预混V形火焰中火焰与流动相互作用的实验研究与数值模拟

摘要

预混气体燃烧在工业燃烧装置中获得越来越多的应用,深入研究预混燃烧的原理和技术,具有节约能源和减少污染的重大社会意义.预混V形火焰中火焰与流动的相互作用的研究关系到火焰结构,火焰传播,火焰稳定,火焰锋面不稳定性,烟黑过程,以及污染物形成等燃烧过程的一些基本环节.该文工作利用国家微重力实验室的地面燃烧实验台,综合使用多种试验手段对预混V形火焰的流场进行了详细的实验测量,主要研究了火焰传播的规律以及燃烧过程中的不稳定现象.介绍了Wollaston棱镜差分干涉仪的工作原理,用差分干涉法研究了预混V形火焰的的点火、熄火和回火过程的特性以及稳定杆对V形火焰的影响.发现在点火过程中火焰后的涡街的作用是明显的,而在火焰稳定之后,涡街的作用并不明显.介绍了相干反斯托克斯喇曼光谱法(CARS)的原理和应用方法,并用CARS测量了预混V形火焰的温度分布,测量了来流的当量比对火焰上方温度的影响.将CARS方法应用到预混V形火焰的燃烧,是该文的最主要工作,包括了大量的硬件和软件调试工作.通过该文的工作,国家微重力实验室的CARS实验系统,从软件和硬件方面均已齐备,运行正常,为以后其他方面的实验测量也打下了基础.介绍了激光多普勒测速方法及其在火焰测量中的特殊应用技术,针对燃烧中多普勒信号信噪比低的特点,建立了新的前向散射系统,取得了良好的效果.详细测量了预混V形火焰的速度场,通过速度概率密度函数分析了流场的速度分布趋势和脉动特性.用EBU-Arrhenius混合反应模型对预混V形火焰流场进行了数值模拟.数值模拟结果与差分干涉的试验结果相当吻合,证明了模型选取的合理性.对不同重力水平的数值模拟表明,浮力对于火焰点燃过程中的火焰核心具有很强的加速作用,同时对预混V型火焰的张角影响很大.

目录

文摘

英文文摘

第一章引言

§1.1研究背景

§1.2火焰流场测量的实验研究概况

§1.3预混燃烧数值模拟研究概况

§1.4主要研究内容、意义和创新

§1.4.1研究内容和研究意义

§1.4.2研究的创新之处

第二章预混V形火焰结构的差分干涉法研究

§2.1差分干涉仪原理

§2.1.1沃拉斯顿棱镜

§2.1.2沃拉斯顿棱镜纹影干涉仪

§2.1.3无限宽条纹干涉图及其量测计算

§2.1.4限宽条纹干涉图及其量测计算

§2.2实验系统简介

§2.3纹影干涉法观测V形火焰点火过程

§2.3.1不同稳定杆尺寸下的点火过程

§2.3.2点火过程中的熄火现象

§2.3.3点火过程中的回火现象

§2.4 V形火焰稳定燃烧的纹影干涉图像频谱分析

§2.5预混V形火焰稳定过程的几点结论

第三章CARS在V形火焰流场测量中的应用

§3.1 CARS概述

§3.1.1 CARS的发展历史

§3.1.2 CARS原理

§3.1.3 CARS的实现方案

§3.1.4 CARS的相位匹配

§3.2 CARS实验装置及其调试

§3.2.1 Nd：YAG激光器

§3.2.2染料激光器及调试

§3.2.3光谱分析仪及调试

§3.2.4 ICCD

§3.2.5脉冲控制系统

§3.2.6采集处理软件系统

§3.3 CARS信号特征及其处理过程

§3.4预混V形火焰的CARS实验数据

§3.4.1火焰锋面附近水平方向的温度分布

§3.4.2火焰锋面附近竖直方向的温度分布

§3.4.3火焰温度与燃料系数的关系

§3.5结论

第四章预混V形火焰速度场的激光多普勒实验研究

§4.1激光多普勒测速技术概述

§4.1.1激光多普勒效应

§4.1.2激光多普勒的外差检测方法

§4.1.3激光多普勒的光路

§4.2激光多普勒的示踪粒子

§4.2.1激光多普勒粒子的散射特性

§4.2.2激光多普勒失踪粒子跟随性

§4.3激光多普勒实验系统的建立

§4.4预混V形火焰的激光多普勒测量结果与讨论

§4.4.1出口流速不变不同当量比下湍流度和速度的变化趋势

§4.4.2当量比不变不同出口速度下火焰流场湍流度和速度的变化趋势

§4.4.3讨论

§4.5预混V形火焰激光多普勒测量速度的频谱分析

§4.6本章小节

第五章预混V型火焰燃烧的数值模型及模拟结果

§5.1湍流预混V型火焰的数学模型

§5.2控制方程及定解条件

§5.2.1基本控制方程

§5.2.2主要辅助关系与相关参数

§5.2.3定解条件

§5.3数值方法

§5.3.1计算区域及网格划分

§5.3.2数值计算的方程离散方法

§5.4计算算例

§5.5正常重力下预混V形火焰数值模拟结果及分析

§5.5.1火焰的发展过程

§5.5.2稳定后流场的特征及分析

§5.6重力对预混V型火焰影响的数值模拟

§5.7结论

参考文献

附录一

攻读博士学位期间发表的论文

致谢