湍流预混火焰的分形特性

采用高速纹影摄影法获得了定容燃烧弹内预混湍流火焰的图像，分别用数盒子法和像素点覆盖法计算出了火焰图像的分形维数。湍流火焰的分形分析结果表明，定容燃烧弹内的预混湍流火焰结构具有分形特征，且属于非充分发展的湍流火焰。湍流火焰的分形维数反应了湍流脉动对火焰片的褶皱程度，湍流强度增大加剧湍流火焰前锋的褶皱，分形维数也随之增加。在相同湍流强度下，小尺度湍流对火焰前锋的褶皱作用更大。     

强湍流下甲烷稀燃预混火焰的稳定性研究

针对稀燃预混火焰的吹熄问题,运用高速PLIF技术实现了天然气稀燃火焰从薄火焰面区到破碎区的火焰内部结构可视化,提供了在高湍流强度下稀燃预混火焰的重要数据.结合LDV测量得到的流场信息和提取出反应区面积等参数,发现了湍流对火焰反应层的两方面影响.一方面是通过增加反应区面积增强了燃烧强度,另一方面高强度的剪切拉伸导致反应层出现局部淬熄.在一定范围内,湍流对反应的增强作用占主导,从而能够通过增加剪切作用增强射流火焰的稳定性.当湍流强度超过一定值,火焰进入破碎区,小涡尺度与化学反应尺度相当,火焰出现大量局部淬熄现象,从而导致整体吹熄.     

甲烷/空气预混射流火焰的大涡模拟

在不同射流速度条件下,对甲烷/空气预混射流火焰进行了大涡模拟.甲烷/空气预混射流气体按化学当量比混合,计算采用两步简化反应机理和WALE亚格子湍流输运模型,3个算例下流场特征和火焰结构计算结果与前人实验结果一致,中心线轴向速度和温度场结果与实验数据相符.通过对不同Karlovitz数条件下甲烷/空气预混射流火焰结构进行分析,并计算Takeno指数,研究了湍流涡对预混火焰的影响.研究发现:在Ka100(Ka=37)条件下,预混射流火焰会出现预热区的增厚,放热区保持完整,湍流火焰保持为预混燃烧;在Ka100(Ka=112)条件下,湍流火焰进入分布反应区模式.Takeno指数显示,由于卷吸和小尺度涡的作用,湍流火焰出现局部的部分预混燃烧.甲烷/空气预混射流湍流火焰的大涡模拟证实了湍流火焰分布反应区模式的特点:未燃气体与燃后气体之间不再有明显的界面,火焰面模型不再适用;反应区增厚,放热区展宽,放热率降低;由于卷吸和小尺度涡对火焰的作用,湍流火焰局部出现部分预混燃烧;湍流火焰温度降低,放热区附近温度场趋向均匀.     

射流剪切层及相关预混火焰的被动控制

研究了网格湍流的被动控制方式对射流剪切层以及相关预混火焰的影响.利用热线风速仪测量冷态流场结构,结果显示,网格湍流显著减小了剪切层的湍流强度和尺度,使湍流更趋于各向同性,并增强了流场的稳定性,减弱了剪切层失稳程度,表明了网格湍流能对剪切层中的大尺度拟序结构起到抑制和破坏作用.此外,用高频响细丝热电偶研究了网格湍流以及所引起的剪切层改变对预混火焰结构的影响,结果显示,网格湍流一方面通过改变当地射流剪切层的流动特性抑制了火焰皱褶低频运动;另一方面通过在火焰根部施加强制扰动产生皱褶从而强化燃烧,这说明网格湍流能够同时产生使剪切层中预混火焰强化和稳定两方面的效应.     

CH_4/空气和C_3H_8/空气预混湍流火焰结构及湍流火焰速度测量

利用OH-PLIF技术探测了CH4/空气和C3H8/空气混合气在不同湍流强度下的预混湍流瞬时火焰前锋面结构,通过湍流产生板产生了弱湍流区内的不同湍流强度,通过控制当量比调节火焰密度比和路易斯数,计算了实验中的层流火焰特征参数,分析了湍流强度和火焰特征参数对预混湍流火焰结构、湍流火焰速度的影响.结果表明:火焰前锋面结构的褶皱程度随湍流强度的增大而明显增强.在相同湍流强度下,CH4/空气火焰比C3H8/空气火焰更加褶皱.通过提取火焰OH-PLIF图像锋面,分别用角度法和面积法计算了湍流火焰速度,获得了弱湍流条件下湍流火焰速度与湍流强度的一般关系式.在相同密度比下,即相同流体动力学不稳定性下,热扩散不稳定性更大的CH4/空气比C3H8/空气的湍流火焰速度更大,而在路易斯数接近且热扩散不稳定性处于次要地位时,密度比大的CH4/空气流体动力学不稳定性更大,其对湍流火焰速度的影响也更大.     

预混湍流火焰的根部脉动特性

采用平面激光诱导荧光的测试方法捕捉本生灯预混湍流火焰的瞬态形态,重点分析火焰根部的脉动特性及其对火焰稳定的影响.采用挡环和多孔板式湍流发生器,分别形成边界层湍流和位势流湍流.实验结果表明,对于这两种湍流发生器,射流火焰根部的脉动幅度都随来流速度的增大逐渐增强;增大湍流发生器的特征尺寸或者降低混气当量比,都会加大火焰根部的脉动幅度.挡环尺度的影响则表明了临界尺度的存在.当挡环尺度小于临界尺度时,火焰根部的脉动不利于火焰的稳定,即随着挡环尺度的增加,火焰吹熄速度降低.而当挡环尺度大于临界尺度时,随着挡环尺度的增加,吹熄速度变大.因此湍流的产生区域对火焰吹熄速度有着重要影响.     

湍流预混燃烧火焰结构的分形维数特征研究

发动机湍流预混燃烧的火焰结构具有自相似性,将分形技术这一新的非线性方法技术引入对湍流预混火焰结构的研究中,基于自行设计的以光学发动机和高速摄像机为核心的试验系统,得到了湍流预混燃烧的火焰结构图像.利用修正数盒法的分形图像处理方法,得到了描述湍流预混燃烧火焰的分形维数特征.在此基础上,对于发动机转速、空燃比、点火提前角和燃料性质等参数对火焰分形维数的影响规律进行了探索性的研究.研究结果表明,湍流预混燃烧火焰的分形维数在燃烧期内先随曲轴转角增加而增加,在达到最大值后,随曲轴转角增加而减小,证明在燃烧中期,火焰锋面具有最大的扭曲度;发动机转速的增加、点火角的提前、混合气的加浓均会使燃烧火焰的分形维数均有不同程度的增加.因此表明上述因素会使燃烧进行得更为剧烈,火焰结构的扭曲程度加强,火焰传播速度加剧.     

稳态湍流非预混燃烧的小火焰模拟

以甲烷/空气的湍流射流非预混燃烧为对象,建立二维稳态湍流非预混火焰的小火焰模型.利用湍流流动模型和小火焰模型耦合求解,计算出速度、混合分数、温度以及反应标量的摩尔分数在燃烧室内的分布,模拟结果表明小火焰模型能够用来描述燃烧室内燃烧机理.     

水雾作用下甲烷/空气预混火焰的光谱特性

利用中阶梯光栅光谱仪,对甲烷,空气层流预混火焰以及水雾作用过程中的火焰发射光谱特性进行了实验研究,对比分析了水雾对预混火焰燃烧过程中自由基离子发射光谱的影响,探讨了水雾抑制甲烷燃烧过程中的化学作用机理.结果表明,火焰阵面OH*、CH*自由基离子发射光谱强度随着火焰阵面水雾载荷比的增大而减小;足量的水雾作用可抑制预混火焰中OH*、CH*和HCO*等链引发自由基的生成,增强甲烷燃烧链式反应中的三体反应过程,促进甲烷预混火焰的链销基反应的发生,在抑制甲烷预混火焰燃烧过程中起重要作用.     

CH_4/CO_2非预混射流火焰燃烧特性实验研究

为了掌握含杂质生物沼气在工业燃烧装置中非预混射流火焰燃烧特性,对CH_4/CO_2非预混射流火焰在300 K和600 K伴流空气中的火焰形态、火焰高度以及推举高度进行了实验研究,并与CH_4/N_2非预混射流火焰燃烧特性进行对比.实验结果表明:在相同工况下,CH_4/CO_2火焰高度较低,但其推举高度高于CH_4/N_2火焰;两种火焰推举高度随伴流温度升高而降低.采用预混火焰模型对火焰推举高度进行了理论分析,得到了两种非预混火焰无量纲火焰推举高度与无量纲燃料流速的关联式.基于预混火焰模型的理论分析表明,预混气层流火焰速度及燃料和氧化剂密度比对非预混火焰的推举高度的影响较为显著.     

湍流预混燃烧的小火焰模型

由Level set方法确定湍流预混燃烧火焰面的位置,考虑CHEMKIN库详细化学反应机理,通过PDF方法建立湍流预混燃烧数学模型,计算组分浓度和温度在火焰内部分布。以矩形突扩燃烧室为例,模拟甲烷/空气预混燃烧的平均火焰位置和火焰内部温度、浓度分布,计算结果与实验结果吻合良好,表明此模型能较好模拟湍流预混燃烧。     

航空发动机燃烧室环境中非预混旋流火焰的标量特征

参考航空发动机燃烧室典型工况设计了微型模型非预混旋流燃烧室并进行了直接数值模拟,基于火焰因子对火焰标量特征进行了分析.研究发现,在非预混燃烧中,预混燃烧模态广泛存在且是放热的主要贡献者.不同工况中火焰面的分布位置和预混火焰的产生机制均存在显著差异.在贫燃工况中,火焰分布在内剪切层中,氧气优先向燃料侧输运从而在富燃料侧产...     

湍流状态下双燃料混合物自燃和火焰传播过程

采用直接数值模拟(DNS)方法,研究了低速机缸内热力学状态下甲烷/正庚烷混合物的着火及燃烧过程,分析了湍流状态下双燃料混合层中的着火特性及火焰发展过程．结果表明：第一阶段着火后,湍流作用下混合气偏浓区域生成冷焰;第二阶段着火后,甲烷/空气预混气侧生成多个高温膨胀核心．混合分数梯度平缓区域更易生成高温核心,而混合分数梯度较大时会增大标量耗散率、加强热量和活性基团的耗散,不利于燃烧反应的稳定发展．湍流作用下火焰前沿形成褶皱向两侧传播,热膨胀核心位置的火焰前沿传播较快．甲烷/空气预混气侧含氧量增加导致火焰前沿传播加快,前沿褶皱程度逐渐降低;正庚烷侧火焰前沿在传播下游存在冷焰反应区域,形成“双火焰”结构,随着反应进行,火焰前沿传播进入更浓的混合物中,双火焰面之间的距离逐渐缩短．     

Tulip火焰形成过程中的细微结构特性

为揭示预混火焰传播的动力学过程以及Tulip火焰的形成规律,采用高速纹影摄像系统并结合离子电流探测等技术手段,对管道内丙烷-空气预混火焰传播过程中的细微结构进行了实验研究.结果表明,在Tulip火焰形成过程中,伴随着层流火焰向湍流转变以及火焰结构的变化;层流火焰中的小尺寸涡流增大火焰厚度,而随后大尺寸涡流使火焰发生褶皱与分层;Tulip火焰结构的形成是流动与火焰共同作用的结果,它标志着层流向湍流转变的充分发展.     

非预混湍流射流H2/N2扩散火焰中的局部熄火和再燃现象

为了提高燃烧室中燃料的利用率,避免火焰的全局熄火,对于熄火和再燃现象的研究是十分必要的.利用一维湍流(ODT)模型研究了非预混湍流射流火焰中的熄火和再燃现象.在固定雷诺数为10 000的情况下,对两个不同的火焰进行了模拟,这两个火焰具有不同的全局混合速率.熄火现象主要发生在近场区域.随着全局混合速率的增加,局部熄火的区域也随之增加.两个火焰的最大熄火区域分别为20%和62%.在熄火区域,主要污染物NO迅速减少.模拟结果显示熄火是一个快速的过程,而与之相对应的再燃过程则较为缓慢.     

90°弯曲管道对丙烷-空气预混火焰传播的影响

为了揭示90°弯曲管道结构对预混火焰传播特性的影响,以丙烷-空气预混火焰为研究对象,运用高速纹影摄像、微细热电偶以及离子探针等测试手段对火焰在90°弯曲管道内的传播过程进行了实验研究.结果表明,预混火焰结构在水平管道内发生了明显变化,由规则的球形层流火焰转变为具有轴对称结构向内凹陷的湍流火焰,并伴随火焰阵面的皱褶分层.火焰进入90°弯曲管道后,受几何形状影响,火焰阵面发生畸变,对称结构被破坏,下壁面处的火焰阵面逐渐超过上壁面处的火焰阵面.由于弯管内部多波叠加作用以及湍流的影响最终使得火焰速度呈现脉动振荡.     

湍流扩散火焰中对基于混合分数的湍流燃烧模型的数值研究

根据条件矩模型(CMC)和小火焰面模型在模型构建上的相似,针对具有不同大小雷诺数和湍流-化学相互作用特性的非预混湍流射流火焰,对这两种模型进行了数值研究和比较.湍流燃烧模型采用Lagrangian型非稳态小火焰模型(LFM)和径向加权积分的CMC模型,而在H2/N2火焰的数值研究中还考虑了稳态小火焰模型的数值模拟结果....     

基于二阶矩封闭湍流模型的非预混湍流火焰的数值模拟

应用二阶矩封闭湍流模型进行了湍流非预混钝体稳定火焰数值模拟的研究.应用LRR-IP模型,JM模型,SSG模型以及两个修正后的LRR-IP模型等二阶矩封闭湍流模型,进行了钝体稳定火焰数值模拟的研究.对于复杂的钝体稳定火焰,一些模型无法给出令人满意的结果,而且不同模型的结果差异很大.在研究中,湍流燃烧模型采用了化学平衡模型和假设PDF模型.研究结果表明,对于钝体稳定火焰,SSG模型以及两个修正后的LRR-IP模型要优于其他几个二阶矩封闭湍流模型.     

湍流条件下高当量比合成气着火实验研究

为了研究高当量比合成气着火极限条件下初始湍流环境对火焰初始发展阶段的影响规律,在湍流定容燃烧实验装置中开展了常温、常压条件下50%CO/50%H2合成气相关湍流燃烧实验,并研究了火焰等效半径和火焰传播速度变化的规律及影响因素.研究结果表明:在本文实验条件下层流环境中,火焰传播速度呈现先减小后增加的趋势,并且随着当量比的增加而逐渐减小,合成气着火极限当量比为5.8;在高当量比混合气条件下,初始湍流强度的增加可以拓宽可燃混合气的着火极限;在高当量比着火极限条件下,火焰等效半径随着湍流强度增大而增加,火焰传播速度随着湍流强度的增加而增大,同一湍流强度环境中,火焰传播速度总体呈现出先减小后增大的趋势.     

湍流强度对CH_4/H_2预混火焰结构特性的影响

为了研究湍流强度对火焰结构特性的影响规律,通过在定容燃烧弹内展开常温常压下50%,CH_4/50%,H_2(体积分数)混合气在不同湍流强度下的相关实验,采用褶皱因子对火焰结构进行量化研究.研究表明:随着湍流强度的增加,火焰表面的褶皱因子增加,火焰锋面距火焰中心距离的波动情况加剧,且波动的幅值呈现出增加的趋势;火焰锋面的局部速度均服从正态分布,随着湍流强度的增大,正态分布的对称轴逐渐向右侧移动,火焰锋面局部速度的波动范围变大.