贫预混预蒸发燃烧室振荡燃烧特性的实验研究

针对燃用航空煤油的贫预混预蒸发模型燃烧室的振荡燃烧特性开展了实验研究。实验表明:在相同的燃烧室入口空气燃料混合物流速下,随着当量比的增加,燃烧室振荡燃烧的振荡主频从132 Hz增加到144 Hz,但燃烧室的均方根脉动压力幅值却从1 464 Pa下降到342 Pa。在当量比不变情况下,入流空气燃料混合物流速较低时,容易引发振荡燃烧现象,而当入流空气燃料混合物流速较高时,则燃烧会变得稳定。分析了整个燃烧实验装置的前4阶轴向声学模态频率,发现实验中所激励出的振荡燃烧主频和第二阶轴向声学模态频率吻合的很好。     

贫预混火焰动力学及稳定性分析

本文在贫预混燃烧容易诱导热声不稳定产生的背景下,采用大涡模拟结合系统辨识的方法,对甲烷燃料掺氢以及不同火焰筒限制两种情况下的贫预混火焰动力学进行了相关分析。之后通过得出的火焰传递函数,采用低阶网络模型的方法对系统进行了稳定性分析。研究结果表明:加入氢气后,明显增大了火焰的频响,同时火焰相位差减小;在一定的频率范围内,火焰更容易捕捉到不同火焰筒限制对响应的影响;通过采用不同的火焰筒限制,可以修改系统的稳定性行为。     

贫燃预混旋流火焰的燃烧不稳定性

在低污染模型燃烧室上,从实验角度研究了常温常压下贫燃预混旋流火焰燃烧不稳定性.主要着眼于当量比、旋流数和掺混段结构对于燃烧不稳定性的影响.结果表明,当量比对燃烧的稳定性具有重要影响,随着当量比的提高,燃烧经历了稳定-不稳定-极限环,振荡的频率变化不大,而脉动压力幅值显著增大,最终达到极限环状态.旋流强度增大会导致压力脉动增大,进入不稳定的最小当量比降低.实验所采用的开孔掺混方式与开放式的自由混合方式相比,对燃烧不稳定压力脉动有减小的效果.     

旋流预混燃烧室火焰动力学奇异谱分析研究

为了从预混燃烧室大涡模拟产生的非稳态、短时及含噪声的热释放率时序数据中有效提取火焰动力学特性以指导设计.首先采用激励响应法获得该序列,使用奇异谱分析重构并降解,并用传递路径函数识别火焰动态响应,同时与动力学模态降解模态对比.结果表明,采用传统火焰传递函数方法,火焰响应特性易被噪声掩盖.采用奇异谱分析重构的热释放率序列可...     

平板式预混燃烧器的污染物排放特性

利用多引射器混合结构实现燃气和空气的完全混合,设计了平板式预混燃烧器,研究了燃烧器污染物排放特性与空气系数、喷嘴直径、热负荷比的关系.实验结果表明:平板式预混燃烧器实现了NO和CO的低排放;NO和CO的排放量随着空气系数的增大而减小;喷嘴直径越大,燃气和空气接触面越大,混合效果越好,CO的排放量越小;当空气系数为1.25时,全预混燃烧器烟气中折算为空气系数为1时NO排放为40× 10-6,达到了氮氧化物的第5排放等级.     

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...     

低排放燃烧室燃料空气预混均匀性研究

为了解决燃料与空气均匀预混的问题,以气态燃料-低排放塔式同轴分级燃烧室为研究对象,采用数值模拟与实验设计数理统计方法相结合,研究了主燃级叶片角、叶片数、燃料速度和单面孔数对燃料和空气预混特性的影响,筛选出对燃料空气预混均匀性影响的显著项,并拟合得出均匀性的预测公式。结果表明：单面孔数及其平方项对预混均匀性影响最大;燃料速度与叶片角、燃料速度与单面孔数的交互效应其次;叶片数、叶片角、燃料速度及其平方项和交互项对均匀性的影响最小。     

旋流预混燃烧室燃烧特性及排放特性的数值模拟研究

为了综合考察燃气轮机燃烧室在高稳定性、低排放以及燃料适应性等方面的新要求,基于旋流预混燃烧技术,通过三维数值模拟方法开展了甲烷/空气、丙烷/空气预混燃烧特性及排放特性研究。结果表明：在一定的预混气进气质量流量条件下,当量比增大易引发回火,燃烧温度更高,同时NO_x排放指数增大,增加预混气质量流量,可在一定程度上提高回/熄火极限;当量比固定,增加预混气进气质量流量可避免潜在的回火现象,且NO_x排放指数线性降低;旋流器的旋流数增大能形成强旋流,稳定火焰,降低NO_x排放指数,但过大的旋流强度会引发回火现象;相比于甲烷/空气预混燃烧,丙烷/空气预混燃烧温度偏高,NO_x排放指数较大,但回熄火边界更宽,对应更广阔的稳定燃烧区间。     

空气分级对燃烧室燃烧及污染物排放的影响

燃烧气体燃料的工业用直流式燃烧装置为射流进气，采用空气轴向分级的燃烧组织方式，使用多孔板火焰稳定器稳定火焰．实验在一定的燃料流量和一定的空气总量下，改变两级空气的配比，采用testo360烟气分析仪分别测量燃烧室出口截面的温度、NOx和CO的排放量．通过对两级空气不同配比情况下燃烧室出口截面温度、CO和NOx排放量的分析，得到两级空气不同配比对燃烧和污染物排放影响的规律．此外，初步探讨了一级燃烧区长度对燃烧和污染物排放的影响．     

贫氧、预混火焰热声耦合振荡的声场分析

利用SQLABⅡ振动噪声分析仪对贫氧、预混层流火焰和湍流火焰的热声耦合振荡过程进行声场分析.随着化学当量比φ的增大,燃烧室和预混室内声压振动的特征频率逐渐降低,而对应的声功率峰值逐渐提高.在特征频率附近,燃烧室与预混室内的声压振动趋于同频、同相,两者具有明显的耦合关系;在高频情况下,两者不会发生耦合.在化学当量比φ相同而燃烧室入口雷诺数不同的工况下,燃烧室内的声压振动频谱基本相似,说明可燃预混气的组分浓度变化是火焰发生低频振荡的主要原因,当燃烧在偏离化学恰当比情况下进行时,局部空气系数波动所导致的火焰表面大尺度涡团交替脱落是诱发火焰热声耦合振荡的主要原因.     

密闭燃烧室内压力和预混火焰表面积的关系推导及应用

对密闭燃烧室内的预混火焰传播来说,火焰表面积是一个十分重要同时难以测量的动态参数.本文通过数学推导,得到了预混火焰表面积和压力之间的关系表达式,并采用数值模拟验证了推导结果的有效性.结果表明压力上升速率与火焰表面积呈正相关.结合该表达式和实验结果对密闭管道内甲烷-空气预混火焰传播进行了定量分析,发现在障碍物作用下,预混火焰表面积急剧增长,火焰面积和火焰面积增长速率随障碍物阻塞比增大而增大.     

轻油的预蒸发燃烧——轻油预蒸发燃烧中的火焰稳定

分析了预蒸发燃烧中的火焰稳定问题,介绍了燃料燃烧中关于火焰稳定的原理和方法,重点介绍了目前实现轻油预蒸发燃烧中所采用的若干稳焰措施。     

航空发动机燃烧室环境中非预混旋流火焰的标量特征

参考航空发动机燃烧室典型工况设计了微型模型非预混旋流燃烧室并进行了直接数值模拟,基于火焰因子对火焰标量特征进行了分析．研究发现,在非预混燃烧中,预混燃烧模态广泛存在且是放热的主要贡献者．不同工况中火焰面的分布位置和预混火焰的产生机制均存在显著差异．在贫燃工况中,火焰分布在内剪切层中,氧气优先向燃料侧输运从而在富燃料侧产生预混火焰;而在富燃工况中,火焰主要分布在外剪切层中,由于燃料中间产物优先向空气侧输运,预混火焰主要产生于富氧气侧．对标量通量的研究发现：非守恒标量(如YCO2)通量在各燃烧模态中均基本符合梯度假设;守恒标量(如混合分数Z)通量仅在预混燃烧模态中符合假设,在扩散火焰面附近不遵循这一假设．     

燃气轮机燃烧室预混结构性能的数值研究

采用Fluent软件对某旋流预混燃烧室燃料与空气的预混和燃烧进行了数值模拟,分析了轴向叶片式旋流器叶片参数对预混均匀性、回火特性、总压损失和污染物排放的影响,并提出了燃料喷孔结构的改进方案.结果表明:旋流器叶片遮盖度为1.0~1.5,叶片角度为40°~55°,叶片数目为8~12时能够获得较好的燃烧性能;缩小燃料喷孔的孔径,采用旋流器与燃料喷孔合并的结构,合理布置燃料喷孔的位置3种改进方案均能有效改善预混均匀性,降低燃烧的最高温度,3种改进方案依次使NO_x的体积分数比原来降低91%、35%和91%.     

DME与LPG预混平面火焰的甲醛及NO_x排放特性

对二甲醚与液化石油气预混平面火焰中不同掺混比例下的甲醛生成、NOx的排放特性进行了实验研究.实验结果表明,固定燃料质量流量和当量比条件下,火焰中甲醛质量浓度随着二甲醚掺混比例的增加而增加,其峰值质量浓度为相同工况纯LPG燃烧时的2～5倍,表明混合燃料中的二甲醚仍然是甲醛产生的主要来源;尾气中的NOx质量浓度随二甲醚比例的增加而降低,但均不高于16.08,mg/m3.控制二甲醚的完全氧化是二甲醚与液化石油气掺混燃烧中减少甲醛排放的关键途径.     

层流预混滞止火焰结构及传播速度实验研究

火焰传播速度反映了火焰和燃料燃烧的基本特性,但火焰传播比较复杂,受流动,传热以及化学反应等众多因素的影响,在实际的系统中,无法得到理想化的平面燃烧波,而利用平面滞止火焰可外推得到零位伸率下的火焰传播速度,即理想层流火焰传播速度。在建立稳定的层流预混滞止火焰的基础上,用激光多普勒仪测定了滞止流动的速度分布,得到了火焰结构的一些特征,并根据同一空燃比下不同位伸率与当地火焰传播速度的关系,获得了理想层流     

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。     

低污染燃烧室预混喷嘴结构性能的数值研究

以某燃气轮机SAC(单环腔)燃烧室为原型,设计、研究了一种适用于甲烷燃料的低污染燃烧室,对燃烧室单喷嘴模型进行了数值模拟研究。就燃料喷孔位置、旋流器旋流数、叶片数目对流场和温度场进行了定性的分析。结果表明:(1)设计的喷嘴结构能形成明显的中心回流区和角回流区;(2)在有限预混长度情况下,燃料孔的位置对燃料空气预混效果有较大影响;(3)旋流器旋流数及叶片数目对燃烧室冷态流场有较大影响,且旋流数设计过大会导致回火现象,旋流数过低也会对燃料空气预混的均匀性产生一定影响;(4)结构优化后的喷嘴经计算得到NO_x排放量为7.01×10~(-6)(15%O_2浓度),CO为4.687×10~(-6)(15%O_2浓度),相比传统燃烧室降低了约80%,为形成与环境友好的燃烧室设计技术做了理论探索前期的研究工作。     

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。     

火焰稳定器对直喷式燃烧室污染物生成影响的研究

研究了不同火焰稳定器对直接喷射式燃烧室燃烧和污染物排放的影响.实验中所用的火焰稳定器为30°、45°和60°旋流角的旋流器和三种开孔率不同的多孔板.采用Testo360燃气测试仪测量不同工况条件下相应的燃烧室出口温度,以及NOx和CO生成量.通过对采用不同火焰稳定器燃烧室所得到的燃烧与排放性能的分析比较,得到了多孔板的开孔率和旋流器的旋流角度对污染物排放的影响结果.