氢气乙醇混合物层流燃烧速度及火焰不稳定性研究

氢气是一种高效的添加剂,可改善乙醇燃料的燃烧特性,为更好地应用于燃烧装置,有必要研究其层流燃烧特性。在初始压力为0.1及0.4 MPa,初始温度为400 K,等效比范围为0.7～1.4,氢气比例为20%、50%和80%下进行实验,采用定压法(constant pressure method, CPM)得到层流燃烧速度(laminar burning velocity, LBV)。对火焰发展不同阶段的火焰形貌进行研究,当火焰表面的大裂纹分裂出现小裂纹,并导致新细胞再生时,火焰变得不稳定;还研究流体动力学效应和热扩散效应对火焰固有不稳定性的影响。结果表明：LBV随着氢气比例的增加而增加,在富氢状态下其提升效果更加显著;流体动力不稳定性随着压力的增加而增加,热扩散不稳定性对压力变化不敏感;此外,增加氢气比例或初始压力将使火焰更早变得不稳定。     

氢气/空气混合气层流燃烧速度的实验测量与模拟计算

采用高速纹影系统和定容燃烧弹对氢气预混层流燃烧球形膨胀火焰的燃烧速度特性进行研究.分别在改变燃空当量比(0.3～6.0)、初始温度(300～450 K)、初始压力(0.1～ 0.3 MPa)的条件下,对比分析Markstein长度、火焰传播速度、火焰燃烧速度的变化规律,得出了燃烧速度随燃空当量比、温度、压力变化的拟合公...     

天然气-氢气-空气混合气的层流燃烧速度测定

在定容燃烧弹内研究了常温常压下天然气-氢气-空气混合气的火焰传播规律,得到了不同掺氢比例（氢气在天然气中的体积掺混比例为0％～100％）和燃空当量比（0．6～1．4）下混合气的层流燃烧速率和马克斯坦长度,通过对马克斯坦长度的测量,分析了拉伸对火焰传播的影响。结果表明,随着天然气中掺氢比例的增加,混合气的燃烧速率呈指数规律增加,马克斯坦长度值减小,火焰的稳定性下降。各掺氢比例下,随当量比的增加,马克斯坦长度值增加,火焰的稳定性增强。通过对试验结果的数据拟合,得到了计算天然气-氢气-空气混合气层流燃烧速率的关系式。     

稀释气对掺氢天然气层流预混燃烧燃烧速率的影响

在定容燃烧弹内研究了初始压力为0.1 MPa、初始温度为285 K时掺氢天然气-空气-稀释气体混合气层流预混燃烧的火焰传播规律,获得了分别使用氮气和二氧化碳作为稀释气时,在不同掺氢比、稀释度和当量比下的无拉伸层流燃烧速率,并分析了氮气和二氧化碳稀释气对燃烧速率的影响.结果表明:无拉伸层流燃烧速率随着掺氢比的增加而增加,随着稀释度的增加而减小,二氧化碳对燃烧速率的作用强于氮气.     

乙醇-氢气-空气混合物层流燃烧特性研究

氢气是一种高效的添加剂,可以改善生物质燃料的层流燃烧特性。为研究氢气对乙醇-空气预混层流火焰燃烧特性的影响,利用定容燃烧弹结合高速纹影摄像技术,系统研究了初始温度为400 K,初始压力为0.1 MPa和0.4 MPa,氢气含量为0%、10%、30%、50%、70%和90%,当量比为0.7 ~ 1.4时的氢气-乙醇-空气混合燃料的层流燃烧速度（LBV）、火焰厚度和马克斯坦长度等参数,并采用辐射校正公式使LBV更加精准。通过数值仿真构建预混火焰模型,与实验结果进行对比。结果表明,氢气比例的增加可以提高混合燃料的层流燃烧速度。当氢气比例小于50%时,LBV随氢气比例的增加线性增长。而当氢气比例大于50%,LBV随氢气的增加呈指数增长。初始压力的上升虽然降低了LBV,但提高了LBV的增长率。此外,随着氢气比例和初始压力的增加,火焰厚度减小,马克斯坦长度降低,火焰的不稳定性增强。     

EGR中二氧化碳对氢气层流燃烧特性的影响

为了更深入地理解废气中二氧化碳对掺氢燃料燃烧特性的影响,在定容燃烧弹中利用高速摄像系统研究了不同燃空当量比φ(0.6～1.4)和稀释比(0%～40%)下CO2稀释氢气-空气混合气的层流燃烧特性.结果表明:氢气-空气混合气的火焰传播速率随着燃空当量比的增大而增大;马克斯坦长度随着当量比的增大而增大,即火焰的稳定性增强;随稀释比的增大,无拉伸火焰传播速率S1明显减小;同时得到层流火焰燃烧速率,并分析了稀释比对火焰稳定性的影响.通过对试验结果数据拟合,获得了计算氢气-CO2-空气混合气的无拉伸层流燃烧速率的拟合多项式.     

含水乙醇-空气预混层流燃烧特性的试验

在383,K、0.1,MPa的初始条件下,利用定容燃烧弹装置和高速纹影摄像系统开展了含水乙醇在不同的体积分数(水的体积分数为0～30%)和当量比(0.8～1.6)下与空气预混的层流燃烧特性试验.结果表明:混合气的无拉伸层流火焰传播速率和燃烧速率随含水量的增加而降低;当水的体积分数小于30%,火焰速率的最大值出现在当量比为1.2附近,而在水的体积分数达到30%时,其最大值开始向1.0的方向移动;含水乙醇-空气火焰的马克斯坦长度和前锋面的稳定性都随当量比增加而下降,随含水量的增加而增加,并在当量比为1.6时,马克斯坦长度由正值变为负值;无量纲的层流燃烧速率随水的稀释率呈线性下降,随当量比的影响不大.     

预混氢气层流燃烧速度的数值模拟

为探讨燃烧模型对预混氢气层流燃烧的适用性和使用方法,采用CFD仿真软件对氢气层流燃烧进行了数值模拟,通过校核与验证方法得到了当量比范围在0.5～1.2条件下正确计算氢气燃烧过程的网格尺寸为0.4 mm、时间步长为0.01 ms、收敛准则为10-4.应用TFSC燃烧模型的控制参数与温度、当量比的拟合关系获得的计算数据和试验数据具有较好的一致性.采用该方法可以正确计算常压下、温度范围300～900 K、当量比范围0.5～1.2的预混氢气层流燃烧速度,补充了高温条件下试验数据的不足.     

高压下氢气-乙醇球形膨胀火焰的层流燃烧速度和火焰不稳定性研究

在初始温度为400 K、不同的初始压力（0.1 MPa、0.4 MPa）、氢气比例（70%、80%）和当量比（0.7～1.4）条件下进行氢气-乙醇预混燃烧实验,使用高速纹影技术记录火焰传播图像。对氢气-乙醇球形膨胀火焰中的层流燃烧速度（LBV）进行实验研究,发现LBV随着氢气比例的增加而增加,压力升高却有着负影响。对火焰发展不同阶段的火焰形貌进行了研究。当火焰表面的大裂纹分裂出现小裂纹并且导致新细胞再生时,火焰变得不稳定。通过热膨胀比、火焰厚度和刘易斯数等参数考察了流体动力学效应和热扩散效应对火焰固有不稳定性的影响。结果表明,流体动力不稳定性随着压力的增加而增加,热扩散不稳定性对压力变化的敏感性较低。此外,增加氢气比例或初始压力会导致火焰更早遭受不稳定。     

壁面边界条件下氢气-空气预混燃烧的压力特性

通过纹影测试的实验方法,在顶置点火定容燃烧弹中对壁面边界条件下的氢气-空气预混燃烧压力特性进行了实验研究,得出了不同燃烧当量比(0.6～2.0)、初始压力(0.1～0.3,MPa)、初始温度(300～450,K)下的氢气-空气预混燃烧过程中燃烧压力、最大燃烧压力以及最大燃烧压力升高率等参数的变化规律.结果表明,壁面边界条件下氢气-空气预混燃烧过程中的最大燃烧压力以及最大燃烧压力升高率均随着当量比的增大先增大再减小,均随初始压力的增大呈现出线性增长,随着初始温度的增大而呈现出线性减少.     

甲烷量对模拟煤层气层流燃烧速度的影响

利用定容燃烧弹和高速纹影摄像系统研究了常温常压下模拟煤层气中甲烷含量对其层流燃烧速度的影响,得到了在不同当量比下甲烷含量对模拟煤层气层流火焰传播速度和层流火焰燃烧速度的影响规律.结果表明,随着模拟煤层气中甲烷含量的降低,混合气的拉伸层流火焰传播速度、无拉伸层流火焰传播速度在不同的当量比下均减小;化学当量比附近,不同甲烷含量对应的无拉伸层流火焰传播速度之间的差值较大.无拉伸层流火焰燃烧速度随甲烷含量变化的规律与无拉伸层流火焰传播速度变化的规律类似.     

Temperature Dependence of Laminar Burning Velocity in Ammonia/Dimethyl Ether-air Premixed Flames

The combustion of ammonia(NH3)has attracted wide interest in fuel vehicle engines,marine engines,and power generators to mitigate carbon dioxide emissions.Unfortunately,the relatively low laminar flame speed presents a technical barrier for this renewable fuel to be used in practice.This work is concerned with numerical examining the effects of elevating inlet temperature on the laminar burning velocity of NH3/air flames with various contents of dimethyl ether(DME)using ID freely propagating flame calculations,and to shed light on the flame enhancement mechanism.For this,the mechanism is first validated by comparing the numerical predictions with experimental data.Results show that increasing the inlet temperature has a positive effect on the laminar burning velocity of pure NH3/DME/air flames.It is revealed that elevating inlet temperature contributes to a higher adiabatic flame temperature,which is beneficial to the overall chemical reaction rate.Furthermore,the thermal diffusivity of the binary mixture is observed to increase substantially as well.Further kinetic and sensitivities analyses reveal that the inlet temperature has a minimal effect on the reaction pathway,leading to the relative importance of the dominant chain branching over terminating reaction steps to be varied negligibly.The present work confirms that the flame speed enhancement with increasing inlet temperature is primarily the synergetic result of the thermal and diffusion effects,rather than the chemical effect.     

不同初始压力下掺氢天然气的燃烧特性

在定容燃烧弹内研究了不同初始压力下天然气-氢气-空气混合气的火焰传播规律,得到了不同掺氢比例和初始压力下,不同燃空当量比时混合气的层流燃烧速率,并分析了火焰的稳定性及其影响因素.研究结果表明,随着天然气中掺氢比例的增加,混合气的燃烧速率增加,且增长速率逐渐加快,而马克斯坦长度值则随着掺氢比例的增加而减小,即火焰的稳定性下降.不同初始压力下,随着燃空当量比的增加,马克斯坦长度值在不同掺氢比例下均增加,显示火焰的稳定性增加.无拉伸层流燃烧速率随着初始压力的增加略有减小,且在化学当量比附近,变化的初始压力和掺氢比对无拉伸层流燃烧速率的影响最为明显.     

一种计算预混层流平面火焰速度的新算法

首次运用类似SIMPLE方法的控制容积积分法的思想,对层流预混平面火焰控制方程的各项分类处理,对源项线性处理。并运用于对甲烷－空气的一维层火焰计算,表明这种新方法易收敛,计算效率高。     

初始压力对天然气-氢气-空气混合气火焰传播特性的影响

使用定容燃烧弹研究了不同初始压力下天然气-氢气-空气混合气的火焰传播规律,得到了初始压力、掺氢比和燃空当量比对无拉伸层流燃烧速率、质量燃烧流量的影响,结合高速纹影图片分析了影响火焰稳定性的因素(马克斯坦长度、火焰面两侧密度比和火焰厚度).结果表明,掺氢天然气无拉伸层流燃烧速率以及火焰的不稳定性受掺氢比、初始压力和燃空当量比的综合影响.结合高速纹影图片,得出火焰的稳定性会随初始压力的增加而减小;在相同的燃空当量比和掺氢比下,初始压力对密度比的影响不大,但是对火焰厚度的影响比较明显.     

不同初始温度和水蒸气稀释比对乙醇/异辛烷层流火焰特性的影响

在101.3kPa的初始条件下,利用定容燃烧弹系统结合高速纹影摄像技术,研究不同水蒸气稀释比(0～10%)和不同初始温度(400～500K)下乙醇体积分数为10%的乙醇/异辛烷混合燃料(E10)的层流火焰特性。试验结果表明:E10/空气的层流火焰速度随着水蒸气稀释比的增加呈线性下降,随着初始温度的升高呈指数增加;无量纲层流火焰速度随着水蒸气稀释比的增加而下降,受当量比的影响不大。化学敏感性分析表明:链分支反应有利于提高E10/空气层流火焰速度,链终端反应则会降低层流火焰速度。水蒸气的稀释作用、热力学作用、直接反应作用和三体作用都会降低E10层流火焰速度,其中稀释作用的影响最大。