基于深度学习的甲烷高压射流湍流燃烧火焰图像处理方法研究

基于定容弹开展了高压天然气(甲烷)射流燃烧光学测试,并分别运用深度学习方法和边缘检测算法进行了图像处理。对比结果表明,由于图像中存在射流、火焰差异大的图像识别目标,边缘检测算法无法较好识别射流和火焰,该算法适合于单一目标的火焰图像处理。深度学习方法可识别射流湍流燃烧火焰轮廓,有效地获得射流湍流燃烧火焰前锋面发展位移及火焰传播速度,该方法适用于多个目标的火焰图像处理。根据深度学习图像处理结果表明:当高压甲烷射流接触预燃球形火焰时,火焰由稳定层流速度(<3 m/s)快速上升,最大火焰传播速度高达300 m/s,形成湍流火焰,火焰沿射流方向快速向前发展,火焰面积增加。随着射流和点火时间间隔的增加,最大火焰传播速度线性下降。     

引燃策略对天然气直喷发动机射流燃烧及排放的影响

基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件CONVERGE研究了天然气直喷发动机的高压天然气射流混合、引燃燃烧及排放物生成等基础过程,详细分析了引燃方式和引燃距离对这些基础过程的影响。结果表明：高压直喷天然气射流能够明显促进引燃柴油喷雾发展与混合,但引燃柴油喷射对天然气射流发展影响不明显。高压直喷天然气射流火焰中心存在温度较低而天然气浓度较高的火焰内陷区,该内陷区是碳烟的主要生成区域,碳烟高浓度区位于火焰内陷区中后部。与引燃方式相比,引燃距离对火焰浮起长度、火焰内陷长度及NO_x和碳烟排放有更明显影响。随引燃距离增加,火焰浮起长度和NO_x排放增加,火焰内陷长度和碳烟排放减小。柴油喷入天然气中引燃在3种引燃方式中具有最高的放热率峰值和最短的燃烧持续期,其NO_x和碳烟排放最低,但甲烷逃逸量最高。     

甲烷/空气预混射流火焰的大涡模拟

在不同射流速度条件下,对甲烷/空气预混射流火焰进行了大涡模拟.甲烷/空气预混射流气体按化学当量比混合,计算采用两步简化反应机理和WALE亚格子湍流输运模型,3个算例下流场特征和火焰结构计算结果与前人实验结果一致,中心线轴向速度和温度场结果与实验数据相符.通过对不同Karlovitz数条件下甲烷/空气预混射流火焰结构进行分析,并计算Takeno指数,研究了湍流涡对预混火焰的影响.研究发现:在Ka100(Ka=37)条件下,预混射流火焰会出现预热区的增厚,放热区保持完整,湍流火焰保持为预混燃烧;在Ka100(Ka=112)条件下,湍流火焰进入分布反应区模式.Takeno指数显示,由于卷吸和小尺度涡的作用,湍流火焰出现局部的部分预混燃烧.甲烷/空气预混射流湍流火焰的大涡模拟证实了湍流火焰分布反应区模式的特点:未燃气体与燃后气体之间不再有明显的界面,火焰面模型不再适用;反应区增厚,放热区展宽,放热率降低;由于卷吸和小尺度涡对火焰的作用,湍流火焰局部出现部分预混燃烧;湍流火焰温度降低,放热区附近温度场趋向均匀.     

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。     

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．     

高压甲烷射流冲击预混火焰过程中涡量的变化

基于CONVERGE软件开展三维仿真计算，分析了定容燃烧弹内高压甲烷射流撞击当量比为1的预混气体燃烧过程中的涡量变化特征．根据射流前锋面与火焰的位置关系，将火焰发展全过程分为射流前峰面未接触火焰阶段、进入火焰阶段和离开火焰阶段3个阶段．相比于自由射流贯穿速度，在射流进入火焰阶段射流燃烧平均贯穿速度显著增加，并大于自由射流的贯穿速度和预混燃烧速度之和．产生此结果的原因是此阶段动量参数涡量的大幅增加；在轴向距离为40 mm处、火焰发展时间为1.6 ms时，射流燃烧模式平均涡量值与自由射流模式差值最大，约为260 s-1，是此时此截面预混燃烧模式平均涡量值6 s-1的43倍．     

稳态湍流非预混燃烧的小火焰模拟

以甲烷/空气的湍流射流非预混燃烧为对象,建立二维稳态湍流非预混火焰的小火焰模型.利用湍流流动模型和小火焰模型耦合求解,计算出速度、混合分数、温度以及反应标量的摩尔分数在燃烧室内的分布,模拟结果表明小火焰模型能够用来描述燃烧室内燃烧机理.     

预燃室式柴油-天然气双燃料船用发动机热效率优化燃烧控制策略仿真研究

基于CONVERGE软件建立了预燃室式柴油、天然气双燃料船用二冲程发动机的三维计算流体动力学(CFD)模型,研究了压缩比、引燃柴油质量、喷射压力及引燃柴油喷射角度对燃烧过程的影响,探索了提高柴油、天然气双燃料船用发动机热效率的燃烧策略。结果表明:提高压缩比可以提高缸内的最高燃烧压力,从而有效提高热效率,但受发动机机械强度的限制,压缩比为12.5时可以获得较佳的效果;适当增大引燃油量和喷射压力,可以增加射流火焰的着火点,增强点火能量,对热效率略有改善;调节引燃柴油的喷射角度,将引燃油喷射到CH₄浓度较高区域可以获得更好的引燃效果,降低指示燃料消耗率;提高压缩比至12.5结合推迟喷油策略可以明显地改善热效率。     

氢气和水蒸气对甲烷/空气层流火焰传播速度的影响

为了较为系统地认识氢气和水蒸气对火焰传播的影响，应用CHEMKIN-Ⅱ程序计算了甲烷/空气层流预混火焰传播速度，并就水蒸气和氢气对火焰传播速度的影响做了定量计算与分析．结果表明：氢气能使火焰传播速度大幅提高，且当初始温度升高时，氢气对火焰传播速度的提高作用增大；水蒸气的加入会使甲烷/空气层流预混火焰传播速度降低，并且在空气过量时燃料越少其影响越弱；当氢气和水蒸气同时加入预混气时，水蒸气的加入会使氢气对火焰传播速度的提高作用减弱．     

甲烷-正庚烷混合物的预混层流火焰研究

利用球形传播火焰试验和一维平面火焰数值模拟对0.1 MPa、393 K条件下甲烷-正庚烷混合物的预混层流燃烧特性进行了研究,其中当量比从0.7到1.5、甲烷含量从0到100%,.结果表明:随着甲烷含量的提高,甲烷-正庚烷混合物的层流燃烧速度和Markstein长度首先基本保持不变,呈现出与正庚烷类似的特性,当甲烷含量达到75%,时,其层流燃烧速度和Markstein长度开始不同于正庚烷,逐渐发生变化.结合层流燃烧速度的敏感性分析,对混合物一维平面火焰中主要自由基的浓度和主要基元反应的反应速率随甲烷含量的变化进行了研究,发现当甲烷含量增至75%,时,主要自由基(·H、·OH和·O)的摩尔分数峰值和基元反应(R1 H+O_2=O+OH、R24 CO+OH=CO_2+H)的反应速率峰值都开始发生变化.     

甲烷/乙烷-空气预混层流燃烧特性试验和数值模拟研究

利用高速纹影摄像法在定容燃烧弹内研究了不同初始压力、初始温度、当量比和甲烷含量条件下甲烷/乙烷-空气预混层流燃烧特性,得到了马克斯坦常数和层流火焰燃烧速率等数据,并进行了化学特性分析。研究结果表明:层流火焰燃烧速率随初始压力的增加而减小,随着初始温度的增加而增加,最大值在当量比约为1.1取得,甲烷含量增加层流火焰速率略微减小;马克斯坦常数随初始压力的增加而减小,随着当量比的增加而增加;数值模拟得到的一维自由传播火焰的层流火焰速率与试验结果吻合良好。     

点火位置对弯管预混火焰传播特性的影响

通过自行设计的90°弯曲管道燃烧平台,结合纹影光学系统、高速摄像机和离子探针技术,研究了不同点火位置对丙烷/空气预混火焰在90°弯曲管道内传播特性的影响.实验结果表明,水平点火条件下,火焰阵面在水平管道内经历了球形、半球形、指尖形以及Tulip火焰结构4个阶段,预混火焰也从层流燃烧转变为湍流燃烧;垂直点火条件下,火焰阵面在弯曲管道内沿下壁面拉伸,进入水平管段后形成类似Tulip火焰结构,火焰基本处于层流燃烧状态.     

湍流预混燃烧的小火焰模型

由Level set方法确定湍流预混燃烧火焰面的位置,考虑CHEMKIN库详细化学反应机理,通过PDF方法建立湍流预混燃烧数学模型,计算组分浓度和温度在火焰内部分布。以矩形突扩燃烧室为例,模拟甲烷/空气预混燃烧的平均火焰位置和火焰内部温度、浓度分布,计算结果与实验结果吻合良好,表明此模型能较好模拟湍流预混燃烧。     

大空间尺度下预燃室射流火焰发展历程的光学诊断和模拟研究

基于定容燃烧弹,在与大型低速预燃室式双燃料船机相似的空间和热力学条件下,采用相似的点火过程,对主燃烧室内的射流火焰发展和引燃预混火焰的扩展历程进行光学测试;提出一种基于全网格映射,分阶段采用不同的燃烧模型的方法模拟不同燃烧阶段的火焰发展过程。基于定容装置试验数据验证了模型对燃烧火焰扩展速度预测的适用性和准确性。研究结果表明：预燃室燃油喷射量直接影响射流火焰的最大贯穿距离和火焰强度;主燃烧室内的混合气需要达到一定浓度才能被引燃。对燃烧过程的模拟,第一阶段燃烧采用均质搅拌反应器（well-stirred reactor, WSR）模型可以较为准确地模拟不同燃油喷射量下的射流发展速度和火焰射流的最大贯穿距离;第二阶段燃烧采用G方程可以较为准确地模拟火焰在各方向上的扩展速度。采用Mapping方法连接的两个模型对燃烧两个阶段的火焰扩展的整体速度具有较高的预测精度。     

CH_4/CO_2非预混射流火焰燃烧特性实验研究

为了掌握含杂质生物沼气在工业燃烧装置中非预混射流火焰燃烧特性,对CH_4/CO_2非预混射流火焰在300 K和600 K伴流空气中的火焰形态、火焰高度以及推举高度进行了实验研究,并与CH_4/N_2非预混射流火焰燃烧特性进行对比.实验结果表明:在相同工况下,CH_4/CO_2火焰高度较低,但其推举高度高于CH_4/N_2火焰;两种火焰推举高度随伴流温度升高而降低.采用预混火焰模型对火焰推举高度进行了理论分析,得到了两种非预混火焰无量纲火焰推举高度与无量纲燃料流速的关联式.基于预混火焰模型的理论分析表明,预混气层流火焰速度及燃料和氧化剂密度比对非预混火焰的推举高度的影响较为显著.     

微细通道中甲烷与氧气的预混燃烧

对微细通道中甲烷/氧气预混火焰传播性质进行了实验研究．确定了微细通道中不同甲烷浓度下的火焰传播速度,以及混合气体流量与火焰传播速度的关系．结果表明,混合气体流量对火焰传播速度有显著的影响,在微细通道中火焰传播速度的分布趋势与宏观尺度下火焰传播速度的分布趋势基本相同,但在数值上随着流量的不同相差较大．实验证明,在室温条件下,甲烷和氧气预混火焰可以在细管中稳定停留在一点燃烧,并且可以很好地控制其移动;当量比为1．0时火焰传播速度受流量影响最大．     

氢气/甲烷扩散火焰特性实验研究

燃烧的基本特性如抬举高度、层流燃烧速度以及射流出口速度等与燃烧装置的设计有关。对纯氢气火焰、氢气/甲烷、氢气/甲烷/CO2扩散火焰的抬举高度和射流出口速度进行了实验研究,并对层流燃烧速度进行了分析。研究认为,抬举高度随着射流出口速度的增加而线性增加。层流燃烧速度随氢气体积分数的增加呈指数增长,特别当氢气体积分数40%以后,层流燃烧速度随氢气体积分数显著增加。     

水雾作用下甲烷/空气预混火焰的光谱特性

利用中阶梯光栅光谱仪,对甲烷,空气层流预混火焰以及水雾作用过程中的火焰发射光谱特性进行了实验研究,对比分析了水雾对预混火焰燃烧过程中自由基离子发射光谱的影响,探讨了水雾抑制甲烷燃烧过程中的化学作用机理.结果表明,火焰阵面OH*、CH*自由基离子发射光谱强度随着火焰阵面水雾载荷比的增大而减小;足量的水雾作用可抑制预混火焰中OH*、CH*和HCO*等链引发自由基的生成,增强甲烷燃烧链式反应中的三体反应过程,促进甲烷预混火焰的链销基反应的发生,在抑制甲烷预混火焰燃烧过程中起重要作用.     

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。     

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．