贫燃旋流预混燃烧室回火行为实验研究

摘要

随着人们环保意识的提高，清洁高效的低污染燃烧技术得到了广泛发展，由于贫燃预混燃烧技术具有低污染、低能耗、高效率的优点，因此，已经成为国际性的热点问题。但是，当燃烧条件偏离化学当量比时，贫燃预混燃烧易引发吹熄及回火问题，造成燃烧不能在稳定条件下进行，从而极大地滞后了贫燃预混燃烧技术的发展。　　为了分析贫燃预混燃烧过程中的回火不稳定性规律，获得不同实验条件下燃烧室内的角回流区回火极限，本文利用PIV系统和高速摄影仪，研究了燃烧室内的冷热态流场特性及燃烧火焰的角回流区回火行为，主要工作内容及研究结论包括:　　(1)构建了包括燃烧室、示踪粒子发生器、数据采集系统、实验调节与控制系统的贫燃旋流预混燃烧室实验平台，能够通过PIV系统获得燃烧室内流场特征，并利用高速摄影仪获得燃烧室内火焰形态，以此作为进行贫燃预混燃烧室回火行为研究的基础;　　(2)利用实验平台，首先进行旋流作用下燃烧室内的冷态流场特性研究。结果发现，冷态流场结构包括角回流区、中心回流区及剪切层，在冷态流场内能够看到涡旋进动现象的生成及发展经过，且改变实验条件，燃烧室冷态流场均能保持在稳定结构。入口压力增大时，流场内回流区长度和宽度均减小，回流区的中心位置向燃烧室的上游移动，且最大回流速度提高，而燃烧室突扩比对流场分布的影响规律与入口压力相反;　　(3)在燃烧室平台上，研究了贫燃旋流预混燃烧室内的热态流场特性。研究发现，热态流场结构包括角回流区、中心回流区及剪切层，在热态流场中能清晰地观察到涡旋进动现象，且改变实验工况条件，燃烧室热态流场均能保持在稳定结构。回流区长度随进气速度的升高而减小，最大回流速度随进气速度的升高呈增大的趋势，回流区的中心位置随进气速度的升高向燃烧室的上游方向移动;　　(4)对比燃烧室内的冷态与热态流场特性，得到了以下两点不同:　　①在热态条件下，燃烧室内流场分布更加不规则，与冷态时相比，角回流区结构更加不明显;　　②燃烧室内冷态流场与热态流场的回流区的位置不同，热态条件下回流区的中心位置向燃烧室的下游移动，回流区的长度增大，且燃烧状态下的最大回流速度比冷态时小:　　(5)研究了燃烧室突扩比和空气进气量对燃烧火焰贫燃吹熄极限的影响，结果发现，空气量相同时，吹熄极限随突扩比的增大而增大，突扩比不变时，吹熄极限随空气进气量的增大而减小，且随着突扩比的增加，增大相同范围的空气进气量时吹熄极限减小的范围增大;　　(6)在当量比增大的过程中能观察到角回流区回火，且火焰进一步向燃烧室的上游传播就会出现预混段回火，在预混管内安装中心钝体能有效的阻止回火的发生，且当量比增大的过程中火焰颜色由淡蓝色变为明亮的蓝色。另外，进气速度对火焰的回火特性的影响不大，而旋流器高度及突扩比对火焰回火的影响很大，研究发现，不同进气速度时的火焰回火极限均在当量比为0.65左右，在旋流器高度为40mm或燃烧室突扩比为3.1时，回火现象尤其明显。

目录

声明

摘要

引言

1 文献综述

1．1 贫燃预混燃烧技术

1．2 贫燃预混燃烧室的燃烧不稳定性问题

1．2．1 燃烧不稳定性理论

1．2．2 燃烧火焰回火机理

1．3 燃烧室流场测量的国内外研究进展

1．3．1 几种常见的流场测量方法

1．3．2 PIV技术原理及应用

1．3．3 PIV流场测量的国内外研究现状

1．4 贫燃预混燃烧回火的国内外研究进展

1．5 本文主要内容及研究技术路线

2 实验系统与测试方法

2．1 贫燃预混燃烧实验系统

2．2 燃烧室设计

2．3 实验辅助系统

2．3．1 点火装置

2．3．2 燃科供气系统

2．3．3 示踪粒子系统

2．4 实验测试系统

2．4．1 流量采集系统

2．4．2 火焰拍摄记录系统

2．4．3 PIV系统

2．5 当量比

2．6 实验流程

2．7 本章小结

3 贫燃旋流预混燃烧室的流场特性

3．1 PIV实验准备工作

3．1．1 燃烧室实验平台调试

3．1．2 PIV系统预调试工作

3．1．3 示踪粒子选取

3．2 突扩燃烧室内冷态流场的PIV实验研究

3．2．1 燃烧室内冷态流场结构及速度分布

3．2．2 入口压力对冷态流场的影响

3．2．3 突扩比对冷态流场的影响

3．2．4 涡旋进动过程

3．3 贫燃预混燃烧室内热态流场的PIV实验研究

3．3．1 燃烧室内热态流场结构及速度分布

3．3．2 进气速度对热态流场的影响

3．3．3 冷态流场与热态流场的对比分析

3．4 本章小结

4 贫燃预混燃烧回火特性实验研究

4．1 燃烧火焰形态

4．1．1 贫燃吹熄火焰

4．1．2 稳定火焰

4．1．3 回火火焰

4．2 贫燃预混燃烧火焰回火特性研究

4．2．1 当量比对回火的影响

4．2．2 进气速度对回火的影响

4．2．3 旋流器高度对回火的影响

4．2．4 突扩比对回火的影响

4．2．5 中心钝体对回火的影响

4．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢