高压下氢气-乙醇球形膨胀火焰的层流燃烧速度和火焰不稳定性研究

在初始温度为400 K、不同的初始压力（0.1 MPa、0.4 MPa）、氢气比例（70%、80%）和当量比（0.7～1.4）条件下进行氢气-乙醇预混燃烧实验,使用高速纹影技术记录火焰传播图像。对氢气-乙醇球形膨胀火焰中的层流燃烧速度（LBV）进行实验研究,发现LBV随着氢气比例的增加而增加,压力升高却有着负影响。对火焰发展不同阶段的火焰形貌进行了研究。当火焰表面的大裂纹分裂出现小裂纹并且导致新细胞再生时,火焰变得不稳定。通过热膨胀比、火焰厚度和刘易斯数等参数考察了流体动力学效应和热扩散效应对火焰固有不稳定性的影响。结果表明,流体动力不稳定性随着压力的增加而增加,热扩散不稳定性对压力变化的敏感性较低。此外,增加氢气比例或初始压力会导致火焰更早遭受不稳定。     

燃气轮机燃烧室预混燃烧不稳定性的数值研究

针对燃气轮机燃烧室内预混燃烧不稳定现象,应用湍流燃烧CFD的方法进行了数值研究,并着重对发生自激振荡时的火焰动态特性和燃烧室内的速度、压力和温度的振荡特性进行了分析.计算表明:非稳态雷诺平均Navier Stokes(URANS)方法和基于重整化群的RNG k-ε湍流模型以及有限速率/涡漩耗散(FR/EDM)燃烧模型对于燃烧不稳定性的研究是适用的.将预测结果与实验结果进行比较可以看出,数值计算精确地捕捉到了自激振荡燃烧过程中火焰的动态行为,还给出了燃烧室内速度、压力和温度值波动的幅值和频率.结果表明:燃烧室内低频压力振动主要是轴向的振动,热释放的波动与压力波动的频率是一致的,燃烧室内火焰的频率与燃烧室内压力和温度的波动频率也是一致的.     

一维湍流预混火焰的数值模拟

建立湍流燃烧的“双流体”数学模型,用于一维湍流预混稳态火焰的描述,假定燃烧火焰由冷的反应物（预混气体）和热的生成物（燃烧产物）组成,它们既有各自的属性,又相互作用,进行热量,质量和动量的交换,采用Patankar和Spalding的Phoenics计算程序来求解该数学模型,成功地模拟了一维湍流参混火焰的压力场,密度场,速度场。     

预混火焰不稳定性的大涡模拟

在湍流燃烧大涡模拟的基础上,利用气动声学FW-H方程对甲烷,空气预混火焰的不稳定性进行了数值分析.局部化学当量比的周期性波动,造成燃烧室内出现周期性的压力振荡,随着化学当量比的增大或减小,压力振荡幅值均有所提高;贫氧工况下,压力振荡的频率较低,贫燃工况下,压力振荡频率较高.燃烧室内同时存在周期性的温度振荡和速度脉动;压力振荡与速度脉动趋于同频、同相,而温度振荡在相位上稍有提前.流向涡涡量分布呈现周期性变化趋势,相对而言,贫氧工况下,流向涡涡量较小、涡团尺度较大;贫燃工况下,流向涡涡量较大、涡团尺度较小.     

层流预混滞止火焰结构及传播速度的数值模拟

在考虑了甲烷与空气燃烧过程中１７种分子、原子和基团的４６个基元反应的基础上,采用数值模拟方法求解了甲烷层流滞止火焰结构,给出了各种组分与温度的空间分布,计算了不同拉伸率下的甲烷滞止火焰的传播速度,导出了层流预混火焰的传播速度。     

氢气乙醇混合物层流燃烧速度及火焰不稳定性研究

氢气是一种高效的添加剂,可改善乙醇燃料的燃烧特性,为更好地应用于燃烧装置,有必要研究其层流燃烧特性。在初始压力为0.1及0.4 MPa,初始温度为400 K,等效比范围为0.7～1.4,氢气比例为20%、50%和80%下进行实验,采用定压法(constant pressure method, CPM)得到层流燃烧速度(laminar burning velocity, LBV)。对火焰发展不同阶段的火焰形貌进行研究,当火焰表面的大裂纹分裂出现小裂纹,并导致新细胞再生时,火焰变得不稳定;还研究流体动力学效应和热扩散效应对火焰固有不稳定性的影响。结果表明：LBV随着氢气比例的增加而增加,在富氢状态下其提升效果更加显著;流体动力不稳定性随着压力的增加而增加,热扩散不稳定性对压力变化不敏感;此外,增加氢气比例或初始压力将使火焰更早变得不稳定。     

乙醇微型燃烧室燃烧特性的数值模拟研究

为了解决化石燃料储备不足与环境污染问题,生物质燃料作为石油替代能源得到大力提倡,如何合理地将化石燃料替换为生物质燃料且维持设备正常运行成为工程上亟待解决的问题。本文采用CFD软件研究了车载5 kW生物乙醇微型燃烧室的燃烧特性,对比分析了不同功率（0.5~5 kW）和出口温度（840~960 K）时的回流区长度与宽度、回流量、出口温度分布系数（OTDF）、出口NO体积分数等特征参数。结果表明：随着出口温度升高,回流区长度逐渐缩短,回流量减少,出口温度均匀性逐渐变差,出口NO体积分数明显增加;随着燃烧室功率增大,回流区长度变长,回流量增加,OTDF先增大后减小,NO体积分数随着功率的降低而显著升高,最大值出现在1 kW时,达到满负荷时的7倍。因此,为了实现稳定燃烧和减少污染物排放,该乙醇微型燃烧室应在较高的空燃比（即较低的出口温度）和功率下运行。     

湍流非预混射流火焰倾斜冲击壁面的直接数值模拟研究

采用直接数值模拟方法,选取17组分、73步简化的甲烷化学反应机理,对三维湍流平面甲烷射流火焰倾斜冲击壁面进行了研究.分析了相同湍流强度、不同Damk?hler数的两个算例.两个算例出现了不同程度的熄火,算例B的熄火现象比算例A更明显.同时,观察到当量混合分数等值面的凸起结构与火焰熄火现象存在一定关联.定量分析了火焰面平均曲率与熄火的相关性,发现在剪切流动中熄火区域的平均曲率大于燃烧区域的平均曲率;在壁面附近的熄火区域曲率的大小与壁面熄火模式相关．     

内燃机缸内湍流运动数值模拟研究

本采用ｋ－ε双方程湍流模型，正交贴体曲线网格，对内燃机气缸内空气湍流运动进行三维数值模拟，采用ＲＥＺＯＮＥ技术解决了进气阀与燃烧室凹坑不同偏置问题，与此同时，对缸内流场进行了ＬＤＶ测量，并将测量结果与计算值进行比较，二吻合良好，从而证明了本所开发的软件和选用的模型是可靠的。     

甲烷预混火焰中芳香烃及多环芳烃形成的数值模拟

利用一种详细的化学动力学模型，模拟了甲烷层流预混火焰中芳香烃及多环芳烃(PAHs)的形成．结果表明，数值模拟与实验数据吻合得较好，可以用于预测同类型火焰中芳香烃及PAHs的形成．对不同工况条件下火焰的数值模拟结果显示，火焰当量比、压力对芳香烃及PAHs形成都有影响。     

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...     

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.     

利用同步辐射研究乙醇和二甲醚低压预混火焰成分

在低压预混层流火焰条件下,利用同步辐射光电离技术,结合分子束质谱法,对当量比为1的二甲醚和乙醇火焰进行了研究.通过扫描火焰中光子的能量,描绘出PIE曲线,探测到了这两种燃料燃烧过程中包含的同分异构中间产物;同时,通过扫描燃烧炉不同位置的光子能量谱,获得了火焰中重要物质的摩尔分数.比较两者的火焰结构,结果表明,这一对同分异构的燃料燃烧时,由于分子结构不同,它们的中间产物和相同中间产物的摩尔分数有很大差异,含氧的中间产物摩尔分数有较大差异.另外,在二甲醚火焰中还发现了甲乙醚,拓宽了对含氧碳氢化合物燃烧的认识.     

壁面反应对微小通道内火焰影响的数值研究

本研究对微小通道内氢气/空气预混火焰进行了数值模拟。考察了微小通道内贴壁处壁面反应对微小通道内火焰燃烧特性的影响,在此基础上考察了不同微小尺度下壁面反应作用的程度。研究结果表明:微小通道贴壁处壁面反应能够抑制通道内的气相燃烧反应,其中H自由基是参与壁面反应最重要的自由基。当微小通道壁面间距为3 mm时,壁面反应的作用不太明显,但当壁面间距减少到0.4 mm时,壁面反应的作用已经不可忽视,此时必须要考虑到壁面反应的影响。     

管道预混火焰动态响应的分析和测量

基于线性扰动假设对管道预混火焰的动态响应进行了理论分析,推导得到了正弦扰动下火焰而脉动时域表达式.同时利用增强型电荷耦合器和动态压力传感器对管道预混火焰形状周期性变化过程进行相同步测量,研究了当量比和扰动频率对火焰面脉动的影响规律.理论分析和实验测量的结果一致,表明上述物理量的改变会直接影响火焰面脉动的褶皱数和褶皱振幅...     

小流量工况汽轮机末级流动不稳定数值研究

针对汽轮机低压末级在小负荷工况下出现的流动不稳定现象,进行了非定常数值模拟研究和分析。对末三级叶片耦合排气缸进行建模,其中末级采用整圈形式,对17%设计质量流量工况进行非定常计算,小流量工况下汽轮机末级表现出类似于压气机旋转失速的现象,对流场监控数据进行周向模态分解及相关分析,确定了扰动的数目为30个,其周向传播速度约为转子转速的56%。最后,结合内部流动特征对非稳定现象的形成机理进行了探讨,小流量下由于径向流动阻塞了通道,并在叶顶间隙射流的作用下形成了通道内的周期性高压区,而前缘溢流和叶顶间隙射流耦合作用促成了叶顶进口附近周期性低压区的形成。     

Temperature Dependence of Laminar Burning Velocity in Ammonia/Dimethyl Ether-air Premixed Flames

The combustion of ammonia(NH3)has attracted wide interest in fuel vehicle engines,marine engines,and power generators to mitigate carbon dioxide emissions.Unfortunately,the relatively low laminar flame speed presents a technical barrier for this renewable fuel to be used in practice.This work is concerned with numerical examining the effects of elevating inlet temperature on the laminar burning velocity of NH3/air flames with various contents of dimethyl ether(DME)using ID freely propagating flame calculations,and to shed light on the flame enhancement mechanism.For this,the mechanism is first validated by comparing the numerical predictions with experimental data.Results show that increasing the inlet temperature has a positive effect on the laminar burning velocity of pure NH3/DME/air flames.It is revealed that elevating inlet temperature contributes to a higher adiabatic flame temperature,which is beneficial to the overall chemical reaction rate.Furthermore,the thermal diffusivity of the binary mixture is observed to increase substantially as well.Further kinetic and sensitivities analyses reveal that the inlet temperature has a minimal effect on the reaction pathway,leading to the relative importance of the dominant chain branching over terminating reaction steps to be varied negligibly.The present work confirms that the flame speed enhancement with increasing inlet temperature is primarily the synergetic result of the thermal and diffusion effects,rather than the chemical effect.     

层流预混火焰传播速度与火焰稳定传播界限的测定

采用本生灯法和直管法测定了液化石油气（LPG）、甲烷与氢燃料质子交换膜燃料电池（PEMFC）阳极尾气与空气的三种不同浓度混合气的层流火焰传播速度。此外,对三种不同浓度可燃混合气火焰的稳定传播界限也进行了测定。实验结果为多燃料燃烧器的开发提供了设计依据。