本文關鍵詞：合成氣預混層流燃燒特性的研究

  更多相關文章： 合成氣 層流燃燒速度 火焰不穩(wěn)定性 化學反應動力學

【摘要】：合成氣作為一種氣體燃料,可以從多種物質中氣化獲得,在不可再生能源日益枯竭的今天,合成氣具有廣闊的應用前景,可廣泛應用于各種動力裝置中。合成氣的主要成分是H2、CO、CH4、N2、 CO2,因合成氣來源廣泛,其各組分組成比例變動較大。由于合成氣成分復雜,其基礎燃燒特性隨氣體組成比例的不同會有較大變動。針對合成氣,需要系統(tǒng)的研究其在不同的氣體組成下的基礎燃燒特性,對建立健全合成氣預混燃燒數(shù)理模型,提供仿真計算的基礎燃燒數(shù)據(jù)有重要意義,同時還能指導燃燒設備的設計,具有重要的理論意義和實用價值。首先建立了定容燃燒彈實驗系統(tǒng)。實驗系統(tǒng)由定容燃燒彈、配氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、紋影及高速攝影系統(tǒng)、數(shù)據(jù)控制及采集系統(tǒng)六部分組成。對比了本研究和其他學者所得到的層流燃燒速度,結果具有很好的一致性,說明本實驗系統(tǒng)有良好的準確性。在定容燃燒彈上利用高速紋影攝影系統(tǒng),研究了H2/CO混合氣在不同H2比例下火焰的馬克斯坦長度和層流燃燒速度,發(fā)現(xiàn)當H2比例小于50%時,火焰的拉伸行為是由氫氣和一氧化碳共同主導；當H2比例大于50%時,火焰的拉伸行為由H2所主導。發(fā)現(xiàn)了隨著H2比例增大,層流燃燒速度呈現(xiàn)出先迅速增大后緩慢增大的現(xiàn)象。通過Gaseq軟件分析了H2/CO混合氣絕熱火焰溫度和熱擴散系數(shù),明確了絕熱火焰溫度不是層流燃燒速度隨著H2比例升高而增大的主導因素。通過Chemkin軟件研究了基元反應對H2比例增大導致層流燃燒速度非線性升高的影響機制。明確了H2/CO混合氣層流燃燒速度和活性自由基之間的關系,發(fā)現(xiàn)層流燃燒速度和(H+OH)濃度最大值之間有很好的線性關系。在定容燃燒彈上利用高速紋影攝影系統(tǒng)研究了H2/CO混合氣在稀釋氣體稀釋下的燃燒特性,得到了H2/CO混合氣在稀釋氣體(C02、N2)稀釋下層流燃燒速度,針對本實驗結果提出了N2和C02稀釋下H2/CO混合氣層流燃燒速度的擬合公式,結果表明擬合公式和實驗結果之間有很好的一致性。通過Chemkin軟件分析了N2和C02兩種氣體稀釋下對H2/CO混合氣層流燃燒速度差別的作用機制,明確了熱效應、輸運效應、化學動力學效應對N2和CO2稀釋下的層流燃燒速度之間差別的影響權重。結果表明熱效應和化學動力學效應是造成兩種不同惰性氣體稀釋下層流燃燒速度有較大差別的決定性因素,其中熱效應影響權重大于化學動力學效應的影響權重；直接化學反應的影響權重遠大于三體反應的影響權重；輸運效應的影響很小。在定容燃燒彈上利用高速紋影攝影系統(tǒng),并結合Chemkin軟件研究了H2/CO/CH4三組元燃料中燃料組分變動對層流燃燒速度的影響,探討了燃料組成對層流燃燒速度的影響規(guī)律,開展了敏感性分析和基元反應反應速率分析,明確了重要基元反應對三組元燃料層流燃燒速度復雜變化的影響機制,H2比例變化主要影響活性自由基的濃度,對絕熱火焰溫度影響較小；H2比例固定時,基元反應OH+CO=H+CO2對層流燃燒速度的作用隨著CO比例增大更加明顯。研究了H2/CO/CH4燃料層流燃燒速度與活性自由基濃度間的相關性,CO/CH4混合氣層流燃燒速度只與H自由基濃度峰值存在線性關系；加入H2后,H2/CO/CH4混合氣層流燃燒速度與H自由基和H+OH自由基濃度的峰值均呈現(xiàn)出線性關系最后在定容燃燒彈上利用高速紋影攝影系統(tǒng)研究了合成氣預混火焰?zhèn)鞑ミ^程中的熱質擴散不穩(wěn)定性、流體力學不穩(wěn)定性以及浮力不穩(wěn)定性三種火焰固有不穩(wěn)定性,探索了初始壓力、H2比例以及當量比對火焰胞狀不穩(wěn)定現(xiàn)象的影響,發(fā)現(xiàn)了當量比變化導致的H2/CO火焰的胞狀不穩(wěn)定現(xiàn)象會隨H2比例的不同呈現(xiàn)出不同規(guī)律,H2比例較高時,當量比的升高會抑制火焰的胞狀結構的產(chǎn)生,H2比例較低時,當量比的升高會加強火焰的胞狀不穩(wěn)定現(xiàn)象；明確了稀釋氣體(N2、CO2)稀釋對火焰胞狀不穩(wěn)定現(xiàn)象的作用規(guī)律和H2比例有直接關系,H2比例較低時,稀釋氣體的稀釋會減弱火焰的胞狀不穩(wěn)定現(xiàn)象,H2比例較高時,稀釋氣體的稀釋會加強火焰的胞狀不穩(wěn)定現(xiàn)象。明確了流體力學不穩(wěn)定以及熱質擴散不穩(wěn)定性對火焰胞狀不穩(wěn)定現(xiàn)象的影響機制,發(fā)現(xiàn)了浮力不穩(wěn)定性對火焰胞狀結構的作用。
【關鍵詞】：合成氣 層流燃燒速度 火焰不穩(wěn)定性 化學反應動力學
【學位授予單位】：北京交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TK16
【目錄】：

• 致謝5-6
• 中文摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 1. 引言14-36
• 1.1 研究背景及意義14-15
• 1.2 合成氣預混層流燃燒速度的研究現(xiàn)狀15-28
• 1.2.1 層流燃燒速度研究的意義及方法15-17
• 1.2.2 氫氣/一氧化碳/空氣層流燃燒速度的研究現(xiàn)狀17-22
• 1.2.3 稀釋氣體對氫氣/一氧化碳/空氣層流燃燒速度影響的研究現(xiàn)狀22-27
• 1.2.4 氫氣/一氧化碳/甲烷/空氣混合氣層流燃燒速度的研究現(xiàn)狀27-28
• 1.3 合成氣預混火焰固有不穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀28-33
• 1.3.1 預混層流火焰的三種固有不穩(wěn)定性28-31
• 1.3.2 合成氣預混層流火焰固有不穩(wěn)定性的研究現(xiàn)狀31-33
• 1.4 當前合成氣層流燃燒特性研究中存在的不足33-34
• 1.5 本文的主要研究內(nèi)容34-36
• 2. 定容燃燒實驗系統(tǒng)的建立及實驗系統(tǒng)驗證36-46
• 2.1 定容燃燒實驗系統(tǒng)的建立36-41
• 2.1.1 實驗系統(tǒng)的總體構成36-38
• 2.1.2 預混氣配氣系統(tǒng)38-39
• 2.1.3 點火系統(tǒng)39-40
• 2.1.4 紋影及高速攝影系統(tǒng)40-41
• 2.1.5 數(shù)據(jù)采集及同步控制系統(tǒng)41
• 2.2 數(shù)據(jù)處理方法41-43
• 2.3 實驗系統(tǒng)的驗證43-44
• 2.4 本章小結44-46
• 3. 氫氣/一氧化碳/空氣混合氣層流燃燒速度的影響機制研究46-66
• 3.1 火焰拉伸作用對氫氣/一氧化碳/空氣火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響46-50
• 3.1.1 火焰拉伸作用對氫氣/一氧化碳/空氣拉伸火焰速度的影響46-50
• 3.1.2 氫氣比例對氫氣/一氧化碳/空氣預混火焰馬克斯坦長度的影響50
• 3.2 氫氣/一氧化碳/空氣混合氣預混層流燃燒速度50-55
• 3.2.1 氫氣比例對氫氣/一氧化碳/空氣混合氣層流燃燒速度的影響50-54
• 3.2.2 初始壓力對氫氣/一氧化碳/空氣混合氣層流燃燒速度的影響54-55
• 3.3 氫氣/一氧化碳/空氣混合氣燃燒化學反應動力學分析55-64
• 3.3.1 不同氫氣比例下氫氣/一氧化碳/空氣燃燒化學反應敏感性分析55-56
• 3.3.2 不同氫氣比例下氫氣/一氧化碳/空氣燃燒基元反應速率分析56-62
• 3.3.3 氫氣/一氧化碳/空氣混合氣層流燃燒速度和自由基濃度相關性研究62-64
• 3.4 本章小結64-66
• 4. 稀釋氣體對氫氣/一氧化碳/空氣混合氣層流燃燒速度的影響機制研究66-98
• 4.1 稀釋氣體對氫氣/一氧化碳/空氣混合氣層流燃燒速度的影響66-80
• 4.1.1 氮氣的稀釋對氫氣/一氧化碳/空氣混合氣層流燃燒速度的影響66-72
• 4.1.2 二氧化碳的稀釋對氫氣/一氧化碳/空氣混合氣層流燃燒速度的影響72-79
• 4.1.3 不同稀釋氣體對氫氣/一氧化碳/空氣層流燃燒速度影響對比分析79-80
• 4.2 稀釋氣體對氫氣/一氧化碳/空氣混合氣絕熱火焰溫度及熱擴散系數(shù)的影響80-87
• 4.2.1 氫氣/一氧化碳/空氣/氮氣混合氣的絕熱火焰溫度及熱擴散系數(shù)81-83
• 4.2.2 氫氣/一氧化碳/空氣/二氧化碳混合氣絕熱火焰溫度及熱擴散系數(shù)83-87
• 4.3 稀釋氣體的熱效應、化學動力學及擴散效應對層流燃燒速度的影響87-95
• 4.3.1 氫氣/一氧化碳/空氣/二氧化碳混合氣燃燒化學反應動力學分析87-91
• 4.3.2 氮氣和二氧化碳稀釋下三種效應對層流燃燒速度差別影響權重分析91-95
• 4.4 本章小結95-98
• 5. 氫氣/一氧化碳/甲烷/空氣燃料組分比例變動對層流燃燒速度影響研究98-118
• 5.1 組分比例對氫氣/一氧化碳/甲烷/空氣層流燃燒速度的影響98-104
• 5.1.1 氫氣/一氧化碳/甲烷中兩組分比例同時增大對層流燃燒速度影響98-100
• 5.1.2 氫氣比例為定值時甲烷比例的增大對層流燃燒速度的影響100-101
• 5.1.3 一氧化碳比例為定值時氫氣比例的增大對層流燃燒速度的影響101-102
• 5.1.4 甲烷比例為定值時氫氣比例的增大對層流燃燒速度的影響102-104
• 5.2 氫氣/一氧化碳/甲烷/空氣燃燒化學反應動力學分析104-115
• 5.2.1 氫氣/一氧化碳/甲烷/空氣燃燒化學反應敏感性分析104-106
• 5.2.2 氫氣/一氧化碳/甲烷/空氣燃燒基元反應速率分析106-112
• 5.2.3 氫氣/一氧化碳/甲烷/空氣混合氣層流燃燒速度和自由基濃度相關性研究112-115
• 5.3 本章小結115-118
• 6. 合成氣預混層流火焰固有不穩(wěn)定性的研究118-138
• 6.1 氫氣/一氧化碳/空氣火焰流體力學不穩(wěn)定性及熱質擴散不穩(wěn)定性的研究118-128
• 6.1.1 流體力學不穩(wěn)定性和熱質擴散不穩(wěn)定性表征參數(shù)118-120
• 6.1.2 初始壓力對氫氣/一氧化碳/空氣預混火焰不穩(wěn)定性的影響120-123
• 6.1.3 氫氣比例對氫氣/一氧化碳/空氣預混火焰不穩(wěn)定性的影響123-125
• 6.1.4 當量比對氫氣/一氧化碳/空氣預混火焰不穩(wěn)定性的影響125-128
• 6.2 稀釋氣對氫氣/一氧化碳/空氣火焰流體力學不穩(wěn)定性及熱質擴散不穩(wěn)定性的影響128-133
• 6.2.1 稀釋氣比例對氫氣/一氧化碳/空氣預混火焰不穩(wěn)定性的影響128-131
• 6.2.2 當量比對稀釋氣稀釋下的氫氣/一氧化碳/空氣預混火焰不穩(wěn)定性的影響131-133
• 6.3 火焰浮力不穩(wěn)定性對火焰胞狀結構的作用133-135
• 6.4 本章小結135-138
• 7. 總結與展望138-146
• 7.1 論文主要工作及結論138-143
• 7.2 主要創(chuàng)新點143-144
• 7.3 后續(xù)研究展望144-146
• 參考文獻146-156
• 附錄156-162
• 作者簡歷162-166
• 學位論文數(shù)據(jù)集166

，

本文編號：1027749