射流引燃实现甲烷—空气混合气快速燃烧的基础研究

摘要

天然气发动机虽然应用较广，但也存在热效率不高、循环变动较大的问题。稀薄燃烧方式通过提高压缩比可以解决以上问题，但其燃烧速率较低。本文针对天然气燃烧速率慢的问题，以稀薄燃烧为研究条件，以实现甲烷-空气快速燃烧为研究目的，利用实验与仿真两种手段进行了以下研究：　　在定容燃烧弹中添加带孔横隔板实现对主燃烧室混合气的射流引燃，将其压力峰值、压力峰值出现时刻、dp曲线变化及火焰传播纹影照片与无隔板情况进行对比分析，讨论了孔径、初始压力、当量比对射流引燃燃烧特性的影响，根据不同的初始条件对射流引燃燃烧特性进行机制划分，定义表征参数使该机制划分具有普适性，计算分析射流速率与主燃烧室内火焰传播速率的影响关系。实验结果表明，在定容燃烧弹中添加带孔横隔板制造射流，可以加强主燃烧室中气流运动、影响组分浓度、实现高能点火，从而实现主燃烧室中混合气的快速燃烧。　　利用敏感性分析及准稳态假设(QSSA)对甲烷.空气的化学反应动力学模型进行简化，对比分析最终简化模型的精确性，分析该简化机理的链传播方式以及较关键的反应。结果表明：最终简化机理在稀燃时精度较好，可应用到仿真计算中。　　建立仿真计算所需要的数学物理模型，将仿真结果与实验结果进行对比分析以确定仿真模型的准确性。讨论了点火能量及时间步长对火焰传播初期的影响规律，分析了射流引燃燃烧过程中主要组分的浓度变化，探讨了H、O、OH自由基的浓度对主燃烧室燃烧时刻的影响。结果表明，主燃烧室的燃烧是由于H、O、OH自由基的浓度足够高即活化中心浓度足够高时所引起，其快速燃烧则是由于H、O、OH自由基较快达到了燃烧所需要的浓度。

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