多组分燃气旋流预混合燃烧特性研究

摘要

低旋流燃烧（简称LSC）技术是一种背离传统回流稳焰机理的燃烧方式，利用低旋转扩散无回流湍流流动方式稳定自由传播湍流火焰。低旋流喷嘴(LSI)具有结构简单、成本低廉、易于适配现有燃机、NOX排放低等特点。因此，对低旋流燃烧的研究具有重要的应用价值和学术意义。
　　本文自行设计了燃烧室腔体并加装在燃烧实验台上，使用丙烷、甲烷以及掺氢甲烷混合气作为燃料。通过更换低旋流喷嘴中心孔板来改变旋流器的旋流数，主要使用的旋流数为S=0.521、0.545、0.575、0.623。本文中分别使用光谱仪对低旋流贫预混燃烧的火焰频谱进行测量;使用Canon EOS7D相机对低旋流贫预混燃烧的火焰形态进行拍摄;使用B型双铂铑热电偶对低旋流贫预混燃烧的火焰轴向和径向温度进行测量;使用便携式烟气分析仪对低旋流贫预混燃烧的火焰污染物排放进行测量。得出以下结论:
　　(1)甲烷、掺氢甲烷混合气燃烧过程中随着旋流数S的增加，OH和CH自由基的相对能量值随之减小。(2)蓝色火焰由“W”型变成扫帚型，随着旋流数的增加火焰前缘和喷口的距离缩短。随着燃料C-H比的减小，火焰的颜色明显变淡。在甲烷中掺混氢气后，火焰长度也会随之缩短。(3)在蓝色火焰温度轮廓峰值的两侧存在高温区。随着旋流数增加，高温区变窄并且蓝色火焰温度轮廓线两侧温度梯度变陡。在旋流数大于一定数值时（临界旋流数S0在0.575-0.598之间），火焰上端温度会由双峰型变为抛物线型。(4)随着旋流数S的增加，低旋流火焰中心径向温度逐渐降低。(5) LSI的NOX和CO的排放水平主要取决于气体的组分和热负荷。随着旋流数S的增加，低旋流火焰的EINOx随之增大。(6)在相同工况条件下，低旋流火焰的燃烧效率高于高旋流火焰。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究目的及意义

1．3 国内外研究现状及发展趋势

1．3．1 低旋流机理的研究

1．3．2 低旋流流场及火焰研究

1．3．3 其他方向相关研究

1．4 理论基础

1．4．1 氮氧化物的生成机理

1．4．2 低旋流燃烧的基础理论

1．5 本文主要研究内容

第2章 实验中使用的设备及测量方法

2．1 燃烧实验台

2．1．1 气体的供给及控制

2．1．2 点火及U-V火焰检测系统

2．1．3 旋流燃烧器

2．2 测温系统

2．2．1 热电偶

2．2．2 数据采集仪

2．2．3 坐标测量仪及控制器

2．3 瞬态光谱测量系统

2．3．1 光谱仪

2．3．2 ICCD相机

2．3．3 Canon EOS 7D相机

2．4 燃烧产物测量系统

2．4．1 烟气分析仪

2．4．2 燃烧室腔体

2．5 温度修正

2．6 燃烧效率计算

2．7 本章小结

第3章 低旋流火焰瞬态光谱特性及火焰形态研究

3．1 瞬态光谱测量系统

3．2 实验流程

3．3 实验结果及分析

3．3．1 甲烷燃烧的火焰形态及频谱

3．3．2 掺氢甲烷混合气燃烧的火焰形态及频谱

3．3．3 丙烷燃烧的火焰形态

3．3．4 丙烷燃烧的可见火焰高度

3．3．5 当量比变化对于低旋流火焰形态的影响

3．4 本章小结

第4章 低旋流火焰温度特性研究

4．1 火焰温度测量系统

4．2 实验流程

4．3 实验结果及分析

4．3．1 不同高度的火焰温度分布

4．3．2 不同叶片角对火焰温度的影响

4．3．3 不同旋流数对火焰温度的影响

4．3．4 不同组分燃料对火焰温度的影响

4．3．5 不同旋流数对火焰中心径向温度的影响

4．3．6 不同当量比对火焰中心径向温度的影响

4．4 本章小结

第5章 低旋流燃烧产物特性研究

5．1 燃烧污染物测量系统

5．2 实验流程

5．3 实验结果及分析

5．3．1 排放指数计算

5．3．2 NO排放指数EINOx

5．3．3 CO排放指数EICO

5．3．4 燃烧效率及H2排放

5．3．5 燃烧室腔体对低旋流火焰形态的影响

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 研究工作总结

6．2 研究展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

作者简介