射流扩散火焰驻定特性的实验研究

摘要

火焰驻定一直是燃烧学界的研究热点，自由射流扩散火焰与不同伴流条件下射流扩散火焰的驻定极限及驻定特性的研究具有重要的学术价值和应用价值。与此同时，随着日益提高的环保要求，可再生替代燃料的燃烧特性研究也受到广泛关注。本文围绕射流扩散火焰的驻定特性，开展了如下实验研究。
　　首先针对燃料射流喷管出口的壁面厚度对扩散火焰驻定特性的影响开展实验研究。在常温无伴流的扩散燃烧实验台上，设计两种射流管内径(2mm/3mm)、两种射流情况（自由射流/受限射流）以及喷管出口处不同壁厚(范围为0.25mm～16.5mm)的射流扩散火焰，研究壁厚对射流扩散火焰抬举和吹熄特性的影响，实验结果表明喷管出口处的壁厚对射流扩散火焰的初始抬举速度以及吹熄速度有着显著影响。喷管内径为2mm时，当壁厚从0.25mm增大至2mm的过程中，火焰的吹熄速度显著增大;当壁厚从2mm增大至4mm时，吹熄速度显著减小;壁厚继续增大至9mm及16mm时，吹熄速度基本保持不变;即壁厚为2mm时的吹熄速度达到最大值。用此最大吹熄速度对不同壁厚的吹熄速度进行归一化后，甲烷和丙烷的吹熄速度随壁厚的变化趋势基本一致。在内径3mm喷管上，甲烷射流扩散火焰吹熄速度随壁厚的变化趋势也类似，即随着壁厚的增大，吹熄速度先增大后减小最终基本保持不变。
　　其次以低热值气体燃料燃烧为背景，实验研究了稀释气种类(N2/CO2)、燃料种类（甲烷/丙烷）及喷管直径(2mm/3mm)等多种因素影响的条件下射流扩散火焰的初始抬举速度和吹熄速度随稀释浓度（定义为稀释气体占燃料与稀释气的混合气的摩尔比）的变化规律。实验表明，存在着一临界稀释浓度，达到此浓度时附着火焰不能转变为稳定存在的抬举火焰，其大小受稀释气种类、燃料种类及射流管径的影响。实验中的甲烷和丙烷的临界稀释浓度可能受不同机制的控制。确定临界稀释浓度及纯燃料的火焰初始抬举速度和吹熄速度后，即可在射流速度与稀释浓度构成的二维空间图上近似确定此稀释燃料射流扩散火焰的状态分区（附着、抬举及吹熄）。
　　接着分别在内径为1mm、1.5mm、2mm及3mm的射流喷管上开展二甲醚(替代燃料）和丙烷（液化石油气的主要成分）的自由射流扩散火焰驻定极限的对比实验研究，得到以下结果:在1mm～1.5mm范围内，存在一个临界大小的管径，使得二甲醚由不存在稳定抬举火焰（即发生直接吹熄）向存在稳定抬举火焰过渡转变;在实验所用管径范围内，二甲醚的火焰吹熄速度为丙烷值的一半，二甲醚的初始抬举速度和再附着速度稍大于丙烷的值，二甲醚抬举火焰的最大功率占丙烷值的约1/3，二甲醚附着火焰的最大功率稍小于丙烷的值。然后在三种伴流条件下(无伴流的自由射流、伴流空气速度0.50m/s及0.88m/s)开展4mm射流管径时氮气稀释二甲醚或甲烷射流扩散火焰的初始抬举速度和吹熄速度随稀释浓度变化的实验研究，得到如下结果:稀释浓度较大时的二甲醚和甲烷自由射流扩散火焰呈现振荡抬举火焰(oscillating lifted flame)状态，有空气伴流的条件下则无振荡抬举火焰现象;在射流速度或雷诺数与稀释浓度构成的二维空间图上展现了不同伴流条件下各状态火焰（附着、抬举及吹熄）的位置分区;在三种伴流条件下，两种燃料发生火焰初始抬举、吹熄(blowout)及直接吹熄(blowoff)时的射流速度或雷诺数与稀释浓度都呈近似线性的变化关系。伴流速度由0.50m/s增至0.88m/s后，各个稀释浓度的二甲醚或甲烷的火焰初始抬举速度和吹熄速度均减小;与稀释二甲醚相比，伴流速度的增大对稀释甲烷的初始抬举速度和吹熄速度的减小效果更显著。
　　最后设计搭建了中高温空气伴流的射流扩散燃烧实验台，伴流空气的速度和温度可控可调，能开展气体燃料或低沸点液体燃料预蒸发的射流扩散燃烧实验，也能开展伴流空气温度高于燃料着火点的燃料射流自点火实验。在此实验台上开展了452K、520K、570K、640K四种温度的空气伴流条件下氮气稀释丁醇和乙醇的预蒸发射流扩散火焰驻定特性的研究。实验结果表明，氮气稀释丁醇或乙醇的预蒸发射流扩散火焰的初始抬举速度和吹熄速度均随着伴流空气温度的升高而增大、随着稀释浓度的增大而减小。在相同伴流空气温度和相同稀释浓度的条件下，氮气稀释丁醇预蒸发射流扩散火焰的初始抬举速度和吹熄速度均明显大于乙醇对应的值。此外，氮气稀释丁醇或乙醇的预蒸发射流扩散火焰的尺度化初始抬举速度（即初始抬举速度除以混合气中燃料所占摩尔分数）与当地的当量混合层流火焰传播速度SLst在不同的伴流空气温度时均有统一的线性关系，而丁醇或乙醇火焰的尺度化吹熄速度（即吹熄速度除以燃料的摩尔分数）在不同伴流空气温度时与当地SLst各自具有较好的线性关系。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 射流扩散火焰的研究意义、典型特征及燃烧诊断

1．1．1 射流扩散火焰的研究意义

1．1．2 射流扩散火焰的典型特征

1．1．3 燃烧诊断概述

1．2 常温条件下射流扩散火焰的研究进展

1．2．1 层流抬举火焰的驻定机理

1．2．2 湍流抬举火焰的驻定机理

1．2．3 伴流空气速度对射流扩散火焰的影响‘

1．2．4 伴流空气组分对射流扩散火焰的影响

1．2．5 射流喷管结构对射流扩散火焰的影响

1．2．6 射流燃料稀释对射流扩散火焰的影响

1．3 高温伴流条件下射流扩散火焰的研究进展

1．3．1 研究意义

1．3．2 高温空气伴流燃烧实验台

1．3．3 贫燃预混气的高温燃烧尾气伴流燃烧实验台

1．3．4 高温伴流条件下的火焰驻定机理

1．4 本文的主要内容

第2章 喷管出口处的壁厚对常温无伴流的射流扩散火焰驻定特性的影响

2．1 研究背景

2．2 实验平台与实验步骤

2．3 射流喷管出口处的壁厚对火焰驻定特性的影响

2．4 火焰吹熄速度的计算模型及评价

2．5 受限空间对火焰驻定特性的影响

2．6 射流喷管内径和燃料种类对火焰驻定特性的影响

2．7 本章小结

第3章 燃料稀释对常温无伴流的射流扩散火焰驻定特性的影响

3．1 研究背景

3．2 实验平台与实验方法步骤

3．3 纯燃料的火焰初始抬举、再附着及吹熄速度

3．4 稀释对火焰抬举和吹熄影响的结果分析

3．4．1 稀释对火焰初始抬举速度和吹熄速度的影响

3．4．2 临界稀释浓度

3．5 稀释对火焰抬举和吹熄影响的原因分析

3．5．1 稀释对当量混合层流火焰速度的影响

3．5．2 稀释对射流浓度场的影响

3．5．3 稀释对燃烧放热的影响

3．6 本章小结

第4章 常温无伴流和常温空气伴流时的二甲醚射流扩散火焰的驻定特性

4．1 研究背景

4．2 射流管径对常温无伴流的二甲醚射流扩散火焰驻定特性的影响

4．2．1 实验平台与实验内容

4．2．2 二甲醚自由射流扩散火焰的图像及分析

4．2．3 二甲醚和丙烷的火焰初始抬举、再附着及吹熄速度

4．2．4 二甲醚和丙烷的附着火焰及抬举火焰的最大功率

4．3 常温空气伴流的速度对氮气稀释二甲醚射流扩散火焰驻定特性的影响

4．3．1 实验平台与实验内容

4．3．2 火焰图像及分析

4．3．3 伴流条件对两种燃料火焰驻定极限的影响

4．3．4 两种燃料在同一伴流条件下火焰驻定极限的对比

4．4 本章小结

第5章 中温空气伴流时氮气稀释丁醇／乙醇预蒸发射流扩散火焰的驻定特性

5．1 研究背景

5．2 实验平台

5．2．1 伴流空气加热装置及高温空气管路

5．2．2 液体燃料的泵及预蒸发加热系统

5．2．3 温度测量及控制系统

5．3 实验方法步骤

5．4 氮气稀释丁醇火焰的初始抬举速度和吹熄速度

5．4 氮气稀释乙醇火焰的初始抬举速度和吹熄速度

5．5 氮气稀释丁醇与乙醇火焰初始抬举速度和吹熄速度的比较

5．6 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 创新和特色

6．3 工作展望

参考文献

致谢

在读期间已发表论文