平焰燃烧速度场的PIV测试研究

摘要

平焰燃烧是近代发展起来的技术，具有加热均匀、覆盖面积广、污染小等特点，在工业加热领域得到了广泛应用，其燃烧火焰结构与流动特性研究对进一步优化燃烧器结构有着重要的意义。早期火焰流动研究一般建立在冷态实验的基础上，随着对燃烧流场研究的不断深入，利用冷态实验来模拟燃烧状况已不能满足研究的要求，需要对燃烧流场直接进行测量。燃烧火焰可视化技术成为解决这一问题的一个重要途径，PIV（粒子成像测速技术）的应用是较为成熟的主要研究方法之一，克服了以往单点测速技术的局限性，实现了对流场的瞬态、全场的定量测量。 本文采用PIV 方法进行了平焰燃烧流场的研究。首先，设计并建立了扩散火焰实验台，初步实现了火焰内部的流动可视化。并自行设计了供粉均匀、速率可控的粒子供粉器，探索并掌握了燃烧流场PIV 测试方法与参数，并对扩散火焰反应流场和无反应流场进行了比较，研究了不同形状稳焰器对燃烧火焰的影响。其次，针对平焰燃烧试验炉燃烧火焰，进行了火焰流场的PIV 测试，并分析了平焰燃烧火焰结构特征，相对于无反应流，平焰有反应流的附壁射流区厚度薄，中心回流区半径大。 对于扩散型火焰，反应流和无反应流径向速度的曲线相近，类似于抛物线形，对于轴向的速度，无反应流的轴向速度衰减快，而反应流的轴向速度基本没有明显的衰减；加60mm 的圆盘和60mm 的V 型稳焰器火焰的稳定效果要优于不加圆盘、或加20mm和40mm 的圆盘和V 型稳焰器；对于平焰来说，在实际的燃烧过程中附壁射流区的厚度变薄，半径方向和中心回流区逐渐增加；预混的流场比非预混的流场在支持平展流上效果要好；空气过剩系数1.23 和1.37 的流场效果要优于1.06 的流场。 本研究对火焰结构与流场认识，燃烧器优化与工业炉窑优化设计等有着重要的指导意义。