一种计算预混层流平面火焰速度的新算法

首次运用类似SIMPLE方法的控制容积积分法的思想,对层流预混平面火焰控制方程的各项分类处理,对源项线性处理。并运用于对甲烷－空气的一维层火焰计算,表明这种新方法易收敛,计算效率高。     

乙醇-空气预混层流火焰特性的试验研究

利用纹影高速摄像技术,在定容燃烧弹内试验研究了温度为358~500 K,当量比从0.7到1.4的乙醇—空气预混层流火焰的传播特性。通过研究乙醇—空气火焰传播速度与层流火焰拉伸的关系,获得了乙醇—空气火焰无拉伸层流燃烧速度。结合先前研究结论,总结得出了乙醇—空气层流火焰无拉伸层流燃烧速度的经验公式。通过计算乙醇—空气层流火焰质量燃烧速率,确定了乙醇—空气层流火焰的全局活化温度以及Zeldovich数随混合气当量比的变化关系,并由此提出了乙醇—空气层流火焰燃烧速度的的替代拟合公式。通过比较,发现本研究结论与以前结果很吻合。     

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。     

火焰拉伸对甲烷/空气和丙烷/空气层流燃烧速度的影响

通过拓展层流火焰消耗速度的概念,将其定义与反应进程变量（progress variable）的定义相结合,给出了一个积分层流燃烧速度的广义定义。在准一维稳态系统中,分析了积分层流燃烧速度,以及其与未燃气体的位移速度和已燃气体的位移速度之间的关系。对甲烷-空气和丙烷-空气拉伸层流预混火焰在常温常压下进行了数值计算,研究了在不同当量比下,火焰拉伸对层流燃烧速度的影响,并得出了马克斯坦长度。对基于通过火焰前锋放热率的积分层流燃烧速度和基于燃料消耗率的积分层流燃烧速度进行了比较。结论表明低拉伸火焰的马克斯坦数与渐进分析一致,也与球形火焰获得的实验数据吻合。     

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。     

层流预混燃烧试验研究方法及其影响因素浅析

采用试验的方法对层流预混火焰进行研究可以为实际应用提供可靠的依据。本文对滞止面火焰法、热流法、肥皂泡爆炸法及定容弹法等预混层流火焰试验研究方法进行了归纳,并分析了预混层流火焰燃烧的影响因素。     

丁烷层流预混燃烧多棱火焰的实验研究

在丁烷层流预混气体的燃烧过程中清晰地观察到多棱火焰现象。实验中，对3种喷口冷却条件，8种燃料流量下出现多棱火焰现象的浓度界限进行了测定。实验结果表明，当喷口冷却条件加强时，相同燃料流量下出现多棱火焰时空气消耗系数降低。实验也表明，多棱火焰在一定的燃料流量下出现，燃料流量超过一定值时，多棱火焰现象不再出现。同时，燃料流量越大，出现多棱火焰的棱数也越多。     

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。     

异丁醇/辛酸甲酯混合燃料预混层流火焰速度的研究

针对生物柴油与醇类混合燃料燃烧机理研究的需求,采用高速纹影光学诊断方法和定容燃烧弹系统试验研究了异丁醇/辛酸甲酯混合燃料的预混层流燃烧特性。测量了不同当量比和初始压力条件下的不同配比混合燃料—空气预混合气的层流燃烧火焰速度,火焰拉伸率以及马克斯坦长度。分析了燃烧初始条件及异丁醇掺混比例对混合燃料的无拉伸层流燃烧速度及火焰不稳定性的影响规律。结果表明:异丁醇/辛酸甲酯混合燃料的拉伸层流火焰传播速度和层流火焰燃烧速度随着当量比的增加先增加后减少,随着初始压力的增加而减小;马克斯坦长度随着当量比和初始压力的增加而减小;异丁醇掺混比例的增加加快了层流火焰燃烧速度,但使得火焰的不稳定性倾向增加。     

当量比对锥形燃烧器火焰稳定位置影响

为了探究当量比对锥形燃烧器头部火焰稳定位置及排放特性的影响,采用数值模拟方法对锥形燃烧器的流动与燃烧特性进行研究。分析讨论了当量比从0.54增加至0.78时燃烧器头部的火焰锋面位置与高温区温度的变化规律,以及不同当量比下火焰指数、NO_x与CO排放量的变化趋势。研究结果表明,速度分布与回流区特征随当量比升高未见明显变化。随着当量比升高,高温区的最高温度逐渐升高,火焰稳定位置向燃烧器内部移动。当量比增加至0.66时开始发生回火,继续增加当量比时高温区贴近锥形燃烧器头部壁面与喷嘴,有烧毁燃烧器的危险。NO_x排放量随当量比增大而增大,当量比从0.54增加至0.66时,NO_x排放量缓慢增加,当量比继续增加至0.78过程中,NO_x排放量迅速增加,NO_x排放增加了32.4倍。CO排放量随当量比的增大先减小后增大,并在当量比为0.66时达到最小值。     

应用图像处理技术进行预混层流火焰传播速度的在线测量

利用图像处理技术，根据层流预混火焰稳定燃烧的条件结合预混火焰燃烧模型，设计了火焰传播速度在线实时测量系统，通过图像采集在线获取火焰的静态图像，然后自动对图像进行滤波，边缘提取，再进行计算得到火焰传播前沿面积，在线算出火焰传播速度，这种方法具有非接触式测量的优点，利用它不仅可以测量层流预混火焰的传播速度，同时还为层流火焰的燃烧机理的研究提供一种直接的手段．     

通用甲烷层流预混火焰半详细化学动力学机理

提出了一套用于描述甲烷－空气层流预混火焰的含有N化学和C2化学反应的半详细化学动力学机理，由79个基元反应和32种物质组成，根据需要可进一步简化。计算和实验结果对比表明，该机理能合理描述火焰结构和传播速度，其中N化学对火焰传播速度没有影响，C2化学在富油时会提高传播速度。对N化学反应的计算分析表明，在不同当量比条件下，NOx可由不同含N物质所组成，调整CH＋N2^-=HCN N的速率常数可改变NOx的生成浓度。     

A theoretical study on Bunsen spray flames

The structure of Bunsen flame tip under the influence of dilute, monodisperse inert (water) or fuel (methanol) sprays is theoretically studied using large activation energy asymptotics. A completely prevaporized mode is identified, in which no liquid droplets exist downstream of the flame. Parameters for open and closed flame tips in the analysis consist of the amount of liquid loading indicating the internal heat loss for the water spray or the internal heat loss and heat gain for the rich and lean methanol-sprays, respectively, and the (negative) stretch coupled with Lewis number (Le) which strengthens the burning intensity of the Le>1 flame but weakens that of the Le<1 flame, respectively. For rich methane-air flames (Le>1) with water sprays (or lean methanol-spray flames with Le>1), closed-tip solutions are obtained. The burning intensity of the flame tip is enhanced with either decreasing liquid-water loading (or increasing liquid-fuel loading) or increasing stretch. Conversely, the negative stretch weakens the burning intensity of a lean methane-air flame (Le<1) with water sprays (or a rich methanol-spray flame with Le<1) and eventually leads to tip opening, i.e., flame extinction. The burning intensity is further reduced with either increasing liquid-water (or liquid-fuel) loading or increasing stretch. Moreover, the open flame tip is further widened when either the liquid-water loading (or liquid-fuel loading) or the upstream flow velocity is increased. It is noteworthy that the gradual increase of liquid-fuel loading strengthens the burning intensity of the lean methanol-spray flame (Le>1) and thus leads to the transition of flame configurations from conventional Bunsen cone through planar flame to inverted flame cone (a convex flame shape with respect to the upstream reactants). The critical value of liquid-fuel loading, at which there exists a planar flame rather than a Bunsen cone flame, is increased with either increasing upstream flow velocity or decreasing equivalence ratio.     

Numerical Study on the Morphology of a Re-Ignited Laminar Partially Premixed Flame with a Co-Axial Pilot Flame

Re-ignited partially premixed flame(PPF) is a quite extensive flame type in real applications, which is directly relevant to the local and global extinction and re-ignition phenomenon. The authors designed a model burner to establish laminar re-ignited PPFs. Numerical simulations were carried out to reveal the morphology of laminar re-ignited PPF. Based on the distributions of temperature, heat release and radicals, the morphologies of re-ignited flames were explored. W-shaped flames were formed...     

Aerodynamics of a slender axisymmetric Bunsen flame with large gas expansion

The flow around a stationary axisymmetric premixed flame attached to a plug flow Bunsen burner and propagating with a constant burning velocity relative to the fresh gas is analyzed for large values of the ratio of fresh gas injection velocity to flame burning velocity and small values of the burnt-to-fresh gas density ratio. The shape of the flame is close to a cone of small semiangle, and its presence induces only a small perturbation in the fresh gas. The velocity of the burnt gas is the superposition of a uniform axial velocity and the velocity induced by a line of sources on the axis of the burner. The pressure of the burnt gas on the flame is the sum of a uniform part that does not change the velocity of the fresh gas and a small variable part that causes a vertical acceleration of this gas and a slight deformation of the flame. Only a weak vorticity is generated at the flame. The analysis breaks down in small regions around the tip and the base of the flame where the assumption of a constant burning velocity is not valid.     

障碍物结构对管道中预混火焰加速的影响

在一端封闭、一端开口的火焰传播管中均匀布置障碍物，研究了障碍物结构对管道中预混火焰传播的影响。结果表明，由于障碍物的扰动，火焰不断加速，在阻塞比相同的条件下，最终的火焰稳态速度与障碍物的形状和间距基本无关，其中障碍物间距仅仅影响火焰的加速速率，在障碍物间距约等于火焰传播管内径（W/D≈1.0）时，平均火焰速度达到最大值，火焰到达稳态传播的距离最短。同时，本文用一维简化模型模拟了火焰在障碍物管道中的加速过程，计算结果与实验测试结果在定性上比较吻合，说明在管内火焰速度较低的情况下，用一维可压缩流动近似处理能初步揭示管内火焰的加速机制。     

格子Boltzmann方法模拟层流对冲预混火焰

运用格子Boltzmann方法对气体燃烧进行了模拟,其中包括了对流、扩散和反应等过程．在模拟中假设化学反应对流场没有影响,因而流场、温度场和组分场没有相互耦合,可以分别用LB方程进行求解．选择层流对冲火焰作为对燃烧的基础计算模拟．该模型的几何特征是有两个相对的相同燃烧喷口喷出燃料与空气的混合气体,而形成稳定的流场．计算结果与传统的Navier—Stokes方法计算得到的结果进行了对比,结果能够较好地吻合,说明格子Boltzmann方法可以对燃烧进行模拟．     

Numerical simulation of laminar premixed combustion in a porous burner

Premixed combustion in porous media differs substantially from combustion in free space. The interphase heat transfer between a gas mixture and a porous medium becomes dominant in the premixed combustion process. In this paper, the premixed combustion of CH₄/air mixture in a porous medium is numerically simulated with a laminar combustion model. Radiative heat transfer in solids and convective heat transfer between the gas and the solid is especially studied. A smaller detailed reaction mechanism is also used and the results can show good prediction for many combustion phenomena. Translated from Journal of Combustion Science and Technology, 2006, 12(1): 46–50 [译自: 燃烧科学与技术]