二甲醚球形扩散火焰的熄火机理研究

采用改进的PREMIX模型及"化学爆炸模式分析(CEMA)"方法,对二甲醚(DME)球形扩散火焰的熄火机理进行数值诊断,分析环境氧气摩尔分数(X_(O_2))及详细基元反应对熄火极限的影响,利用"爆炸因子"和"分岔因子"的概念,确定控制DME球形扩散火焰熄火的关键反应动力学因素。结果表明:DME冷焰具有比热焰更宽的可燃范围;冷焰对X_(O_2)的敏感性弱很多,热焰中具有正特征值的CEM首次出现在最高温度处;在熄火极限附近,CEM的特征值变为虚数,说明熄火伴随着振荡;热焰的熄火主要由小分子所参与的高温反应所控制,而冷焰熄火主要由大分子所参与的低温反应所控制。     

湍流状态下双燃料混合物自燃和火焰传播过程

采用直接数值模拟(DNS)方法,研究了低速机缸内热力学状态下甲烷/正庚烷混合物的着火及燃烧过程,分析了湍流状态下双燃料混合层中的着火特性及火焰发展过程．结果表明：第一阶段着火后,湍流作用下混合气偏浓区域生成冷焰;第二阶段着火后,甲烷/空气预混气侧生成多个高温膨胀核心．混合分数梯度平缓区域更易生成高温核心,而混合分数梯度较大时会增大标量耗散率、加强热量和活性基团的耗散,不利于燃烧反应的稳定发展．湍流作用下火焰前沿形成褶皱向两侧传播,热膨胀核心位置的火焰前沿传播较快．甲烷/空气预混气侧含氧量增加导致火焰前沿传播加快,前沿褶皱程度逐渐降低;正庚烷侧火焰前沿在传播下游存在冷焰反应区域,形成“双火焰”结构,随着反应进行,火焰前沿传播进入更浓的混合物中,双火焰面之间的距离逐渐缩短．     

碳氢燃料预混火焰中苯的生成规律

为了研究碳氢燃料预混火焰中苯的生成规律,首先在定容燃烧弹上进行了实验,对不同工况下,90号汽油和模拟汽油(由异辛烷和正庚烷按9:1的质量比例配制)燃烧产物中的苯进行了采集和定量分析;随后利用高速摄像机对这两种燃料在定容燃烧弹中的燃烧图像进行了拍摄,将定容燃烧弹中的预混燃烧火焰划分热焰区、蓝焰区和冷焰区;最后,利用CHEMKIN软件对不同火焰结构区域中模拟汽油的燃烧过程进行了化学动力学分析.结果表明,苯在预混火焰中的冷焰、蓝焰区域内形成,并在热焰中完全氧化;苯来源于未完全燃烧的碳氢,其排放量取决于未完全燃烧区中苯的质量分数和未完全燃烧区的容积;汽油燃烧过程中形成的碳粒在一定程度上能减少苯的排放量;汽油机冷起动时,燃烧室壁面吸附作用将对苯的排放量有重要影响.     

多孔介质稳焰器对旋流火焰振荡燃烧特性影响的试验研究

为研究多孔介质稳焰器孔密度变化对贫预混旋流火焰振荡燃烧特性的影响,通过光电倍增管测量全局火焰热释放率,采用双麦克风方法测量旋流器入口速度脉动,获得不同孔密度多孔介质稳焰器火焰传递函数;并通过高速相机测量不同孔密度多孔介质稳焰器振荡火焰结构的变化。试验结果表明：多孔介质能够改变燃烧室声模态,有效抑制燃烧振荡,但孔密度对受迫燃烧火焰热释放率和压力脉动影响具有非线性;高频入口扰动对火焰响应特性影响较弱,火焰受迫响应呈现低通滤波特性;火焰传递函数增益峰值对应入口激励频率存在差异,但相位分布斜率基本一致;多孔介质导致火焰向稳焰器中心轴线聚拢,相干结构更加明显;宽频扰动范围内的火焰张角分布趋势与火焰传递函数增益曲线的分布趋势相反。     

喷油压力和进气温度对氨/正十二烷双燃料发动机燃烧稳定性影响研究

基于一台光学发动机,在1 200 r/min转速下,采用进气道低压喷射氨气,缸内高压直喷高活性正十二烷的双燃料燃烧模式,应用火焰高速成像方法,研究了喷油压力和进气温度对氨/正十二烷双燃料发动机缸内燃烧的影响规律．结果表明,直喷燃料喷射压力降低,导致正十二烷浓度分层增大,自燃着火点增多,更有利于正十二烷引燃均质预混合的氨气;直喷压力在30 MPa和60 MPa工况下,火焰初期NH3燃烧的橘色火焰占主导,之后呈现正十二烷预混蓝色火焰与NH3橘色火焰叠加现象;在90 MPa喷射压力下,火焰发展初期正十二烷预混蓝色火焰占主导,随着燃烧发展NH3橘色火焰的比例逐渐增多．在30 MPa喷射压力下,缸内直喷正十二烷可以实现90%氨气比例的稳定着火,但是燃烧反应速率过低,燃烧持续期过长．进气温度从100℃升高到125℃后,自燃着火点数量增加,氨双燃料燃烧反应速率提高,放热率峰值增大;然而进气温度进一步从125℃提高到150℃时,对燃烧压力和放热率影响很小．上述研究表明,较低的直喷燃料喷射压力和适当提高进气温度更有利于氨燃料的稳定着火以及燃烧速率的提升和氨在双燃料中占比的提高．     

正庚烷预混火焰中PAHs的生成机理

应用CHEMKIN软件对正庚烷预混火焰中碳黑的先驱物PAHs的生成机理进行研究,得到了包含49种组分、94个基元反应的简化模型.该饥理包含正庚烷的燃烧和PAHs的生成两部分,正庚烷的燃烧模型构建在Patel等人模型的基础上,增加了3个低温区关键反应;PAHs生成机理主要根据脱氢加乙炔(HACA)反应机理添加.新模型能够模拟正庚烷预混燃烧的冷焰和热焰反应以及预测PAHs的生成过程,与详细模型计算结果吻合较好.为CFD多维模型与化学反应动力学模型相耦合的燃烧计算提供了可行的途径.     

喷射参数对二甲醚PPCCI发动机燃烧与排放特性的影响

在一台6缸增压电控共轨二甲醚发动机上进行试验,研究了预喷时刻、预喷燃料量、喷射压力、主喷时刻等喷射参数对二甲醚部分预混合充量压缩燃烧(PPCCI)发动机燃烧与排放特性的影响。试验结果表明:随预喷时刻提前,缸内压力峰值降低,二甲醚发动机缸内燃烧由两阶段放热转变为PPCCI三阶段放热,氮氧化物(NOx)排放显著降低,HC和CO排放升高;随预喷射燃料量增加,缸内压力峰值及预混合燃烧的冷焰反应和热焰反应速率明显增大,NOx排放逐渐降低,HC和CO排放显著升高;随喷射压力降低,预混合燃烧热焰反应速率增加,主喷扩散燃烧始点推迟,扩散燃烧放热率峰值和NOx排放明显降低,HC和CO排放升高;随主喷时刻推迟,预喷预混合燃烧几乎没有变化,主喷扩散燃烧延后,缸内压力峰值和放热率峰值降低,NOx排放显著降低,HC和CO排放升高。     

旋流数对燃烧不稳定性及NO_x生成的影响

采用大涡模拟方法分析了旋流数对燃气轮机燃烧室内预混燃烧不稳定性以及NO_x生成特性的影响.结果表明:增大旋流数使得流场的扩张角增大,中心回流区范围扩大,对燃烧产物的卷吸能力增强,预混段内温度升高,高温区范围扩大,有利于燃料气流的着火与稳定燃烧,火焰长度也有所缩短;旋流数为0.7时,流场中仅存在一个进动涡核,旋流数较大时,则出现2个明显的进动涡核;增大旋流数使得涡旋周期性的脱落频率增加,破碎位置向上游移动,同时由于火焰长度缩短,热释放区域相对更为集中,从而导致燃烧室内压力脉动频率及其对应的压力峰值增大;增大旋流数也使得火焰宽度增大,峰值温度有所降低,有利于控制NO_x排放体积分数.     

正癸烷/正丁醇同轴层流扩散燃烧火焰中碳烟生成特性研究

采用双色激光诱导炽光法及平面激光诱导荧光法,测量了碳烟体积分数、PAHs和OH的分布特性,探究了添加正丁醇对正癸烷层流扩散火焰中碳烟生成的影响规律．结果表明,火焰中碳烟体积分数随轴向高度和径向位置变化均呈现先增大后减小的趋势;随正丁醇增加,碳烟体积分数降低、分布范围减小．火焰中小分子、大分子PAHs和碳烟沿轴向依次分布,表明PAHs是碳烟生成的重要前驱物;OH集中分布于碳烟分布区外侧低浓度区域,对碳烟氧化具有关键作用．掺混正丁醇后,正癸烷火焰中PAHs生成降低,抑制了碳烟的生成;OH浓度升高,促进了碳烟氧化,最终导致碳烟生成量降低．     

生物质加压热重分析研究

对两种生物质木屑和松针进行了不同压力和升温速率下的热重分析试验,通过生物质热重失重率（TG）和失重速率（DTG）曲线,获得了相关热解特性参数,提出了生物质的挥发分综合释放特性指数D．并通过热分析数学方法求取了生物质热解动力学参数．试验结果表明,氮气气氛中,木屑与松针常压和增压下主要热解阶段可认为两段一级反应;热解压力的提高,将延迟生物质挥发分初析温度和DTG峰值温度,降低最大析出率和DTG峰值,生物质的挥发分综合释放特性指数D也减小,增加了生物质挥发分的析出难度,并改变了热解反应活化能和频率因子．同一压力下,提高热解升温速率,生物质综合特性指数D将增加．     

活性添加剂对高辛烷值燃料HCCI着火时刻与燃烧速率的影响

为研讨活性添加剂过氧化二叔丁基(DTBP)对高辛烷值燃料以HCCI燃烧模式运行时的放热率特征、着火时刻、燃烧持续期和排放特性的影响,在一台单缸发动机上,在辛烷值为90(RON90)(90％的异辛烷和10％的正庚烷)的混合燃料中加入不同比例(0～4％)的DTBP,考察5种燃料在1800r／min下不同负荷时的燃烧特性和排放特性．实验结果表明：RON90中没有添加剂时,只能在高温、高负荷下才能以HCCI燃烧模式运行;在其中加入少量的DTBP后,RON90实现HCCI燃烧的工况范围向低温低负荷下大幅度拓展．各种燃料的HCCI燃烧冷焰反应发生在850K左右,到950K结束,进入负温度系数区(NTC),在1125K左右突破NTC区而发生热着火．随DTBP含量增加,系统温度达到冷焰反应和热焰反应的化学时间尺度缩短,因此着火时刻提前,燃烧持续期缩短,特别是提高了低负荷下的燃烧速率．添加剂使各种当量比下未燃碳氢(UHC)和一氧化碳(CO)排放显著改善,NOx排放也保持在很低的水平．     

基于快速冷却取样方法的正癸烷热裂解研究

根据碳氢燃料热裂解反应的特性,通过将冷却燃料直接与高温裂解产物混合的方法建立了一种碳氢燃料高温裂解的快速冷却取样实验方法。基于该方法,详细研究了正癸烷在超临界压力下的热裂解反应。通过对产物组成和分布的分析,得到了正癸烷热裂解的基本规律。结果表明,对于正癸烷的裂解产物,其选择性随转化率的提高基本保持不变,符合等比例产物分布模型。同时,使用Chemkin Pro软件对实验进行了模拟从而验证了该实验方法的可靠性。     

不同喷管间距甲烷微火焰阵列温度场和燃尽特性研究

为了优化微阵列火焰燃烧加热系统,在相同的燃料负荷和喷管物理条件下,构建了甲烷预混和微火焰阵列燃烧模型,并研究了不同喷管中心间距对温度场和燃尽率特性的影响规律。研究结果表明,由若干微小喷管火焰优化组成的阵列可形成温度均匀的加热场;随着喷管中心间距减小,火焰间相互影响程度增加,均温加热场的温度提高;喷管中心间距继续减小,微喷管阵列火焰开始聚并、向大火焰转变,燃烧反应区间变长、均温场处的燃尽率下降,微喷管火焰丧失微火焰特性;因此确定微火焰阵列加热场喷管中心间距这一重要参数时,需综合考虑温度均匀性、热负荷、燃尽率和污染物等因素。     

正戊醇/正十二烷二元燃料着火及燃烧特性

为了探究正戊醇/正十二烷二元燃料着火及燃烧特性，在高温高压定容燃烧弹中采用自发火焰发光法、纹影法、甲醛平面激光诱导荧光法以及OH*化学发光法研究了正戊醇/正十二烷二元燃料P20D80的着火延迟期、火焰发展、燃烧中间组分以及火焰浮起长度．结果表明：在相同工况下，与正十二烷(D100)相比，P20D80的总着火延迟期和火焰浮起长度更长，且两者的甲醛信号都在火焰浮起处的下游位置被逐渐消耗；P20D80的甲醛初生时刻延迟了100μs左右，可很好降低碳烟生成；与D100相比，在不同的环境温度工况下，P20D80的化学着火延迟期更长，但随着喷射压力的增加，P20D80的化学着火延迟期先大后小；此外，在相同工况下，P20D80物理着火延迟期与正十二烷物理着火延迟期的差值随着环境温度升高而略微升高，但随着喷射压力的增加而降低．     

基于白噪声信号的旋流预混火焰传递函数的数值模拟

利用2种不同的宽频噪声信号对旋流预混火焰进行扰动,并比较二者的频谱特性,利用经典的比例控制环节验证传递函数程序的准确性;通过不同位置速度脉动之间的传递函数,以及火焰热释放与速度脉动之间的火焰传递函数验证了计算结果的准确性。结果表明：2种信号的火焰传递函数基本重合,且具有明显的对流特性,对流涡与火焰之间的相互作用是导致热释放波动的内在机理;幅频特性表现出了明显的低通特性,相频特性满足比例关系,研究对于燃烧室设计具有重要的实际工程应用价值。     

细水雾熄灭K类火灾的全尺寸模拟实验

利用ISO 9705全尺寸多功能热释放速率测试仪在开放空间研究了细水雾作用下K类火灾的发展过程,实验中对细水雾作用下食用油火的温度、热释放速率及烟气的主要特性参数变化规律进行了测量与研究,分析了预燃时间对灭火有效性的影响,系统地阐述了细水雾作用下K类火灾关键特性参数的变化规律．实验发现,细水雾可以有效地抑制K类火灾的发展,在其作用下火焰温度及热释放速率快速降低,并可以有效地冲刷烟气,降低一氧化碳及二氧化碳的浓度,提高氧气的浓度及火场能见度．同时利用稳定火源热释放速率模型计算了K类火灾发展阶段的热释放速率,与实验测量结果比较发现,模型可准确地预测K类火灾发展阶段的热释放速率的变化规律．     

一个新的用于HCCI发动机燃烧研究的正庚烷化学反应动力学简化模型

提出了一个新的适用于HCCI发动机燃烧研究的正庚烷化学反应动力学简化模型，包含44种组分和72个反应。由四个子模型组成：低温反应子模型是在Li等人模型的基础上，定义具体的醛类(RcH0)产物和小分子碳氢产物(Rs)而构建；增加了用于链接低温反应向高温反应过渡的大分子直接裂解成小分子反应子模型；高温反应子模型是在Griffiths等人模型的基础上，去除了无关的基元反应，增加两个关于CO和CH3O的氧化反应而构建；此外，还采用了Golovitchev简化模型中NOx生成子模型。新模型能够模拟正庚烷HCCI燃烧的冷焰和热焰反应以及NOx生成的整个过程，与详细模型计算结果吻合较好。CPU计算时间是详细模型的1／1000，为CFD多维模型与化学反应动力学模型相耦合的燃烧计算提供了可行的途径。     

组分H2/CO的比例对合成气非预混射流火焰燃烧特性的影响

采用一种14组分37步简化机理模型、RNG k-ε湍流模型以及稳态层流小火焰(SLF)燃烧模型，研究了N₂稀释条件下组分H₂/CO的比例对合成气燃烧特性的影响。数值模拟结果表明：当组分H₂/CO的体积比从3:7变化至7:3时，合成气燃烧过程中生成的OH自由基浓度上升，燃烧位置向入口靠近；火焰燃烧峰值温度随H₂/CO体积比的增大而下降，火焰峰值温度所在位置向燃料入口靠近；火焰传播速度随H₂/CO体积比的增大而加快，燃烧反应在更短的距离和时间内完成。     

柴油两段喷射中预喷对主喷燃烧特性影响试验研究

采用可视化定容弹搭配高速数码相机研究柴油两段喷射过程中预喷对主喷喷雾在低温下的燃烧特性的影响。通过对单段喷雾燃烧过程的试验研究发现,随喷射压力增大单段喷雾燃烧的着火延迟期与燃烧持续期减小,而火焰浮起长度与液相长度增大。同时,在相同喷射压力与喷射脉宽下对比单段喷雾燃烧过程与两段喷射主喷燃烧过程得到:两段喷雾的主喷着火位置更靠近喷嘴;主喷的着火延迟期大大缩短,但预喷量对其影响较小;两段喷雾的主喷燃烧持续期增大,且随着预喷量的增大而增大;两段喷雾的主喷燃烧火焰浮起长度小于单段喷雾燃烧火焰浮起长度,且随着预喷量的增大略有增大;两段喷雾燃烧的液相长度小于单段喷雾燃烧的液相长度,且随着预喷量的增大而减小。     

旋流非预混火焰长度的实验研究与理论预测

在旋流非预混燃烧条件下,测量了变燃料量和变燃烧室压力工况下的火焰长度。采用基于直喷射流火焰建立的Fr模型、Fr_f模型及无量纲热释放率Q~*模型对火焰长度进行预测,将预测结果进行旋流修正后与实验结果进行比较。结果表明:随着燃料量的增大,火焰长度增大,这是由于形成火焰表面所需的空气卷吸增强所致;而随着压力的增大,火焰长度减小。3个模型的旋流修正结果均准确地预测了火焰长度的变化趋势,其预测值均高于实验值,预测值分别是实验值的1.2倍、1.7倍及1.3倍。基于3种模型,将实验数据进行拟合,得到新的关联式,提出了一种基于雷诺数的计算方法。