预混火焰在狭缝中的传播机理与熄灭条件的研究

摘要

研究非稳态预混爆燃火焰在狭窄通道中传播，对于工业阻火器的设计与应用，以及管道或开敞空间中可燃气体的防燃抑爆等，均具有重要的意义。 该文主要针对二维非稳态爆燃火焰在狭缝中的传播机理与熄灭条件进行研究，旨在为可燃气体燃烧爆炸的防治以及阻火器的设计和应用等提供理论依据。 该文主要工作和结论： (1)基于Arrhenius燃烧模型、流体力学控制方程组、气体组分方程，建立了模拟预混非稳态爆燃火焰在平板狭缝中传播的二维理论模型。在改进的SIMPLE算法的基础上，采用VC++语言自己编制了适用于模拟爆燃火焰传播的二维数值计算程序。 (2)通过模拟质量传递、热量传递、动量传递、定容燃烧及空气在平板通道中的瞬态流动等算例，验证该文计算程序的有效性。然后，对一维预混乙炔-空气爆燃火焰的传播过程进行模拟，在计算燃烧速度和火焰厚度等火焰特性参数的同时，对数值解进行网格独立性分析。 (3)对预混乙炔-空气爆燃火焰在封闭-开放平板狭缝中的传播机理与熄灭条件进行了数值模拟。 1)研究了质量扩散和壁面散热对火焰形状形成的影响。结果发现，质量扩散的增强有利于郁金香状火焰的形成：当质量扩散系数小于或等于热扩散系数，即Lewis数大于或等于1时，火焰倾向于形成蘑菇形状；而当质量扩散系数大于热扩散系数，即Lewis数小于1时，火焰倾向于形成郁金香形状。壁面散热则不利于郁金香状火焰的形成：在绝热壁面条件下，当狭缝长高比小于40时，就可以形成郁金香状火焰；而在等温壁面条件下，只有当狭缝长高比小于30时，郁金香状火焰才能形成。 2)通过引入无因次准熄间距、热量补给速率等概念，综合研究了化学反应放热、壁面散热等因素与火焰的传播与熄灭之间的关系，提出了预混火焰在平板狭缝中的传播与熄灭判据。 (4)采用实验与数值模拟相结合的方法对预混乙炔-空气爆燃火焰在平板狭缝中传播与熄灭进行了研究。该文利用高速数字摄像系统对预混乙炔-空气爆燃火焰在平板狭缝中传播与熄灭进行了实验研究，结果发现，当狭缝高度一定时，熄灭长度与临界火焰传播速度近似呈线性关系。与实验相对应的计算结果也证实了这一结论。计算结果与实验结果在总体趋势上是完全一致的。

目录

文摘

英文文摘

前言

1文献综述

1.1预混火焰在圆管或平板通道中的传播

1.1.1预混火焰在圆管或平板通道中传播的一维理论

1.1.2预混火焰在圆管或平板通道中传播的二维理论

1.2预混火焰在狭缝中的传播与熄灭

1.2.1机械阻火器

1.2.2理论研究

1.3火焰的不稳定性及不同火焰结构的形成

1.3.1扩散-热不稳定性和网眼状火焰的形成

1.3.2水力学不稳定性和郁金香状火焰的形成

1.4不同通道结构设置下火焰的传播

1.4.1封闭-封闭通道

1.4.2开放-封闭通道

1.4.3封闭-开放通道

1.4.4开放-开放通道

1.5数值方法

1.5.1数值方法简介

1.5.2有限容积法简介

1.5.3 SIMPLE算法

1.5.4 SIMPLE算法的改进

1.5.5结语

1.6小结

1.7本课题研究技术路线

参考文献

2控制方程组与数值方法

2.1几何模型

2.2控制方程组

2.3燃烧模型

2.4输运特性参数

2.4.1动力粘度和导热系数

2.4.2质量扩散系数

2.5计算方法

2.6边界条件

2.6.1边界条件的数值处理方法

2.6.2边界条件

2.7初始条件

2.8小结

参考文献

3计算程序的有效性与数值解的网格独立性分析

3.1对具有解析解的算例的计算

3.1.1无反应传递过程

3.1.2化学反应过程-定容爆燃

3.2空气在平板通道中的瞬态流动过程模拟与PIV实验

3.2.1数值模拟

3.2.2 PIV实验及其与计算结果的比较

3.3一维预混乙炔-空气爆燃火焰的数值模拟

3.3.1一般介绍

3.3.2一维预混乙炔-空气爆燃火焰的数值模拟

3.3.3输运特性参数对火焰特性及其前后流场的影响

3.3.4网格独立性分析

3.4小结

参考文献

第四章二维预混乙炔-空气爆燃火焰在绝热平板狭缝中的传播

4.1平面点火条件下预混绝热火焰在平板狭缝中的传播(APL)

4.1.1标准条件下火焰在平板狭缝中的传播(APL1)

4.1.1标准条件下火焰在平板狭缝中的传播(APL1)4.1.1.1火焰的传播与火焰形状的形成

4.1.1标准条件下火焰在平板狭缝中的传播(APL1)4.1.1.2火焰锋面前边界层的发展

4.1.2粘度增加对火焰传播的影响(APL2)

4.1.3狭缝高度对火焰传播的影响(APL3)

4.1.4质量扩散对火焰传播的影响(APL4)

4.1.5结果讨论

4.2点点火条件下预混绝热火焰在平板狭缝中的传播(ASK)

4.2.1标准条件下预混火焰在平板狭缝中的传播(ASK1)

4.2.2狭缝高度对火焰传播的影响(ASK2)

4.2.3结果讨论

4.3 小结

参考文献

第五章二维预混爆燃火焰在非绝热平板狭缝中的传播与熄灭

5.1预混爆燃火焰在二维封闭-开放平板狭缝中的传播与熄灭

5.1.1平面点火条件下预混火焰在非绝热平板狭缝中的传播与熄灭(IPL)

5.1.1平面点火条件下预混火焰在非绝热平板狭缝中的传播与熄灭(IPL)5.1.1.1标准条件下预混火焰在平板狭缝听传播与熄灭(IPL1)1

5.1.1平面点火条件下预混火焰在非绝热平板狭缝中的传播与熄灭(IPL)5.1.1.1标准条件下预混火焰在平板狭缝听传播与熄灭(IPL1)2

5.1.1平面点火条件下预混火焰在非绝热平板狭缝中的传播与熄灭(IPL)5.1.1.2狭缝高度对火焰与熄灭的影响(IPL2)

5.1.1平面点火条件下预混火焰在非绝热平板狭缝中的传播与熄灭(IPL)5.1.1.3结果讨论

5.1.2点点火条件下预混火焰在非绝热平板狭缝中的传播与熄灭(ISK)

5.2预混爆燃火焰在二维开放-开放平板狭缝中的传播与熄灭

5.2.1实验研究

5.2.2数值模拟

5.2.3结果讨论

5.3 小结

参考文献

第六章结论与展望

6.1本文主要结论

6.2展望

创新点摘要

主要符号对照表

表格索引

图例索引

附录不同时刻火焰锋面前后流场各参数的空间分布（算例APL3-1）1

附录不同时刻火焰锋面前后流场各参数的空间分布（算例APL3-1）2

致谢

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