球形膨胀预混火焰胞状化过程量化分析及自加速规律试验研究

摘要

球形膨胀预混火焰是测量层流燃烧速度的重要方法，也是火花点火式内燃机中的典型火焰形式。许多研究发现，在自身不稳定性的作用下，球形膨胀火焰在半径增大到一定程度时会发生整体性的失稳，整个火焰面上出现大量细胞状褶皱裂纹；此后，火焰速度会自发地加快，并逐渐呈现出类似湍流火焰的自加速规律。显然，这一过程中褶皱所导致的火焰面积的增加是导致火焰速度加快的重要原因，但是由于火焰面褶皱裂纹及火焰细胞形态特征难以量化，现有的试验结论往往无法直观地体现这两种现象的内在因果关系。另外，由于选择的燃料和当量比的差异以及观测半径范围的限制，不同的研究中观察到的火焰自加速规律也存在较大差异。
　　针对这些问题，本文利用高分辨率的阴影法火焰图像和相适应的图像识别方法，处理得到火焰面裂纹形态演变的定量特征参数，并将其与火焰速度曲线进行对比分析，直观地展现了裂纹和火焰细胞形态变化特征与火焰速度变化特征的对应关系。在此基础上，本文对乙炔火焰、稀燃氢气火焰和当量比附近的乙醇火焰三种典型热质扩散特征的球形膨胀火焰展开了广泛的研究，直观展现了胞状化过程中的裂纹形态演变特征及其与火焰自加速现象的关系，并对两阶段自加速和振荡自加速这两种典型自加速规律产生的原因进行解析，试图统一地归纳两者出现的条件。
　　试验结果表明：热质扩散特性的不同导致球形火焰的胞状化过程存在很大差异。
　　在乙炔火焰中，初始扰动造成的稀疏裂纹的发展速度十分缓慢，且不会造成火焰速度的明显增加，这一状态持续到一个明显的临界火焰Rc之前；当火焰半径增大到Rc附近时，整个火焰面上会迅速出现大量裂纹，导致火焰面呈现胞状形态，其后火焰经历了不完整的振荡自加速过程。
　　在稀混氢气火焰中，初始扰动造成的稀疏裂纹会迅速地发展，并逐渐布满整个火焰面，导致火焰面呈现胞状形态，火焰速度也随之增大；在此之后一段时间内，火焰面上的胞状结构尺寸会不断减小，火焰速度也不断增大，当胞状结构尺寸减小到一定值后达到稳定状态，火焰加速的趋势明显减缓，即火焰自加速过程呈现出两阶段特征（过渡阶段、饱和阶段）。通过对火焰速度曲线进行拟合后发现：稀混氢气火焰的自加速过程的两个阶段分别表现出自相似特征。过渡阶段的分形余数d大于0.33，这是由于胞状结构尺寸的不断减小造成的，且火焰细胞平均半径的减小过程也表现了自相似性。饱和阶段的分形余数d均小于0.33的理论值，但是在高压条件下d会更加接近0.33。
　　高压条件下（12.5bar）化学当量比附近（0.8~1.2）的乙醇火焰则表现出了完整的振荡自加速特征，且振荡周期随着Lewis数的减小而减小；同时，乙醇火焰速度曲线上也存在类似稀混氢气火焰的两阶段加速特征，而振荡加速就发生在饱和阶段中。
　　综合本文中乙炔、氢气、乙醇三者的热质扩散特性和自加速特征的异同可以推断出以下结论：球形膨胀火焰发生胞状化失稳后，火焰速度会呈现“先快后慢”的两阶段自加速现象（过渡阶段、饱和阶段）；在反应体系的Lewis数Leeff≥1的条件下，饱和阶段的自加速现象表现出明显的振荡特征；随着Leeff的减小，饱和阶段的振荡周期不断减小；在达到Leeff?1极限时，饱和阶段的振荡加速特征退化为连续的自相似加速特征。
　　最后，考虑到实际燃烧器中的预混火焰通常处于湍流环境下，为了探究火焰自身不稳定性和自加速性在湍流预混火焰中的作用，本文针对自加速特征较为明显的稀混氢气火焰进行了湍流环境下的试验。试验结果表明弱环境湍流条件下火焰自身不稳定所导致的两阶段自加速特征仍然存在。但是，随着环境湍流的增强，火焰越来越早地发生自加速，且由于环境湍流对火焰的进一步加速作用，原本各阶段转换时火焰速度增长趋势的突变现象变得越来越不明显，且阶段之间的差异变得越来越小，最终导致火焰速度呈现单阶段的自相似增长规律，即火焰速度逐渐被湍流状态所主导。

目录

声明

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究目标和内容

2 试验与火焰图像量化处理方法

2.1 定容燃烧弹试验系统

2.2 火焰图像的信息提取

2.3 本章小结

3 弱热质扩散不稳定性火焰的胞状化及自加速现象

3.1 当量比对乙炔火焰速度与胞状化现象的影响

3.2 压力对乙炔火焰胞状化过程的影响

3.3 胞状化现象对乙炔球形火焰的加速作用

3.4 本章小结

4 强热质扩散不稳定性火焰的胞状化及自加速现象

4.1 当量比对火焰速度与火焰稳定性的影响

4.2 氢气火焰胞状化现象与火焰自加速的关系

4.3 氢气胞状火焰自加速过程的自相似分析

4.4 氢气燃烧过程的爆震压力振荡现象

4.5 本章小结

5 球形膨胀火焰的振荡自加速现象

5.1 含水量对乙醇火焰速度的影响

5.2 乙醇及含水乙醇火焰的胞状化临界半径

5.3 乙醇及含水乙醇胞状火焰的振荡自加速性

5.4 不同热质扩散特征火焰的胞状化及自加速现象异同

5.5 本章小结及层流试验总结

6 湍流场中的球形膨胀预混火焰

6.1 定容弹内风扇扰流场的湍流特征

6.2 弱湍流条件下的球形膨胀火焰

6.3 强湍流条件下的球形膨胀火焰

6.4 本章小结

7.全文工作总结及展望

7.1 全文工作总结

7.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间取得的学术成果及奖项

附录2 攻读博士学位期间参与的主要课题