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.     

撞击气化火焰边缘的分形特性

气化炉是IGCC发电系统的关键设备,在试验中采用火焰摄像系统拍摄了多喷嘴对置气化炉内撞击气化火焰图像,用像素点覆盖法计算了撞击气化火焰边缘的分形维数,提供了一种有效判断撞击气化火焰燃烧状态的方法。试验结果表明,撞击气化火焰边缘曲线具有分形特征。撞击火焰的边缘分形维数在点火阶段逐渐降低;从两喷嘴撞击向四喷嘴撞击过渡时火焰边缘曲线分形维数逐渐增大;随着操作负荷的增大,分形维数增大,但两喷嘴和四喷嘴撞击火焰之间的分形维数相差逐渐减小。     

内燃机燃烧火焰的分形特征研究

介绍了发动机湍流预混燃烧火焰分形研究的进展,分析了湍流火焰分维测量的数盒子法、修正数盒子法及其优缺点,讨论了火焰特征尺度、内外截点的尺度及维数D与各参数之间的关系。     

透过燃烧图像对汽油机湍流火焰分形特性的试验研究和模拟(英文)

汽油机湍流预混燃烧的火焰结构具有分形几何的自相似性.利用基于分形理论的燃烧模型对发动机的燃烧过程进行了模拟计算,并将计算结果与试验数据进行了对比.试验采用自行设计的以光学发动机和高速摄像机为核心的系统,通过对拍摄到的湍流火焰照片经过图像处理来获取火焰的分形维数、火焰面积、湍流火焰速度等特性参数.研究结果表明:试验结果和模型计算值吻合得较好,分形燃烧模型是一种有效的模拟发动机工作过程的手段,具有良好的预测精度.     

湍流预混火焰结构的测度分形研究

本文利用图像可视化技术，在小型火焰试验台上获得了Ｒｅｄ＝４３３５～１１１００范围内的燃气预混火焰的湍流热图像序列，并对２维湍流结构参数进行了测量。结合基于测度分析的分形理论，研究了湍流火焰的分维特性，结果表明：湍流火焰的２维形状结构具有分数维特性，且维数在２．０５～２．２６范围内。在此基础上，得到维数与Ｒｅｄ、热释放率及１次风流量等燃烧控制因子的依变关系，并讨论了湍流火焰分维结构的内在机理。     

球形火焰分形维数的计算方法

根据分形理论,应用盒维法、圆环面积法以及圆规法计算了球形火焰的分形维数,比较了3种方法之间的差异,然后以掺氢乙醇-空气球形火焰为例,分析了火焰分形维数随掺氢量的变化关系.结果表明,在计算球形火焰分形维数方面,盒维法相对于圆环面积法和圆规法具有更高的准确性;分形维数能够反映出球形火焰在传播过程中稳定性的变化规律,其结果与直接观察火焰纹影图片得到的结论一致.     

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。     

建立汽油机燃烧模型的新方法——分形几何

本文介绍了分形几何应用于汽油机燃烧模型的发展概况。国内外研究表明：汽油机燃烧火焰具有分形特性,因此用分形来描述火焰是恰当的。汽油机燃烧火焰的分形尺度大约在０．１３ ｍ ｍ 到几个ｍ ｍ 之间。利用分形建立的汽油机准维燃烧模型对发动机性能进行模拟可以很好地反映燃烧过程。     

湍流预混火焰的分形特性

采用高速纹影摄影法获得了定容燃烧弹内预混湍流火焰的图像，分别用数盒子法和像素点覆盖法计算出了火焰图像的分形维数。湍流火焰的分形分析结果表明，定容燃烧弹内的预混湍流火焰结构具有分形特征，且属于非充分发展的湍流火焰。湍流火焰的分形维数反应了湍流脉动对火焰片的褶皱程度，湍流强度增大加剧湍流火焰前锋的褶皱，分形维数也随之增加。在相同湍流强度下，小尺度湍流对火焰前锋的褶皱作用更大。     

利用火焰推举距离判定燃煤锅炉低负荷稳燃性能的研究

为研究低负荷工况下锅炉的稳燃能力,定义了火焰推举距离,即以900℃的温度作为火焰边界,以火焰边界与燃烧器出口之间的距离作为火焰推举距离。采用ANSYS Fluent模拟软件对某电厂350 MW前后墙对冲锅炉内的燃烧状况进行模拟,并根据试验确定了该锅炉的最低发电负荷为24. 8%时,火焰推举距离的极限值为3. 15 m。进一步分析了煤种、煤粉粒径、一次风量、二次风量、二次风温度、再循环烟气量和燃烧器燃烧方式等因素对火焰推举距离的影响,研究表明:减小煤粉粒径、减少一次风量、关闭再循环烟气量和燃烧器对冲燃烧方式,这四种因素能显著地减小火焰推举距离。最后综合这四个有利因素,将煤粉粒径减小至5. 6×10~(-5)m,通过磨煤机和燃烧器的阀门调节把一次风量降低至60%的风量,关闭再循环烟气挡板,采用上层燃烧器冲燃烧方式,能够将该锅炉的发电负荷降低至7. 39%的最低负荷,并保持安全稳定运行。     

不同粒度煤粉的表面结构与燃烧特性研究

制备了4种不同粒度的平三煤和大友煤煤粉,分别采用低温饱和氮气吸附的方法和热天平研究了煤粉的表面结构特性和煤粉的燃烧特性。实验结果表明:随着煤粉粒度的减小,煤粉的孔隙结构发生变化,比表面积和孔容积均增大,表面结构复杂,致使分形维数增大,有利于煤粉颗粒的燃烧,因此,平三煤的着火温度降低了14℃,表观活化能均降低了12.3kJ/mol,燃尽率提高了9.81%,大友煤的燃烧特性变化规律相似。此外,煤粉颗粒的分形维数还能在一定程度上表述煤粉的燃烧特性,因此,分形维数可为煤粉燃烧特性的评价提供一种新的途径。     

燃烧信息与风粉参数的关联特性分析

为了获知风量、煤粉量与燃烧的本质联系,提出了用特征量来表征燃烧信息,由灰色综合关联度来描述二者的因果关系,能够获得在当前状态下影响燃烧特征量的风量和煤粉量的关联度排序,找出四角切圆燃煤锅炉的某个角的风量粉量与燃烧特征量关系最密切的对应组,以此明确燃烧调整的对象及调整趋势,为燃烧调整和优化提供依据.利用某燃煤锅炉进行了燃烧调整试验,试验数据分析的结果表明,风量对火焰中心具有最大程度的影响,而煤粉量则决定了火焰的整体及局部强度.通过灰色关联分析,可以获得动态的燃烧调整策略.     

乙烯预混火焰中燃空当量比对碳烟纳观结构、分形维数和氧化活性的影响

基于乙烯/氧气预混燃烧系统以及热泳取样和毛细管取样系统,结合场发射透射电子显微镜和热重分析技术,研究了燃空当量比对碳烟颗粒纳观结构、分形维数和氧化活性的影响规律.研究结果表明,随着燃空当量比的增加,碳烟分形维数和基本碳粒子粒径均增加,表明碳烟颗粒团聚程度提高,碳烟生长得到促进;随燃空当量比增加,碳烟微晶长度增大,层间距和曲率均减小,碳烟微观结构更为有序;燃空当量比的增加,导致碳烟的氧化反应特征参数值均增大,碳烟氧化活性减小.另一方面,碳烟的微晶长度、层间距和曲率与表观活化能有较好的线性相关性,即碳烟结构越有序,氧化活性越低.此外,分形维数与表观活化能也存在一定的正相关性.     

甲烷自激励脉动燃烧NOx排放特性的试验研究

采用Rijke型自激式脉动燃烧器,结合纹影摄像,对不同脉动频率、脉动振幅和燃烧功率下的NOx排放量进行了比较和机理分析.结果表明:在试验工况范围内,甲烷自激励脉动燃烧与非脉动燃烧相比可降低NOx的生成,NOx最高降低了99%,对应的CO降低了13.8%;当燃烧功率增大时,会出现燃烧不完全和燃烧效率降低的现象;脉动火焰符合分形特征,其分形维数大于非脉动燃烧,火焰内流场褶皱、卷曲的程度更高;脉动燃烧下NOx降低的原因是掺混程度更好、传热率更高;随着脉动频率的增加,NOx的排放量降低,说明频率增加促进了气体掺混,减少了气体在高温区的停留时间;脉动燃烧下NOx的排放随燃烧功率的增大而升高.     

基于相空间重构的锅炉炉膛火焰信号分析

采用混沌和分形理论对实测锅炉炉膛火焰信号进行了定性分析和定量计算,通过相空间重构得到了稳定燃烧和不稳定燃烧两种工况下燃烧火焰时间序列的相平面图和关联维。分析计算结果表明:在稳定燃烧状态下,火焰信号的二维相平面图比较宽,关联维在6.5855～6.8415之间;在非稳定燃烧状态下,火焰信号的二维相平面图比较窄,关联维在5.8843～6.0907之间。两种工况下,火焰时间序列的相平面图和关联维有明显的差异,稳定燃烧时的关联维总比不稳定燃烧时的关联维大得多,因此,采用关联维作为火焰燃烧状态识别的特征参数。文中所提出的燃烧诊断方法为发展新型光学式火焰检测器提供了一种行之有效的解决方案。     

柴油机缸内团聚态颗粒氧化过程中的破碎

基于全气缸取样系统采集不同燃烧时刻的柴油机碳烟,使用粒数粒径测试分析仪和透射电子显微镜测量了碳烟的粒径分布、数密度、分形维数和团聚度,进而获得团聚态颗粒的破碎速率,在上述工作的基础上,分析了柴油机缸内碳烟氧化主导阶段团聚态颗粒物的破碎现象.结果表明:碳烟氧化主导阶段初期,团聚态颗粒破碎速率高,碳烟颗粒总粒数密度和核态颗粒数密度增加,同时分形维数和团聚度明显减小.随氧化主导阶段燃烧反应的进行,破碎速率逐渐降低,总颗粒数密度逐渐减小,核态颗粒数密度先增加后减小,而分形维数和团聚度呈现上升的趋势.     

撞击式火焰噪声信号的分形特性分析

火焰噪声信号的Hurst分析可以作为火焰气化燃烧稳定性的一个判据.通过对气化火焰噪声信号的分析,研究了气化燃烧火焰的稳定性.采用域重新标度分析法研究了撞击火焰噪声波动信号,得到了相应的Hurst指数,结果表明:撞击火焰噪声波动具有分形特征;噪声波动信号中存在周期成分;气化燃烧工况的不稳定性会导致火焰噪声的明显提高;随着氧燃比的增加,Hurst指数减小.     

后喷策略下喷油压力对柴油机缸内颗粒物粒径分布和形貌特征的影响

基于全气缸取样平台,运用称重法、发动机粒数粒径测试分析仪(EEPS)和透射电子显微镜(TEM)等手段对采集到的燃烧过程中的颗粒物进行分析处理,研究高压共轨柴油机在后喷策略下,喷油压力对于柴油机燃烧过程中颗粒物粒径分布和形貌特征的影响.实验结果表明:后喷的加入会延长燃烧持续期;当喷油压力由100,MPa上升到120,MPa时,缸内燃烧温度压力升高、燃烧始点提前,预混燃烧在整个燃烧过程中所占比例增大,生成颗粒物粒径分布特征由双峰变为单峰,粒子数密度和碳烟质量浓度均降低,除此之外增大喷油压力还会导致燃烧过程中生成的链状颗粒减少,分形维数增大,同时减小后喷对于燃烧持续期的影响.     

碳烟微观结构的小角X射线散射分析

采用同步辐射小角X射线散射(SAXS)技术研究了柴油和燃料油燃烧所生成的碳烟的微观结构。基于小角散射理论,通过对散射强度曲线的拟合,得到粒径尺寸分布、回转半径、表面微结构与界面特征和分形特征等。研究结果表明:柴油生成的碳烟粒径集中在10～30nm,燃料油生成碳烟粒径集中在10～45nm,符合高斯分布。散射数据均呈现Porod正偏离,说明碳烟内部存在微结构起伏区。碳烟粒子具有分形特征和表面特征,质量分形维数在0.2～2.5之间,表面分形维数在2.1～2.2之间。     

红外图像法研究富氧火焰燃烧特性

利用红外图像对设计的新型石油焦富氧燃烧器进行热态试验分析,并提出了基于红外测温原理的火焰温度修正方法。基于红外热像仪采集到的红外图像,研究了该石油焦富氧燃烧器的着火特性,对不同工况下石油焦富氧火焰温度场进行了分析探讨,并对富氧火焰的红外测温模型进行了修正研究。实验结果表明,该燃烧器一次氧的增加能促进石油焦粉更快完全燃烧,单位时间释放更多的热量;随着一次风量的增加,炉内火焰平均温度呈现的是先增加后减小的变化趋势;一次氧直流喷射时的整体温度场较旋流喷射时更高,更适合此扁平火焰燃烧器的双一次风孔结构。研究提出的火焰红外测温模型和后期修正方法科学有效,可有效减小红外测温的误差。