不同燃烧当量比对二甲醚燃烧的影响研究

利用分子束质谱结合真空紫外同步辐射光电离技术研究了低压层流预混二甲醚/氧气/氩气火焰.通过测量火焰物种的离子信号强度随燃烧炉位置的关系曲线,计算了主要火焰物种的摩尔分数曲线.分析了燃料当量比(φ)为0.8,1.0和1.5时主要火焰物种的摩尔分数曲线,阐述了燃烧当量比对低压层流预混二甲醚/氧气/氩气火焰化学结构的影响.研究为进一步认识二甲醚燃烧提供了实验数据.     

甲烷/氧气层流同轴射流扩散火焰OH*自由基的数值研究

OH*自由基是火焰中主要的激发态自由基之一,它所产生的化学发光可用于描述火焰的结构、拉伸率、氧燃当量比和热释放速率等特征信息,因此被广泛应用于火焰燃烧状态的在线诊断。以甲烷/氧气层流同轴射流扩散火焰作为研究对象,采用GRI-Mech 3.0机理结合OH*自由基生成和淬灭反应进行数值计算,对OH*自由基的二维分布特性进行研究,分析不同区域内OH*自由基的生成路径,并探讨不同氧燃当量比例和不同喷嘴出口尺寸对OH*自由基强度和分布特性的影响。模拟结果与实验研究基本吻合,表明计算模型能够准确描述火焰中OH*自由基的二维分布。结果表明：在甲烷/氧气层流同轴射流扩散火焰中,OH*自由基存在两种不同形态的分布区域,分别由反应CH+O₂=OH*+CO和H+O+M=OH*+M生成;随着氧燃当量比提高,OH*自由基的分布区域逐渐向火焰下游扩张,根据其分布形态的变化可以对火焰燃烧状况进行判断;如果OH*自由基仅分布于火焰的上游区域且呈断开形态,则说明火焰处于贫氧燃烧状态。如果OH*分布呈环状形态,则说明火焰处于富氧燃烧状态;相同氧气流量条件下,缩小喷嘴出口的环隙尺寸有助于加强燃料和氧气的化学反应程度,从而使火焰中OH*自由基的摩尔分数显著提高,增强OH*化学发光的辐射强度,提高火焰光谱诊断的准确性。     

异辛烷/正庚烷混合燃料燃烧中间产物的浓度分布特性

用同步辐射单光子电离和分子束取样技术结合飞行时间质谱仪,在低压预混层流火焰中测量异辛烷/正庚烷混合燃料(体积比9:1)在当量比为1.0时燃烧的主要中间产物.检测出24种主要中间产物,计算各种物质的摩尔分数,对其空间浓度分布进行比较分析,得出不同温度下的物质生成历程.添加金属矿物质可以明显改变热解过程中燃料氮向N2的转化特性.     

层流预混火焰PAHs形成的反应机理模型

本文着重讨论层流预混火焰中,碳黑的先驱多环芳烃(PAHs)形成的化学反应动力学机理。该机理包括101种组分、546个基元反应。通过与实验结果的比较表明,该模型能够较好地预报碳氢燃料预混火焰中PAHs的生成过程。计算结果还表明当量比和压力PAHs的生成与排放具有重要影响,且存在一个化学当量比,在此当量比下,PAHs的浓度达到极大值。     

利用同步辐射研究正庚烷火焰燃烧特性

利用同步辐射单光子电离和分子束取样技术并结合飞行时间质谱仪,在低压、预混、燃油当量比为1.0情况下研究正庚烷层流火焰的燃烧特性.共检测出24种中间产物,并计算出其摩尔分数.在燃烧反应前期,主要中间产物是酮、醚类物质.在燃烧反应后期,主要中间产物是碳氢化合物,燃烧反应前期的中间产物在燃烧反应后期继续氧化.乙烯在所有中间产物中摩尔分数最大的.另外,火焰中丙炔与苯有极大的相关性.     

乙烯火焰的径向剪切干涉测温模拟研究

火焰对象的干涉测温受限于条纹相差的提取以及组分浓度场的处理.传统上分别使用无限宽条纹等相线拟合以及空气组分假设,这会给扩散火焰的径向剪切干涉测温带来明显的误差.本文基于层流乙烯扩散火焰的燃烧数值模拟结果展开径向剪切干涉的光学过程模拟,得出了预设载频、噪声的高分辨率模拟条纹.随后使用载频傅立叶变换算法提取出模拟条纹的相差分布并定量给出了该过程顺利进行所需的参数限制,通过径向迭加还原以及投影反转所得相对相差的反演误差在全场普遍小于1%.最后基于模拟浓度场得到温度场反演值,结果表明使用空气组分假设所得温度反演值较之准确值在火焰轴线中、上部需要作5%以上的修正,该修正量从火焰下部到根部由7%迅速增大使得修正失去意义.     

甲醇对正庚烷层流预混火焰影响的实验研究

利用低压层流预混火焰结合同步辐射真空紫外光电离技术和分子束取样质谱技术,探测到并计算了甲醇摩尔掺混比为0%、11%、28%和50%的甲醇/正庚烷/氧气/氩气火焰中62种燃烧中间产物和最终产物的摩尔分数.结果发现,甲醇的加入对正庚烷的消耗速率和大分子裂解没有影响,其主要作用表现在对C1和C2小分子摩尔分数的影响.甲醇的氧...     

煤粉燃烧炉内细颗粒物沿程演化特性模拟

本文针对微米及亚微米细颗粒物在煤粉自维持燃烧高温一维炉中的沿程演化特性进行了定量模拟。从高温火焰区到焦炭燃烧区,利用聚并机理和碳烟氧化模型计算了细颗粒物浓度的粒径分布(PSD)变化,表明碳烟氧化是焦炭燃烧区颗粒浓度分布变化的主要因素,仅聚并作用无法生成PM_(0.1)以上颗粒。并通过预设碳烟份额得到与实验值吻合较好的焦炭燃烧区出口颗粒浓度分布曲线。     

基于WSGGM模型修正的对冲火焰燃烧分区特性研究

本文利用灰气体加权平均模型(Weighted Sum of Gray Gases Model,WSGGM)对对流扩散火焰模型(OPPDIF)中的能量方程进行修正,并对高温扩散均相燃烧结构模型(Hot Diluted Diffusion Ignition,HDDI)在常规空气和富氧环境进行对冲火焰燃烧数值模拟。结果表明,相对于标准模型,采用修正模型所得到的温度分布在常规空气和富氧气氛下均较低且温度分布特性变化较大。本文进一步明确无焰燃烧的临界条件,对高温扩散均相燃烧模型分析表明,在T_f较高且X_f较低时,甲烷燃料的化学热解区域消失,燃料在燃烧周期内只表现出热释放特性。通过建立的燃烧区域和燃烧路径分析得知,无焰富氧燃烧相比于空气无焰燃烧更容易达到但更难维持,而相对于常规有焰燃烧,无论是在常规空气气氛下还是在富氧气氛下,其化学反应速率均下降一个量级。而由于富氧环境下的CO_2富集,抑制了H和OH基团的生成,使得C1反应链更加具有活性。     

层流预混气体多棱火焰燃烧现象的分析

在一定条件下,层流预混气体燃烧过程中可清晰地观察到多棱火焰现象。本文从燃料浓度、温度对燃烧速度、气流速度的影响出发,推导出了火焰面变化随空气消耗系数的关系式,并得出了形成多棱火焰现象的条件为:Kx<0。用该式判断的丁烷层流预混气体燃烧的多棱火焰区与实验结果基本吻合。     

反扩散火焰温度场特性的实验研究

本文设计搭建石英管反扩散层流燃烧实验系统,研究了不同雷诺数和燃料组分条件下反扩散火焰的温度场特性。实验表明,反扩散火焰中心某一高度存在燃料和中心空气快速混合区域,体现出一定的预混燃烧特性。随中心射流雷诺数增大,火焰底部冷核区增大,高温区位置沿轴线上移,但火焰最高温度点的水平高度先升高后降低。不同燃料组分下,反扩散火焰的整体温度有所变化,但火焰温度的分布特性基本相似。     

太赫兹波段火焰碳黑的光学特性研究

火焰碳黑是碳氢燃料不完全燃烧的重要固体产物,对于一些污染物的生成具有重要影响,其光学特性是光学燃烧诊断的基础。利用太赫兹时域光谱技术研究了0.2～1.6 THz火焰碳黑的光学特性,通过傅里叶变换得到了碳黑的频域光谱,利用定点迭代法获得了太赫兹波段火焰碳黑的复折射率,把太赫兹波段的复折射率与热辐射波段的复折射率进行了比较,此外还对比了两种光学参数提取方法所得到的结果,结果表明,碳黑在太赫兹波段的吸收性较强,其折射率在太赫兹波段与在热辐射波段的差别不是很大,而吸收率在热辐射波段变化更大一些,两种参数提取方法得到的复折射率差别不是很大,研究结果可为太赫兹波技术应用于光学燃烧诊断提供基础性数据,扩展了光学燃烧诊断应用的范围。     

湍流射流火焰热辐射影响的数值研究

以美国Sandia实验室火焰D为研究对象,在采用κ-ε湍流模型、概率密度函数(PDF)法及详细化学反应机理模拟湍流燃烧的基础上,研究了辐射换热对湍流射流燃烧过程的影响。模拟中采用离散坐标法(DOM)求解辐射传递方程,并分别采用普朗克平均吸收系数和箱带模型计算燃烧气体的辐射特性参数。结果表明,考虑辐射换热的影响时,火焰温度及组分浓度分布计算值与实验值吻合更好,且采用考虑气体光谱辐射效应的箱带模型比仅随温度变化的普朗克平均吸收系数的计算值更接近实验值。因此,研究燃烧气体的辐射换热问题具有重要意义,同时需要考虑其光谱辐射效应。     

H_2/N_2/O_2射流扩散火焰的直接数值模拟

直接数值模拟(DNS),大涡模拟(LES)与雷诺时均模拟(RANS)是数值模拟燃烧流动的三大主要方法,而射流扩散火焰在燃烧理论,实验研究与数值模拟中都扮演着十分重要的角色,本文采用完全可压缩的Naive-Stokes方程,对喷口直径为D=1 mm,Re=2000的射流扩散火焰进行了直接数值模拟.本文首先分析了冷态时H_2,O_2的混合,发现燃料与氧气在流向长度大于6D后的区域混合得十分充分.随后本文分析了燃烧后的统计特性,主要包括速度场,密度,温度以及主要组分与混合分数的分布,并将DNS结果与实验结果进行对比分析.     

重力对层流扩散火焰烟黑生成特性影响

本文采用数值模拟方法研究了重力对甲烷/空气同轴射流层流扩散火焰烟黑生成特性的影响,数值分析中将详细的气相化学反应机理、复杂的热物性和输运特性关系、半经验的双方程烟黑生成模型和非灰体辐射模型耦合到燃烧场的计算中。同时考虑烟黑经O_2、OH和O的氧化途径。热辐射计算采用与统计窄波段调K(SNBCK)模型相耦合的离散坐标法求解。烟黑的谱带吸收系数根据小颗粒的Rayleigh理论计算。结果表明,随着重力水平的降低,火焰峰值温度降低,微重力下烟黑浓度的最大值约为正常重力下相应火焰的两倍。这一计算结果与已有的试验数据符合较好。计算结果还表明,重力也影响烟黑成核和表面生长的位置和强度。     

双组分燃料的层流火焰速度模型

以往关于层流火焰速度的理论分析均只考虑单组分燃料,本文对双组分燃料的平面火焰进行了大活化能渐近理论分析。在理论分析中,将火焰结构分为预热区、化学反应区和平衡区,并在大活化能假设下对各个区域分别求解了关于温度与燃料质量分数的微分方程。根据每两个区域分界面上满足的结合条件,本文推导出了双组分燃料的层流火焰速度模型。该模型表明双组分燃料层流火焰速度的平方为各个单组分燃料层流火焰速度平方的加权平均。     

进气中CO2浓度对预混合燃烧和排放影响的试验和模拟研究

本文研究了进气中CO2浓度对燃烧和排放特性的影响.研究表明在所有的预混合燃料比下,当CO2浓度增加时,NOx排放随之大幅减少,烟度排放有小的变化。利用KIVA3V和湍流与化学反应交互的燃烧模型对柴油机预混合燃烧进行了模拟研究,对缸内OH浓度的模拟计算表明,随着CO2浓度的增加,着火前期OH生成浓度明显向后推移,这表明燃料的氧化速率随CO2浓度的增加变慢,从而延长了着火滞燃期。进气中CO2浓度变大时,燃烧温度降低,有利于降低NOx的排放。     

基于动态二阶矩模型值班火焰的大涡模拟研究

为加深对湍流燃烧现象的认知,检验动态二阶矩(DSOM)模型在非均匀湍流燃烧中的适应性,本文基于DSOM模型对非均匀入口条件的甲烷空气值班火焰进行了大涡模拟。模拟得到的温度和混合分数分布均和实验数据吻合较好,验证了DSOM模型在非均匀湍流燃烧中的适应性。研究结果表明,在x/D=1和x/D=5的位置温度梯度较大处和混合分数梯度较大处不在同一位置;在火焰的基部存在分层预混燃烧,使得火焰的稳定得到加强;在x/D=15下游,火焰存在局部熄火。     

乙烷对冲扩散火焰中PAHs的生成

本文使用详细的化学反应机理模拟了C2H6／O2／N2／AR层流对冲扩散火焰中多环芳烃的生成动力学过程。反应机理包括96种组分的502个基元反应。通过数值计算分析了层流对冲火焰的结构和主要反应物、中间物质和反应产物的浓度变化,并与相关文献的实验结果进行了比较。结果表明,数值模拟在燃烧过程和PAH生成规律上与实验结果是一致的,但在某些组分的定量预报上存在一定的差别。     

二甲醚/氧气/氩气低压层流预混燃烧研究

利用同步辐射真空紫外单光子电离结合分子束质谱技术,对当量比φ=1.5的低压预混层流二甲醚火焰进行了实验研究。通过测量光电离质谱和光电离效率曲线,探测到了二甲醚/氧气/氩气的燃烧产物和火焰中间物,包括不稳定的分子和自由基。通过测量离子信号的空间分布曲线,计算了二甲醚/氧气/氩气火焰的主要物种C_2H_6O、O_2、Ar、H_2、H_2O、CO和CO_2的摩尔分数曲线,以及主要中间物种如CH_2O、C_2H_2、C_2H_4、CH_3OH、C_2H_2O、C_2H_4O、CH_3、CH_4、HCO、C_3H_3和C_3H_4的摩尔分数曲线,并分析了主要中间物种的产生和消耗过程。