加压近极限层流预混火焰的熄灭特性研究

论文摘要

近极限预混火焰的熄灭极限及可燃极限的研究对于实际应用和丰富燃烧理论都有着重要意义，而加压条件下目前国内外在这方面的研究仍然较少。本文使用CHEMKIN软件的PREMIX和OPPDIF模块对加压一维自由传播和弱拉伸对冲层流预混火焰进行模拟，使用敏感性分析和路径分析等方法研究了压力对可燃极限和弱拉伸火焰熄灭极限的影响与作用机理，与此同时，对现有的微重力加压对冲火焰实验装置进行大量的改进和完善，对现有的准稳态测量方法的进行实验校核，修正了原测量方法，提高了实验精度。使用改进后的实验系统和实验方法在NMLC微重力条件下测得不同压力下CH4/air和CH4/N2/O2/He对冲层流预混火焰在两个弱张力下的浓度熄灭极限。同时，在常重力下获得相同工况的实验数据。通过比较常、微重力的实验结果和数值模拟结果，分析了自然对流、Le数和拉伸率对加压近极限对冲火焰熄灭极限的影响规律。一维自由传播预混甲烷/空气火焰数值模拟的结果表明，压力增大，三体链终止反应增强，但压力增加超过5atm后，HO2参与的对压力不敏感的二体反应HO2+CH3=OH+CH3O和OH+HO2=O2+H2O逐渐分别成为主导的链分支反应和链终止反应。同时，主要链分支反应由对温度敏感性下降，主要链终止反应对温度敏感性上升，火焰温度随化学当量比下降时，链分支反应减弱程度小于链终止反应，进而随压力增大，贫燃侧可燃极限反而变小，可燃范围加大。对冲预混甲烷/空气火焰的数值模拟结果表明，弱拉伸火焰的火焰传播特性受压力影响与一维自由传播预混火焰不同。随着压力增大，弱拉伸火焰的熄灭极限呈先增大后基本不变、略有减小的变化趋势，这有由于压力对于弱拉伸层流预混火焰的作用不仅影响燃烧链式化学反应，也影响局部拉伸率，两者共同导致了上述变化。微重力对冲预混甲烷/空气火焰的实验表明，拉伸率和Lewis数的增大都将导致熄灭极限的增大。随着压力增大，熄灭极限先增大后基本不变，这与数值模拟结果一致。另外，对比常重力下的实验结果可知，自然对流将会导致测量结果偏大，部分原因是由于其对于火焰平面的弯曲与拉伸作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 预混火焰熄灭极限与可燃极限
• 1.2 层流预混火焰可燃极限的研究现状
• 1.2.1 层流预混火焰可燃极限的研究历史
• 1.2.2 层流预混火焰可燃极限的测量方法
• 1.2.3 层流预混火焰可燃极限的测量方法
• 1.2.4 近极限预混拉伸火焰熄灭极限的微重力实验研究
• 1.2.5 Lewis 数对近极限预混拉伸火焰熄灭极限的影响
• 1.2.6 压力对预混火焰熄灭极限的机理研究
• 1.3 论文研究内容
• 第二章 加压层流预混火焰可燃极限的数值模拟与机理分析
• 2.1 数值模拟方法
• 2.1.1 控制方程和边界条件
• 2.1.2 敏感性分析法
• 2.1.3 路径分析法
• 2.2 计算结果与分析
• 2.2.1 压力对于近极限层流预混火焰辐射热损失的影响
• 2.2.2 压力对于近极限层流预混火焰反应机理的影响
• 2.2.3 压力对于层流预混火焰可燃极限的影响
• 2.3 本章小结
• 第三章 加压层流预混火焰熄灭极限的数值模拟与机理分析
• 3.1 数值模拟方法
• 3.2 计算结果与分析
• 3.2.1 压力对层流预混对冲火焰传播特性的影响
• 3.2.2 压力对层流预混对冲火焰局部拉伸率的影响
• 3.2.3 压力对层流预混火焰熄灭极限的影响
• 3.3 本章小结
• 第四章 加压对冲火焰熄灭极限的实验研究
• 4.1 现有实验系统概述
• 4.2 现有实验系统存在的问题
• 4.3 实验系统的改造
• 4.4 熄灭极限的测定方法和标定
• 4.4.1 熄灭极限测量方法
• 4.4.2 准稳态测量方法的稳态验证与修正
• 4.4.3 延迟时间的测定
• 4.4.4 新微重力实验系统的实验步骤
• 4.5 实验结果与分析
• 4.5.1 自然对流对火焰熄灭过程的影响
• 4.5.2 拉伸率对火焰亮度的影响
• 4.5.3 Le 数对火焰燃烧与熄灭的影响
• 4.5.4 自然对流对熄灭极限的影响
• 4.5.5 熄灭极限实验数据的比较
• 4.6 本章小结
• 第五章 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