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

1、作為一種典型的部分預(yù)混火焰，兼具稀預(yù)混燃燒、濃預(yù)混燃燒和擴(kuò)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(jié)構(gòu)等特性與預(yù)混和擴(kuò)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(chǔ)特性與燃燒機(jī)理，具有重要的理論和實(shí)際意義。本文以甲烷為燃料，針對三重火焰的傳播與幾何結(jié)構(gòu)特性，采用實(shí)驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬的方法進(jìn)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(jié)構(gòu)發(fā)展行為的影響因素和影響規(guī)律的理

2、解，為部分預(yù)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(shí)驗(yàn)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(biāo)，對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)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(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定了合理的設(shè)計(jì)尺寸。通過對氣路及燃燒器出口條件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了中心主流和同心協(xié)流出流條件的獨(dú)立精確控制。通過MATLAB編程改進(jìn)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(xì)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(guān)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(guān)系的影響規(guī)律，從而進(jìn)一步明確了對其傳播狀態(tài)變化的影響機(jī)理。發(fā)現(xiàn)了三重火焰在不同傳播狀態(tài)間過渡時(shí)的

4、運(yùn)動規(guī)律:當(dāng)三重火焰的傳播狀態(tài)在“回傳—舉升”或“舉升—吹熄”間過渡時(shí)，分別會出現(xiàn)“三階段回傳”或“三階段吹熄”的運(yùn)動規(guī)律，同時(shí)獲得了促使其轉(zhuǎn)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(yùn)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(jìn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的發(fā)展規(guī)律，明確了火焰基部寬度與高度間的相關(guān)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(shí)發(fā)現(xiàn)了火焰自身長度受主流速度的影響機(jī)理，即流速和其中所含燃料的增加會分別抑制和促進(jìn)焰身長度的增長。獲得了不同傳播狀態(tài)下基部寬度隨時(shí)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?xì)怏w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(dāng)局部流場速度和鋒面?zhèn)鞑ニ俣冉咏鼤r(shí)，流場中的擾動能夠?qū)鹧娈a(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(diǎn)光譜信息和關(guān)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(shí)燃燒特性的變化規(guī)律，明確了主、協(xié)流的流速和當(dāng)量比各自對于三重點(diǎn)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(shí)，三重火焰中濃預(yù)混燃燒放熱、稀預(yù)混

7、燃燒放熱以及擴(kuò)散燃燒放熱強(qiáng)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(dāng)量比的增強(qiáng)比協(xié)流更能促進(jìn)濃預(yù)混火焰分枝的燃燒強(qiáng)度，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)相比與協(xié)流，主流流速和當(dāng)量比對于三重點(diǎn)處prompt型NOx的生成率具有更大的影響權(quán)重。
　　為了在已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步從微觀角度展現(xiàn)三重火焰幾何結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化過程及其發(fā)生機(jī)理，本文基于層流有限化學(xué)反應(yīng)速率模型以及詳細(xì)的甲烷燃燒化學(xué)反應(yīng)機(jī)理（30種組分、184

8、步基元反應(yīng)），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(jié)構(gòu)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(yīng)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?xì)怏w的加熱所引發(fā)的熱膨脹而帶來的流場變向效應(yīng);通過對不同直徑流場下三重點(diǎn)內(nèi)基元反應(yīng)的分析，明確