层流预混火焰传播特性概述

理论研究层流预混火焰的传播可以更好地理解燃烧过程 ,为实际应用时有效地控制燃烧过程提供理论依据。本文对层流预混火焰特性及层流火焰传播速度进行归纳 ,对有化学反应和可压缩的层流边界层进行简单的理论分析 ,介绍了层流火焰传播的火焰焰锋结构及与层流火焰传播速度有关的预混气体物理化学参数的关系。     

天然气成分波动对其预混火焰传播特性的影响

利用定容燃烧弹试验平台和CHEMKIN PRO气相化学动力学软件,研究了常温常压和化学计量比下天然气成分变化对其层流燃烧速度和火焰不稳定性的影响规律。结果表明,天然气的层流燃烧速度随乙烷、丙烷和正丁烷含量的增加而上升,且乙烷的影响效果最为显著。天然气-空气火焰的不稳定性随着乙烷、丙烷和正丁烷含量的增加而降低,正丁烷对火焰综合不稳定性的抑制能力与丙烷相近,且都强于乙烷。火焰结构分析表明,天然气成分波动时H基浓度峰值的变化最为显著,天然气的层流燃烧速度与火焰中OH基和H基浓度之和的最大值之间有较强的相关性。层流燃烧速度敏感性分析和净反应速率分析表明,天然气成分变化会影响其燃烧过程中重要基元反应的进行,通过正影响的基元反应和负影响的基元反应之间的竞争,火焰中H基的浓度峰值发生变化,乙烷含量变化对H基浓度的影响最大。     

预混富氧燃烧火焰特性的实验研究

对预混富氧燃烧的火焰特性进行实验研究,结果表明:富氧浓度在21%～30%的范围内变化时,随着氧含量的增加,燃烧反应速率和火焰传播速度逐渐增加,进而引起燃烧区的缩小和温度梯度的增加。并且火焰高温区逐渐缩小,最高火焰温度逐渐增高,并且最高温度点向烧嘴口方向移动。     

自由堆积多孔介质内预混燃烧火焰传播

为了解多孔介质内预混燃烧火焰前沿的传播特性,对不同化学当量比（=0.7～1.0）的甲烷/空气预混气体在不同孔隙率（ε为0.37和0.42）的多孔介质内的火焰前沿传播特性进行了研究,多孔介质采用3 mm和6 mm直径的Al₂O₃小球在陶瓷管中堆积而成。结果表明,预混气体在多孔介质中能够形成低速燃烧的稳定燃烧波;其火焰传播速度随化学当量比增大而加快,最大的火焰传播速度为3.52×10^-3 cm·s^-1;多孔介质的结构对火焰前沿传播速度影响很大,即使在孔隙率差别不大的情况下,大球堆积而成的多孔介质比小球具有更高的火焰前沿传播速度。     

负直流电场对不同初始压力预混甲烷/空气火焰的影响

在定容燃烧弹中研究了常温（298 K）,初始压力P_initial为0.1～0.5 MPa,加载U=-5、-10 kV直流电场对甲烷/空气预混火焰燃烧特性的影响。结果表明：不同初始压力下,加载电压,火焰主要在水平方向发生拉伸变形,加载电压幅值越高,火焰变形越明显,初始压力越高,火焰不稳定性增加,火焰面褶皱增加。加载电压后,火焰传播速率明显提高,电压幅值增大,其提高程度逐渐明显,初始压力增大,其提高程度更加明显,电场对火焰的促进效果更加明显,λ=1.4,U=-10 kV,P_initial=0.1～0.5 MPa时,平均火焰传播速率分别提高35.67%～52.71%。相对于未加载电压,加载电压后,各初始压力下质量燃烧率均增大,随电压幅值升高而升高,且初始压力越大,质量燃烧率变化越明显;火焰的初始燃烧期和主燃烧期均缩短,初始压力越高,缩短程度也越明显,二者相比,初始燃烧期缩短的程度更为明显。     

开口率对置障管道火焰传播特性影响模拟

为了揭示开口率对置障管道内可燃气体火焰传播特性的影响,在80 mm×80 mm×500 mm的置障管道中通过改变管道末端开口率,基于计算流体动力学(CFD)软件,采用Zimont燃烧模型,开展丙烷预混气体爆炸特性的大涡模拟研究。结果表明:置障管道的末端开口对火焰传播速度具有促进作用,火焰传播速度峰值随开口率的增大而增加;障碍物的存在导致管内产生涡团,且阻塞率越大,涡团规模越大,湍流程度增加,从而加快了火焰传播速度。管道中的峰值压力随开口率的增大而减小,开口率为6.25%时阻塞率为0、0.5、0.7置障管道内的峰值压力分别为0.069 4、 0.236 7、0.210 7 MPa,而开口率为64%时则各置障管道峰值压力分别降为0.001 6、0.005 2、0.004 2 MPa,并且开口率越大、阻塞率越大的管道内的压力波动越明显。管道在开口状态下,障碍物阻塞率是影响火焰传播速度的主要因素,管内峰值压力随阻塞率增大呈先增大后减小的变化规律。     

含氨燃料预混火焰的层流火焰速度及NO排放特性

将甲烷或氢气与氨气共燃可以克服NH₃火焰的点火能量高、燃烧速度慢的缺点。为了解NH₃作为燃料的燃烧特性,对含NH₃燃料进行一维层流预混火焰数值模拟,研究其层流火焰速度及NO排放特性。采用文献中5个简化反应机理进行数值计算,发现Okafor机理模拟NH₃/CH₄/air火焰精度更高;Xiao机理模拟NH₃/H₂/air、NH₃/air精度适中,计算时间较短。此外,开展了当量比、燃料混合物组分比例、压力等参数对含NH₃燃料燃烧时烟气中NO浓度影响的研究。研究发现：含NH₃燃料燃烧时NO主要通过OH、H、O自由基和O₂分子的消耗而生成,主要通过与NH_i（i=0, 1, 2）自由基反应消耗;含NH₃燃料在富燃状态下燃烧可有效减少NO排放,但富燃燃烧效率低,可采用富燃-贫燃分级燃烧技术来提高燃烧效率,同时保持NO的低排放;掺有较多NH₃的含NH₃燃料在中高压下燃烧时可有效减少NO排放。     

预混气体爆炸火焰与压力的耦合振荡特性

为研究预混气体爆炸火焰和压力的耦合振荡特性,自行搭建了尺寸为80 mm×80 mm×1000 mm透明有机玻璃爆炸管道实验平台。实验结果表明,在氧气浓度E和泄爆面积比S变化的条件下,会对CH₄/O₂/N₂预混气体爆炸火焰与压力的耦合振荡产生影响。当氧气浓度E从0.21到0.40变化时,火焰传播时间逐渐缩短,火焰结构发生动态演变,火焰后期的振荡现象愈加明显,同时测到的压力曲线在后期也存在振荡增强现象;当泄爆面积比S从0.125到1.000变化时,E=0.21工况下S=0.125和S=0.250两个工况与其他工况的压力曲线有所不同,出现了一个更高的压力峰值,E=0.30工况下S=0.125也出现了新的压力峰值,E=0.30和E=0.40两种工况的压力峰值都逐渐减小,压力后期的振荡幅值与泄爆面积比有关。     

微喷管氢气非预混射流火焰燃烧特性

采用考虑详细化学反应机理的数值计算,对空气伴流中微圆管氢气非预混射流火焰进行了研究。不同流速下火焰OH基元分布数值计算与实验结果吻合较好。结果表明：当微圆管内径保持不变时,随着燃料速度减小,火焰最高温度逐渐降低。当燃料速度接近熄灭极限速度时,火焰最高温度开始急剧下降;微圆管氢气非预混射流火焰存在最小流速对应的熄灭极限;随着管壁材料热导率降低,火焰中心轴线上的最高温度逐渐升高,喷口处壁面温度也升高;管壁材料热导率对火焰熄灭极限速度影响不显著。     

燃天然气小炉的结构参数与喷出火焰的流动特性

简要阐述了火焰流动特性在火焰玻璃熔窑上部空间热交换中起的重要作用。分别详述了燃天然气小炉的结构参数与喷出火焰各种流动特性(如速度分布、刚性、动压头、射程、喷出角、铺覆度)的关系。     

交流和直流电场对天然气贫燃火焰的影响

对常温、常压下定容燃烧弹中的甲烷/空气预混贫燃火焰的传播和燃烧特性进行了研究,对比了相同电压有效值下15 kHz高频交流电压和直流电压对火焰的影响。结果表明：两种电压加载方式下,火焰形状均发生变形,当过量空气系数一定时,交流电场作用下的火焰在水平方向上的拉伸比直流电场下的剧烈,且混合气越稀,两者差异越明显;与未加载电压相比,当过量空气系数为1.2、1.4和1.6时,交流电场作用下的平均火焰传播速度分别提高49.14%、76.54%、117.65%,直流电场下分别提高41.38%、58.02%、62.75%,交流电场下压力峰值增幅分别为9.48%、11.48%、14.20%,直流电场下增幅分别为4.46%、5.25%、8.76%。因此,相同电压有效值下,15 kHz高频交流电场对火焰的促进作用较直流电场更明显。     

微型定容燃烧腔内C2~C4烷烃/空气火焰传播

在直径35 mm、高度2 mm光学可视的定容燃烧腔内,实验研究了常温常压静止乙烷/空气、丙烷/空气和正丁烷/空气预混气在燃烧腔中心由电火花点燃后向外传播的火焰传播特性。结果表明：3种燃料空气混合气可形成火焰传播的当量比范围不同,范围由大到小排序为乙烷>丙烷>正丁烷;3种燃料均存在由光滑火焰面向褶皱火焰面转变的传播形态;在微型定容燃烧腔内,3种燃料的火焰传播速度均低于常规尺度下定容燃烧弹内火焰传播速度,且火焰传播速度随半径增加而减小;随着当量比增加,火焰锋面容易出现褶皱和断裂现象,在高当量比情况下,火焰传播会出现短暂停滞。     

交流和直流电场对天然气贫燃火焰的影响

对常温、常压下定容燃烧弹中的甲烷/空气预混贫燃火焰的传播和燃烧特性进行了研究, 对比了相同电压有效值下15 kHz高频交流电压和直流电压对火焰的影响。结果表明:两种电压加载方式下, 火焰形状均发生变形, 当过量空气系数一定时, 交流电场作用下的火焰在水平方向上的拉伸比直流电场下的剧烈, 且混合气越稀, 两者差异越明显;与未加载电压相比, 当过量空气系数为1.2、1.4和1.6时, 交流电场作用下的平均火焰传播速度分别提高49.14%、76.54%、117.65%, 直流电场下分别提高41.38%、58.02%、62.75%, 交流电场下压力峰值增幅分别为9.48%、11.48%、14.20%, 直流电场下增幅分别为4.46%、5.25%、8.76%。因此, 相同电压有效值下, 15 kHz高频交流电场对火焰的促进作用较直流电场更明显。     

高浓度丙酮VOCs高温预热近极限贫燃预混火焰特性的数值分析

为进一步对一种丙酮挥发性有机化合物（VOCs）焚烧炉进行设计优化和运行参数调节,本文对其在不同的燃料当量比、预热温度下的火焰特性进行了数值模拟,分析了其绝热火焰温度、着火延迟时间、火焰传播速度和一维火焰产物分布特性。研究结果表明：典型当量比（约0.113）下的绝热火焰温度为850~900℃,属于中低温燃烧,绝热火焰温度随预热温度和当量比（0.06~0.4）的升高均线性升高。预热温度和化学当量比对着火延迟时间的影响十分敏感。在其典型贫燃条件下,层流火焰传播速度随预热温度升高呈指数函数关系增大,随化学当量比增大而缓慢升高,且其层流火焰传播速度不超过150cm/s。反应过程首先发生丙酮的分解和部分氧化,并持续时间较长,仅当混合物的温度升高一定程度后才发生较剧烈的CO氧化。     

氨气/甲烷贫预混旋转湍流火焰稳定性及NO生成

为了研究氨气/甲烷掺混燃气在贫预混旋转湍流状态下的火焰稳定性及NO的排放特性,设计建造了一个可视化的旋转湍流燃烧装置,开展了一系列的实验测量研究。研究表明：随着当量比增大,氨气火焰稳定燃烧的范围有所扩大,但当氨气掺混比大于0.60时火焰出现上下振荡现象,继续增加将导致火焰吹熄;NO的排放水平随当量比增加而提高;但在相同的当量比下,NO的排放随氨气掺混比的增加先升高再下降。此外,分别采用化学反应器网络（CRN）方法和一维层流预混火焰计算方法,对相应的火焰状态进行了数值计算分析,虽然计算结果与实验结果误差较大,但其预测的NO排放特性随氨气掺混比、当量比的变化趋势是一致的,对三者之间误差的来源进行了分析。     

氨气/甲烷贫预混旋转湍流火焰稳定性及NO生成

为了研究氨气/甲烷掺混燃气在贫预混旋转湍流状态下的火焰稳定性及NO的排放特性,设计建造了一个可视化的旋转湍流燃烧装置,开展了一系列的实验测量研究。研究表明：随着当量比增大,氨气火焰稳定燃烧的范围有所扩大,但当氨气掺混比大于0.60时火焰出现上下振荡现象,继续增加将导致火焰吹熄;NO的排放水平随当量比增加而提高;但在相同的当量比下,NO的排放随氨气掺混比的增加先升高再下降。此外,分别采用化学反应器网络（CRN）方法和一维层流预混火焰计算方法,对相应的火焰状态进行了数值计算分析,虽然计算结果与实验结果误差较大,但其预测的NO排放特性随氨气掺混比、当量比的变化趋势是一致的,对三者之间误差的来源进行了分析。     

载体孔道密度对天然气催化燃烧的影响

制备了不同载体孔道密度的Pd/γ-Al_2O_3和六铝酸盐蜂窝催化剂,在自行设计的催化燃烧实验装置上进行了天然气催化燃烧实验。考察了载体孔道密度、空燃比和燃气流量对催化燃烧效果的影响。结果表明,载体孔道密度影响孔道内壁面反应和气相反应变化以及燃烧流体孔道内的流动及燃烧过程的传热传质,当载体孔道密度为200目时,流速减小,加强了气流与壁面上的浓度边界层中反应物质的交换,温度峰值增大,HC排放少;载体孔道密度为400目,气相反应减少,不会产生局部高温区,NO_x排放小。空燃比影响催化反应炉内各床层轴心温度以及炉内温度峰值的出现位置。随着燃气流量的增加,温度随之上升,1200℃以上时会产生较多的NO_x。     

冰-气生成天然气水合物的动力学研究

对由冰生成天然气水合物过程中的过饱和度和过冷度的作用进行了实验研究。结果表明 ,较大的过饱和度和过冷度提高了生成水合物的含气率 ,同时反应还存在一个最佳反应时间。提出冰转化为水合物的过程是一个包括气体的外扩散、产物层内扩散以及界面反应的过程