甲烷三重火焰?zhèn)鞑ヅc形態(tài)特性的實驗與數(shù)值模擬研究.pdf

1、作為一種典型的部分預混火焰，兼具稀預混燃燒、濃預混燃燒和擴散燃燒三種燃燒形式的三重火焰廣泛存在于多種類型的燃燒裝置中。由于這種火焰的著火、傳播以及火焰結構等特性與預混和擴散火焰有很大的差別，因此研究不同條件下三重火焰的基礎特性與燃燒機理，具有重要的理論和實際意義。本文以甲烷為燃料，針對三重火焰的傳播與幾何結構特性，采用實驗結合數(shù)值模擬的方法進行了研究。研究工作可以深化對甲烷三重火焰?zhèn)鞑ミ^程及其火焰幾何結構發(fā)展行為的影響因素和影響規(guī)律的理

2、解，為部分預混燃燒過程的控制及利用提供理論依據(jù)。
　　在三重火焰燃燒實驗系統(tǒng)的建立過程中，本文借助理論和數(shù)值模擬的方法，以形成均勻穩(wěn)定的層流流場為目標，對實驗系統(tǒng)的關鍵配件——協(xié)流燃燒器各特征尺寸（中心主噴嘴的直徑、長度、同心協(xié)流噴嘴的長度、入口布置等）的設計進行了研究，根據(jù)計算結果確定了合理的設計尺寸。通過對氣路及燃燒器出口條件控制系統(tǒng)的設計，實現(xiàn)了中心主流和同心協(xié)流出流條件的獨立精確控制。通過MATLAB編程改進了火焰圖像的后

3、處理方法，使得所得數(shù)據(jù)的分辨率細至約0.5mm，滿足對于火焰幾何特征的測量。
　　采用高速攝影的方法研究了協(xié)同流場中甲烷三重火焰的傳播行為，通過對不同流場條件下三重火焰?zhèn)鞑顟B(tài)、傳播速度等特性的分析，探討了甲烷三重火焰的傳播特性，明確了三重火焰?zhèn)鞑顟B(tài)與其自身燃燒狀態(tài)的關聯(lián)，獲得了不同來流條件對于三重火焰鋒面?zhèn)鞑ニ俣扰c局部流場速度之間關系的影響規(guī)律，從而進一步明確了對其傳播狀態(tài)變化的影響機理。發(fā)現(xiàn)了三重火焰在不同傳播狀態(tài)間過渡時的

4、運動規(guī)律:當三重火焰的傳播狀態(tài)在“回傳—舉升”或“舉升—吹熄”間過渡時，分別會出現(xiàn)“三階段回傳”或“三階段吹熄”的運動規(guī)律，同時獲得了促使其轉變傳播狀態(tài)的臨界來流條件。通過研究三重火焰尾部末端的運動規(guī)律，明確了來流條件對于流場可燃范圍的影響，從而進一步明確了其對于火焰穩(wěn)定性和傳播狀態(tài)的作用。
　　采用高速攝影的方法研究了三重火焰在傳播過程中其火焰形態(tài)結構的發(fā)展，通過對不同傳播狀態(tài)下三重火焰局部和整體幾何特征的分析，探討了甲烷三重火

5、焰幾何結構的發(fā)展規(guī)律，明確了火焰基部寬度與高度間的相關聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)火焰基部寬度有隨著自身高度升高而變寬的趨勢，同時發(fā)現(xiàn)了火焰自身長度受主流速度的影響機理，即流速和其中所含燃料的增加會分別抑制和促進焰身長度的增長。獲得了不同傳播狀態(tài)下基部寬度隨時間的變化規(guī)律，揭示了不同來流條件對于焰身長度的影響規(guī)律，明確了由已燃氣體的浮力所引發(fā)的尾部末端局部區(qū)域內(nèi)的Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定是三重火焰焰身長度發(fā)生震蕩現(xiàn)象的主要原因。明確了不同傳

6、播狀態(tài)下上游來流擾動對于火焰焰身長度的影響大小，發(fā)現(xiàn)當局部流場速度和鋒面?zhèn)鞑ニ俣冉咏鼤r，流場中的擾動能夠對火焰產(chǎn)生更大的影響。
　　采用光譜測量的方法研究了三重火焰的燃燒特性，通過對不同來流條件下三重火焰基部三重點光譜信息和關鍵中間產(chǎn)物含量的分析，探討了甲烷三重火焰在來流條件改變時燃燒特性的變化規(guī)律，明確了主、協(xié)流的流速和當量比各自對于三重點處局部燃燒特性與NOx產(chǎn)生率的影響，獲得了來流條件改變時，三重火焰中濃預混燃燒放熱、稀預混

7、燃燒放熱以及擴散燃燒放熱強度的變化規(guī)律，明確了各種燃燒方式在燃燒過程中所占的比例變化，研究發(fā)現(xiàn)主流流速和當量比的增強比協(xié)流更能促進濃預混火焰分枝的燃燒強度，同時也發(fā)現(xiàn)相比與協(xié)流，主流流速和當量比對于三重點處prompt型NOx的生成率具有更大的影響權重。
　　為了在已有實驗結果的基礎上，進一步從微觀角度展現(xiàn)三重火焰幾何結構的發(fā)展變化過程及其發(fā)生機理，本文基于層流有限化學反應速率模型以及詳細的甲烷燃燒化學反應機理（30種組分、184

8、步基元反應），采用了數(shù)值模擬的方法研究了封閉流場中甲烷三重火焰在不同來流條件下傳播與火焰幾何結構的發(fā)展過程。明確了固體壁面流動邊界層對于冷態(tài)協(xié)同流場速度與組分分布的影響，利用考慮到內(nèi)部反應流—流場與噴嘴壁面—外界環(huán)境三者之間熱交換的影響的耦合傳熱方法，揭示了經(jīng)火焰加熱后的壁面對于火焰自身以及上游未燃混合氣流場的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了高溫壁面對上游未燃氣體的加熱所引發(fā)的熱膨脹而帶來的流場變向效應;通過對不同直徑流場下三重點內(nèi)基元反應的分析，明確