脈動燃燒下甲烷部分預(yù)混火焰Nox生成機(jī)理和排放規(guī)律研究.pdf

1、脈動燃燒技術(shù)是新型高效低NOx燃燒技術(shù)的發(fā)展方向，具有重要的工程價(jià)值和學(xué)術(shù)意義，其中脈動燃燒下部分預(yù)混火焰的NOx生成特征尚未獲得系統(tǒng)的研究和認(rèn)識。
　　 為了探索脈動燃燒下部分預(yù)混火焰NOx生成機(jī)理和排放規(guī)律，搭建了Rijke型強(qiáng)迫脈動燃燒實(shí)驗(yàn)臺，建立了描述脈動燃燒過程N(yùn)Ox生成的數(shù)學(xué)模型，基于聲與火焰耦合數(shù)值計(jì)算、熱聲效應(yīng)理論分析及污染物、溫度和火焰可視化等測試手段，系統(tǒng)研究了不同燃燒參數(shù)和脈動參數(shù)下NOx的排放規(guī)律，細(xì)致分

2、析了不同類型NOx的生成機(jī)理。本文的主要工作和成果如下：
　　 1.獲得了脈動燃燒下部分預(yù)混火焰NOx排放總規(guī)律。
　　 針對Rijke型脈動燃燒裝置，提出了采集和分析脈動火焰NOx的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)量比和燃?xì)饬魉偈怯绊懨}動燃燒NOx生成的重要參量，①與穩(wěn)態(tài)燃燒相比，脈動燃燒EINOx(NOx排放因子)降低，降低幅度與當(dāng)量比相關(guān)；②隨當(dāng)量比增加，脈動燃燒下NO先增加后降低再增加，而穩(wěn)態(tài)燃燒下NO先降低后增加，兩者在

3、不同點(diǎn)取得極小值；③隨燃?xì)饬魉僭黾?，脈動燃燒和穩(wěn)態(tài)燃燒NO在不同當(dāng)量比下變化趨勢不同。
　　 基于微細(xì)熱電偶、水冷采樣探針、火焰可視化等方法，對火焰內(nèi)部溫度、濃度及結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了比較，討論了脈動燃燒下NO降低的原因：①火焰峰值溫度降低，溫度分布均勻化，局部高溫區(qū)減少；②火焰區(qū)內(nèi)氧量增加；③化學(xué)反應(yīng)速率增加，火焰長度縮短，高溫區(qū)停留時間減小。
　　 2.認(rèn)識了脈動燃燒下部分預(yù)混火焰不同類型NOx生成機(jī)理。
　　 基

4、于湍流燃燒中褶皺層流火焰面機(jī)制，耦合火焰面(LFM)模型、預(yù)混火焰?zhèn)鞑?PREMIX)模型、Gri2.11反應(yīng)機(jī)理和聲邊界，將預(yù)混火焰面作為不連續(xù)的邊界，對火焰進(jìn)行分區(qū)建模，補(bǔ)充了火焰面模型對預(yù)混火焰面化學(xué)反應(yīng)模擬的不足，構(gòu)建了描述聲與部分預(yù)混火焰耦合的脈動燃燒模型；通過改變模型中氮氧化物的反應(yīng)方程，討論了不同類型NOx的生成機(jī)理。研究結(jié)果表明，①總NOx隨當(dāng)量比的變化規(guī)律，受到熱力型NOx和瞬態(tài)型NOx主導(dǎo)機(jī)理的作用；②在不同當(dāng)量比區(qū)

5、間內(nèi)，熱力型和瞬態(tài)型NOx隨當(dāng)量比變化趨勢不同，由溫度、OH、CH分布和高溫區(qū)停留時間變化規(guī)律共同確定，極大和極小值點(diǎn)與火焰的富燃極限和碳煙輻射有關(guān)：③典型雙火焰結(jié)構(gòu)下，隨燃?xì)饬魉僭黾?，脈動燃燒和穩(wěn)態(tài)燃燒下高溫區(qū)停留時間趨勢不同，決定了EINOx變化規(guī)律。
　　 3.研究了渦與火焰耦合作用下不同脈動振幅的NOx生成特征。
　　 通過直拍、紋影、陰影、紅外和高速攝像等火焰可視化方法，獲得了典型脈動燃燒工況下火焰的結(jié)構(gòu)特征，

6、研究結(jié)果表明，①聲場以渦的形式作用于火焰鋒面，有序的渦對在火焰面上形成了凹凸和“尖狀體”結(jié)構(gòu)；②脈動燃燒下火焰沿軸向升舉和回落，運(yùn)動方向與聲場方向相關(guān)，頻率與聲頻一致。
　　 將脈動作用下渦與火焰的耦合作用轉(zhuǎn)化為應(yīng)變率（速度梯度）參量，通過二維脈動火焰模型的構(gòu)建，將脈動火焰鋒面上渦的作用進(jìn)行火焰面上的速度分解，轉(zhuǎn)化為一維對沖燃燒模型，計(jì)算了應(yīng)變率與NOx生成化學(xué)動力學(xué)的關(guān)系；并將脈動振幅的增加轉(zhuǎn)化為應(yīng)變率的變化，描述了振幅增加對

7、NOx生成的化學(xué)反應(yīng)速率的影響。研究結(jié)果表明，①渦從燃燒器管口產(chǎn)生，逐漸向上生長，發(fā)展過程與流速大小和方向相關(guān)；②隨脈動振幅增加，應(yīng)變率增加，高溫區(qū)域變窄，化學(xué)反應(yīng)速率增加，而NO生成總量降低；原因是火焰面厚度減小，擴(kuò)散速度增加，穿過火焰面時間縮短。
　　 以火焰軸向長度和徑向應(yīng)變率為參量討論了脈動振幅與NOx生成的關(guān)系，結(jié)果表明，隨脈動振幅增加，火焰長度縮短，Da數(shù)減小，ENOx生成減小。
　　 4.獲得了Rijke型

8、自激勵脈動燃燒下不同脈動頻率的NOx生成特征。
　　 提出了描述Rijke型自激勵脈動燃燒下的熱聲耦合數(shù)值模型，基于能量平衡理論分析了熱聲起振過程及聲模態(tài)，解決了數(shù)值模擬中必須假定Rijke管管口進(jìn)出口邊界條件和強(qiáng)加振蕩源的問題，并解釋了Rijke管非線性熱聲效應(yīng)和聲模態(tài)的發(fā)展。結(jié)果表明，聲模態(tài)由熱聲轉(zhuǎn)換能量與耗散能量的關(guān)系決定，起振過程與平均流速和熱源位置有關(guān)，在大振幅下會形成非線性效應(yīng)，降低了熱聲轉(zhuǎn)換的效率，縮小管末端流通截