高度为2 mm,长度为20 mm,进口处安装了边长为1mm的等边三角形钝体或相同尺寸的"V"形钝体,并在上下两侧设置了预热通道。利用Fluent6.3软件对甲烷/空气在这两个燃烧器的预混燃烧做了数值模拟,确定了浓度极限和速度极限,并对稳燃机理进行了分析。与三角形钝体燃烧器相比较,"V"形钝体燃烧器的稳燃范围更大。在所给出的稳定燃烧工况下两者的燃烧效率均在99%以上,甲烷/空气的混合气体能够完全燃烧。但当进气速度较小同时当量比较大时会发生回火现象。     

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。