含氧生物燃料的燃烧速度及湍流火焰结构测量研究

摘要

随着化石能源危机的出现和对生态环境的重视，生物燃料的大规模应用开始进入世界舞台。生物燃料泛指由生物质组成或萃取而成的固态、液态或气态可燃物。由于组分含氧，生物燃料具有区别于烃类燃料的特性。因此，为安全、高效、清洁地利用这些含氧生物燃料，了解其燃烧特性，如层流火焰速度、中间产物的分布及变化、污染物排放等，具有十分重要的意义。本文分别以预混层流绝热燃烧火焰速度和湍流火焰结构作为切入点，研究生物液体燃料和生物气体燃料燃烧特性。目前生物醇类的重要应用之一是与汽油混合配制成醇类汽油作为发动机燃料，以改善防爆功能及优化燃烧。因此，醇类添加物对汽油燃烧的影响及其机理受到了广泛的关注。生物合成气的一个主要利用方式为湍流预混燃烧，而燃烧器结构、燃料稀释剂、湍流强度等，均影响着湍流火焰的相互作用。本文选取燃烧器出口壁厚为变量研究生物合成气湍流火焰特性。
　　本文自行搭建预蒸发预混燃烧试验系统，利用热流量法和本生灯法，对甲/乙醇-TRF燃料层流火焰速度进行测量。结果表明，添加醇类有利于汽油燃烧，且醇类含量越大，混合燃料的燃烧速度越快。各燃料在初温升高时层流火焰速度增大，如 E20在338K和353K初温下的测得的最高速度分别为47.99cm/s和49.96cm/s。为理解醇类对汽油燃烧影响的动力学机理，本文利用CHEMKIN3.7对甲/乙醇-n-庚烷层流燃烧进行模拟计算。 OH、H等触发支链反应的自由基浓度，抑制了CH3和 C2H3等引发链终止反应的自由基浓度。不同当量比下影响层流火焰速度的关键反应有所改变，H+O2<=> O+OH（R291）在则任何工况下均具有最大的正敏感因子，且随着当量比的增加而增加，这解释了添加醇类在富燃工况影响更大的现象。
　　本文以Sandia实验室标准火焰B为基础并改变喷嘴的壁厚，研究生物合成气（30％H2+30%CO+40%N2）湍流火焰结构和熄火特性。采用激光诱导荧光技术拍摄火焰OH瞬态图，发现随着火焰高度增加，火焰结构因火焰旋转及空气卷吸而变得更加错综复杂。当高度继续增加时，OH信号出现不连续分布，即出现局部熄火现象。随喷嘴壁厚变厚，火焰面宽度的初始增长速率线性降低，增长速度的拐点分别出现在喷嘴出口下游5.89mm，8.25mm和12.85mm处。壁厚的改变不明显改变火焰形状及熄火事件发生的频率，熄火事件的发生略向下游移动。

目录

声明

致谢

1绪论

1.1课题研究意义

1.2含氧生物燃料燃烧特性

1.3激光诱导荧光技术简介

1.4国内外研究现状

1.5课题的研究内容

2试验仪器及系统介绍

2.1燃料供给及控制系统

2.2燃烧测速试验系统

2.3 PLIF实验系统

3醇类掺混对TRP层流火焰速度的影响

3.1替代汽油混合燃料及工况

3.2液体燃料测速实验系统标定

3.3甲醇对汽油层流燃烧速度的影响

3.4乙醇对汽油层流燃烧速度的影响

3.5本章小结

4燃烧机理分析和基于PLIF技术的湍流火焰结构测量

4.1 OH-PLIF图像的数据处理

4.2动力学机理分析原理

4.3生物乙醇/烃类预混层流燃烧动力学机理分析

4.4生物质合成气湍流扩散火焰稳定性研究

4.5本章小结

5总结及展望

5.1全文工作总结

5.2主要创新点

5.3未来研究展望

参考文献

附录

附录1：本生灯法速度提取

附录2：湍流扩散火焰结构及熄火事件的提取

作者简介