液体燃料射流扩散小火焰的实验研究

摘要

本实验是基于小尺度扩散射流火焰稳定燃烧而提出的。随着微动力源研究领域的不断发展，学者们越来越多参与关于微小火焰的研究。微小尺度火焰的研究是研发高效、安全的微燃烧器必需的基础。目前国内外对在微小尺度条件下火焰燃烧特性的基础研究比较少。 本文设计了一实验台对扩散射流小火焰进行实验研究。实验采用无水酒精作液体燃料，选取陶瓷管作为燃烧器，内径分别为0.4mm、0.6mm和1.0mm三种规格。设计了适合微小液体流量测量的简易装置。用体视显微镜配以数字摄像头及计算机观测火焰，红外热像仪配以热电偶进行测温。用高压直流电源提供强电场。 在此基础上我们对液体燃料小型扩散射流火焰的结构、火焰特征、燃烧器及火焰的温度场、火焰的淬熄与脱熄、强电场对火焰的影响等进行了实验研究。实验结果表明，火焰的无量纲特征高度与燃料流量基本成线性关系，火焰形状随着燃料蒸气Re数的增大由清晰的弯月形变为半球形，最后变混浊、拉长、析碳。火焰的最高温度处于火焰边缘高亮可见光处，且随着燃料蒸气Re数的增大而升高；燃烧器温度场呈现从管口由上而下、由高至低的指数变化趋势，火焰与陶瓷管自然对流换热主要取决于陶瓷管口温度T<,w>与火焰温度T<,f>的比值，其值越高，Nu数越小。陶瓷管无量纲管径d/D越大，淬熄前其Nu数越大，传热效果越好，越难产生淬熄现象；火焰脱熄是各种扰动综合影响的结果，包括流量调节、环境微风、雷诺数过大、点火过热等等，管径较小的火焰比较容易脱熄。火焰淬熄和脱熄时瓷管温度场无太大区别，熄灭的根本原因都是由于热平衡被破坏。 基于强电场的实验是本实验最主要的内容。实验分别对不同电极方向、电极距、燃烧器进行研究。正电极对扩散射流小火焰的影响较有规律，本文实验均采用正电极。实验采用三种规格的电极距：3cm、5cm和7cm进行研究，结果显示，在电压较低的时候，Re数随电压的增大而增大。在电极距较小的情况下，高电压反而使Re数降低，而电极距较大时，Re数出现不稳定变化，同时实验现象也显示，火焰出现跳跃现象。故在需要使用电压来调节燃料Re数的时候，选择恰当的电极距比选择高电压来得合适。实验所选取的燃烧器管径对强电场的实验影响程度不高，其规律较难把握。火焰较小时，电场对火焰的作用不明显。实验还研究了强电场对减少火焰析碳的作用，这对微小空间燃烧过程抑制C颗粒的形成以及强化传热都是很具现实意义的。本文的实验结论是进行下一步实验的基础。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：物理量名称和符号表

声明

第一章 绪论

1.1 研究的背景意义

1.2扩散火焰机理概述

1.2.1燃烧与火焰基本特征

1.2.2层流扩散火焰的结构

1.2.3液体燃料燃烧的基本过程

1.2.4层流扩散火焰的伯克和舒曼理论

1.2.5蜡烛火焰和伍法德-帕克平面扩散火焰

1.2.6燃料射流的唯象分析

1.2.7液滴的蒸发与燃烧理论

1.3 近期扩散火焰研究综述

1.4 课题的提出和任务

1.5 本文研究的意义、方法与内容

第二章 实验装置与数据测量

2.1 实验台简介

2.2实验相关仪器

2.2.1燃烧系统

2.2.2燃料及输送系统

2.2.3观察与测量装置

2.2.4辅助装置

2.3实验方法

2.3.1观测方法

2.3.2燃料流量测量方法

2.3.3温度测量方法

2.3.4电压调节与测量方法

2.3.5特征尺寸测量方法

2.4 实验步骤及数据测量

2.4.1火焰特征尺寸的实验

2.4.2火焰及陶瓷管燃烧器温度的实验

2.4.3淬熄与脱熄实验

2.4.4强电场对火焰作用实验

2.5本章小结

第三章 实验数据处理

3.1基本整理

3.1.1流量整理

3.1.2图像整理

3.1.3电压整理

3.2无量纲处理

3.2.1特征尺寸无量纲处理

3.2.2流量无量纲处理

3.2.3瓷管传热无量纲处理

3.3 火焰图像处理

3.3.1特征尺寸比例法处理

3.3.2标尺、瓷管轮廓标注

3.4红外热像处理

3.4.1红外热像基本描述

3.4.2红外热像分析报告

3.5 本章小结

第四章 实验结果及分析

4.1 火焰无量纲特征分析

4.2温度场分析

4.2.1火焰温度场

4.2.2陶瓷管温度场

4.2.3传热分析

4.3 淬熄与脱熄

4.3.1陶瓷管内径对淬熄的影响

4.3.2淬熄与脱熄的红外分析

4.4 基于强电场火焰分析

4.4.1电极方向对火焰的影响

4.4.2电极距对火焰的影响

4.4.3不同管径燃烧器对火焰的影响

4.4.4强电场对减少火焰析碳的作用

4.5误差分析

4.6本章小结

结论与建议

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

评定意见