Rijke管丙烷非预混脉动燃烧火焰结构及稳定性

摘要

微燃烧器是微型机电系统的核心部件，但现有微燃烧器都是基于连续燃烧方式，在微尺度效应的作用下，燃烧器内易出现工作不稳定、燃烧不完全、燃烧效率和热效率低、污染物排放浓度高等问题。脉动燃烧具有燃烧效率高、燃烧强度大、传热效率高和污染物排放少等优点，或可克服现有微燃烧技术难题。在此背景下，课题组提出了一种微脉动燃烧技术概念，并通过实验验证微脉动燃烧的可行性。
　　目前脉动燃烧器的研究多基于常规尺寸，对小/微管径脉动燃烧器运行特性认识不足。本文对直径10-25mm的小/微管径石英Rijke管进行了不同工况下的丙烷脉动燃烧实验，通过脉动声波和火焰图像高频采集的方法分析了小/微管径下Rijke型脉动燃烧的运行特性、稳定性和火焰特性。
　　本课题的主要结论有:
　　1、在脉动燃烧运行特性方面，内径为12.7mm的石英管烧嘴高度为60mm时，脉动燃烧运行工况可以分为低频稳定区、高频区、高次谐波区和湍动区四个区域，脉动过程中前三者能稳定持续运行，湍动区容易熄火;该管径脉动燃烧器运行过程中存在频率跳跃现象，跳频过程以“低频衰减、高频增强、频率替代”的模式完成;Rijke管脉动时高温区域集中在火焰位置，并且沿轴向温度梯度较大。
　　2、在稳定性研究方面，绘制了不同管径不同热源高度下关于空气流量和丙烷流量的脉动燃烧稳定性运行图谱;小/微管径Rijke管内的非预混脉动火焰相位符合“瑞利准则”;小/微管径中的脉动燃烧火焰存在逆向传播、“振熄”和火焰飘离等现象。
　　3、在非预混脉动火焰特性研究方面，Rijke型非预混脉动燃烧火焰是正弦波动的，火焰波动参数与空气流量和丙烷流量成线性关系;热源高度增加导致脉动燃烧振动强度减小。
　　4、在外径为9.9mm的石英管中能实现脉动频率分别为360.5Hz和996.4Hz的微型预混型脉动燃烧，其能量密度可达500kW/m2。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 研究背景及意义

1．2 脉动燃烧技术及研究现状

1．2．1 脉动燃烧技术简介

1．2．2 脉动燃烧技术的应用

1．2．3 脉动燃烧国内研究概况

1．2．4 脉动燃烧国外研究概况

1．3 微燃烧与微脉动燃烧

1．3．1 微燃烧技术及其研究现状

1．3．2 微脉动燃烧

1．4 课题研究内容与目标

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究目标

2 脉动燃烧实验平台及研究方法

2．1 Rijke型脉动燃烧实验平台设计

2．1．1 Rijke型脉动燃烧器的结构

2．1．2 燃气、空气供给

2．2 Rijke型脉动燃烧的研究方法

2．2．1 声波采集及分析

2．2．2 红外热像图片采集及分析

2．2．3 火焰图像采集及分析

3 Rijke型脉动燃烧器的运行特性

3．1 引言

3．2 非预混脉动燃烧运行工况分区

3．3 非预混脉动燃烧跳频现象

3．4 Rijke型脉动燃烧器表面温度分布

3．5 微型Rijike型脉动燃烧器

3．6 本章小结

4 Rijke型脉动燃烧稳定性研究

4．1 引言

4．2 Rijke型脉动燃烧宏观稳定特性

4．3 Rijike型脉动燃烧微观稳定特性

4．3．1 脉动燃烧火焰的热声相位

4．3．2 振熄现象及其抑制

4．4 本章小结

5 Rijke型脉动燃烧的火焰特性

5．1 火焰的波动特性

5．2 火焰飘离现象

5．3 空气、丙烷流量对火焰波动特性的影响

5．4 火焰的传播特性

5．5 热源高度对火焰的影响

5．6 本章小结

6 结论

7 展望

参考文献

9 攻读硕士学位期间发表论文情况

致谢