加压条件下甲烷/空气层流预混火焰可燃极限的研究

论文摘要

了解层流预混火焰的高压贫可燃极限对于高压燃烧室的设计和模拟有着重要的意义。目前国内外相关的研究仅限于少量的数值模拟,而实验研究基本上一片空白。本文成功搭建了适用于中国科学院力学研究所国家微重力实验室(NMLC)微重力落塔的高压对冲火焰实验系统,对高压条件下对甲烷/空气层流预混火焰的可燃极限进行了理论和实验的研究,测定不同压力下和不同张力下甲烷/空气预混火焰的熄灭极限,讨论了高压贫可燃极限的控制机理。首先利用CHEMKIN软件,通过改进后的PREMIX模型和OPPDIF模型对高压下一维火焰和对冲火焰的燃烧特性进行了研究。结果表明压力对于火焰的质量燃烧速率,火焰厚度和火焰传播速度有较大的影响,火焰温度和辐射热损失对压力的变化并不敏感。对甲烷/空气的预混火焰贫可燃极限的数值模拟结果显示,随着压力升高,可燃极限会存在着一个峰值:对于一维自由传播层流火焰的基本可燃极限,这个峰值出现在5atm左右;对于对冲火焰,这个峰值出现在4atm左右。为了解释这个现象,通过敏感性分析研究了甲烷/空气预混火焰的化学动力学,发现影响强火焰和近极限的弱火焰的化学反应机理不同,而对弱火焰不同压力下的控制化学反应机理也不同,在压力超过一定数值后,三体自由基链销毁的反应得到抑制。通过地面实验和微重力落塔实验,分别测定了常重力下和微重力下甲烷/空气预混对冲火焰的可燃极限,结果表明浮力引起的对流热损失会严重地影响到近极限微弱火焰,在消除其影响之后,实验测得的可燃极限随压力变化趋势与数值模拟基本一致。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 可燃极限及其相关研究
• 1.2.1 可燃极限概念的确立
• 1.2.2 可燃极限的研究成果
• 1.2.3 小结
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 高压下可燃极限的数值模拟
• 2.1 CHEMKIN 软件简介
• 2.2 不同压力下理想火焰的性质
• 2.2.1 基本控制方程组与边界条件
• 2.2.2 计算结果与讨论
• 2.3 不同压力下辐射热损失对火焰的影响
• 2.3.1 辐射光疏模型
• 2.3.2 计算结果与讨论
• 2.4 不同压力下预混火焰基本可燃极限的计算
• 2.4.1 拟弧长延拓法
• 2.4.2 计算结果与讨论
• 2.5 压力对火焰反应动力学的影响
• 2.5.1 敏感性分析法
• 2.5.2 计算结果与讨论
• 2.6 对冲火焰可燃极限的数值模拟
• 第3章 微重力非常压对冲火焰实验系统与实验方法
• 3.1 NMLC 落塔的实验条件及对实验装置的要求
• 3.2 微重力非常压对冲火焰实验系统
• 3.2.1 燃烧系统
• 3.2.2 自动控制系统
• 3.2.3 数据采集和监控系统
• 3.2.4 供气、排气和尾气收集系统
• 3.3 熄灭极限的测量方法
• 3.3.1 延迟时间的测定
• 3.3.2 可燃极限的测量方法
• 第4章 实验结果与分析
• 4.1 常重力实验的结果与讨论
• 4.1.1 不同压力与不同张力下的预混对冲火焰
• 4.1.2 非对称温度条件对预混对冲火焰的影响
• 4.1.3 常重力环境下甲烷/空气预混对冲火焰的可燃极限
• 4.2 微重力实验的结果与讨论
• 4.2.1 微重力落塔实验步骤
• 4.2.2 微重力环境下的对冲火焰
• 4.2.3 微重力环境下甲烷/空气预混对冲火焰的可燃极限
• 第5章 结论与展望
• 5.1 研究总结
• 5.2 不足与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果