基于Damköhler数的层流扩散火焰抑制评价数值模拟

摘要

现实火灾场景中会涉及多种燃料的混合燃烧，燃料种类的多样化导致了燃烧过程的复杂化，燃烧过程中包含了热力学、化学动力学、流体力学和输运现象。燃烧问题是多尺度的，在预混燃烧中不同反应的化学时间尺度存在十分巨大的差异;而在扩散燃烧中同时存在着化学反应时间尺度和混合时间尺度，化学作用和扩散作用相互耦合。数值模拟方法在研究实验中难以测量的燃烧中的微观变化有着独特的优势。因此，使用计算机数值模拟方法研究混合燃料的预混火焰结构和扩散火焰中化学与混合的耦合作用，对于全面了解燃烧进程有着十分重要的意义。
　　本文采用化学动力学数值模拟，对混合燃料的预混火焰结构及燃烧特性进行研究，分析混合比率对点火延迟时间、火焰厚度、层流燃烧速度、化学反应滞留时间及组分分布情况的影响。以乙醇/氢气/空气混合气体为研究对象进行数值模拟，研究发现一定程度上氢气含量的增加能够缩短混合气体的点火延迟时间，并且氢气对点火延迟时间的影响随着温度的升高而逐渐减小。随着混合比率的增大，层流燃烧速度增大，并且在混合比率大于0.4时显著增大。火焰厚度及化学反应滞留时间随氢气增加而逐渐减小，氢气含量增加能够明显改善燃料在贫燃情况下的燃烧特性。此外，进一步分析组分分布情况得知氢气添加使火焰中H、O、OH自由基浓度峰值增大，并且H+O+OH浓度峰值与层流燃烧速度存在线性关系。
　　为研究扩散火焰中化学与混合的耦合作用，本文提出基于Darnk(o)hler数的灭火添加剂火焰抑制效果评价的思路，选择详细机理较简单的氢气进行二维轴对称同向流扩散火焰的模拟，旨在通过分析Damk(o)hler数的变化研究灭火添加剂的扩散作用及化学作用对火焰抑制效果的影响。通过对未添加及添加1％的Br2对氢气预混火焰和同向流扩散火焰的影响进行数值模拟，研究灭火添加剂对温度及主要自由基的影响，并在扩散火焰中通过层流火焰理论计算两种火焰的化学特征时间及混合特征时间得到Damk(o)hler数，提出基于灭火添加剂的标量耗散率，研究灭火添加剂的扩散作用及化学作用对氢气同向流扩散火焰的影响。研究发现灭火添加剂的火焰抑制循环使火焰中化学作用增强。添加灭火添加剂后在径向大部分区域火焰的Damk(o)hler数均低于未添加情况下，灭火添加剂减少火焰燃烧区域，并使燃烧区域的反应剧烈程度下降。从火焰根部到火焰顶端，抑制作用逐渐减弱。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 研究背景及意义

1．3 灭火添加剂抑制效果评价研究现状

1．4 研究内容及章节安排

参考文献

第二章 火焰模型及数值模拟方法

2．1 概述

2．2 预混火焰模型及其数值方法

2．2．1 预混火焰模型

2．2．2 预混火焰数值方法

2．3 扩散火焰模型及其数值方法

2．3．1 扩散火焰模型

2．3．2 扩散火焰数值方法

2．4 本章小结

参考文献

第三章 碳氢混合燃料精细火焰结构数值模拟

3．1 研究背景

3．2 计算模型及参数设置

3．2．1 化学动力学机理

3．2．2 燃烧模型设定

3．3 燃烧特性分析

3．3．1 点火延迟分析

3．3．2 层流燃烧速度

3．3．3 预混火焰厚度及化学反应滞留时间

3．3．4 组分分布

3．4 本章小结

参考文献

第四章 基于Damk(o)hler数的氢气层流扩散火焰抑制模拟研究

4．1 研究背景

4．2 计算模型设定

4．2．1 燃烧模型设定

4．2．2 详细化学反应机理

4．3 氢气层流预混火焰抑制分析

4．4 氢气同向流扩散火焰抑制分析

4．4．1 灭火添加剂对温度的影响

4．4．2 灭火添加剂对关键自由基的影响

4．4．3 基于Damk(o)hler数的火焰抑制分析

4．5 本章小结

参考文献

第五章 结论与展望

5．1 全文工作总结

5．2 下一步工作展望

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

致谢