發(fā)布時間：2020-03-30 14:22

【摘要】：由于預(yù)混燃燒在燃料和氧化劑的配比調(diào)節(jié)、火焰溫度的控制及NOx的排放等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢,在高性能的先進(jìn)發(fā)動機(jī)燃燒系統(tǒng)中得到廣泛使用。作為預(yù)混燃燒的基本特性,點(diǎn)火和火焰?zhèn)鞑バ阅苤苯雨P(guān)系到燃燒過程的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和清潔性,是燃燒設(shè)備設(shè)計的理論基礎(chǔ)。深入認(rèn)識和掌握預(yù)混燃料的點(diǎn)火和火焰?zhèn)鞑ヌ匦?對于先進(jìn)燃燒系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化具有重要意義。本文采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法系統(tǒng)地研究特定條件下預(yù)混火焰的點(diǎn)火和火焰?zhèn)鞑ヌ匦�。本文首先研究了預(yù)混氣體的點(diǎn)火特性。采用水蒸氣等稀釋氣體的貧預(yù)混燃燒技術(shù)是富氧燃燒及低NOx燃燒的重要技術(shù),燃燒不穩(wěn)及難以點(diǎn)燃等仍是該技術(shù)面臨的主要問題。通過采用詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的一維預(yù)混火焰數(shù)值模擬,系統(tǒng)地研究了不同燃料(甲烷、正丁烷和正癸烷)在水蒸氣稀釋的空氣環(huán)境下的點(diǎn)火特性。探討了常壓或低壓環(huán)境下添加稀釋水蒸氣對這些預(yù)混可燃?xì)怏w點(diǎn)火的影響。研究獲得了不同壓力下的最小點(diǎn)火能隨水蒸氣稀釋率的變化關(guān)系,結(jié)果表明,最小點(diǎn)火能隨稀釋率的增大呈現(xiàn)出指數(shù)增大的關(guān)系,并與壓力成反比。研究發(fā)現(xiàn),不同壓力下甲烷/空氣的最小點(diǎn)火能與壓力的乘積是水蒸氣稀釋率的多項(xiàng)式函數(shù),正丁烷和正癸烷等燃料也有類似的規(guī)律。此外,論文分析了稀釋水蒸氣的稀釋效應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)效應(yīng)、三體反應(yīng)效應(yīng)和熱輻射效應(yīng)對甲烷/空氣點(diǎn)火特性的影響,結(jié)果表明三體重組反應(yīng)是增大最小點(diǎn)火能、降低著火極限的關(guān)鍵。其次本文研究了預(yù)混氣體的火焰?zhèn)鞑ヌ匦�。層流火焰速度是預(yù)混燃?xì)鈱恿魅紵^程的重要特征參數(shù),它決定了燃?xì)獾娜紵俾?反映了預(yù)混火焰的穩(wěn)定性,并常被用于驗(yàn)證不同燃料的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。本文采用雙腔泄壓式燃燒彈實(shí)驗(yàn)測量貧燃預(yù)混氫氣/氧氣/氦氣在不同壓力下的層流火焰速度,其中壓力取值范圍從0.5atm到7.0 atm。與此同時,采用四種不同的描述氫氣化學(xué)反應(yīng)的詳細(xì)機(jī)理,并基于該詳細(xì)機(jī)理模擬分析了與實(shí)驗(yàn)類似工況的向外傳播的球形火焰的特性。結(jié)果表明,低壓下,尤其是在P0.7atm時,層流火焰速度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比四種機(jī)理的預(yù)測值均略高,層流火焰速度的測量結(jié)果隨著壓力增加而單調(diào)降低,然而層流火焰速度的模擬計算值卻隨壓力的增加呈先增加后減小的趨勢。高壓下,層流火焰速度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與化學(xué)機(jī)理預(yù)測值基本一致。通過研究上述實(shí)驗(yàn)和計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)貧燃?xì)錃獾目偘磻?yīng)級數(shù)n在超低壓下可大于2,高壓時n可減小為負(fù)值。第三,通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法,本文研究了貧燃合成氣的層流火焰?zhèn)鞑ヌ匦?重點(diǎn)對比了高壓下球形火焰法和熱流法的層流火焰速度測量結(jié)果及機(jī)理預(yù)測值的異同。結(jié)果表明,合成氣的球形火焰法測量值與三種機(jī)理的預(yù)測結(jié)果均非常吻合,說明這三種機(jī)理均能很好地預(yù)測貧燃富氫合成氣的層流火焰速度,而熱流法測量獲得的層流火焰速度卻低于球形火焰的實(shí)驗(yàn)值及機(jī)理預(yù)測值。最后本文通過采用詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的數(shù)值模擬方法,研究了預(yù)混氣體冷焰現(xiàn)象的點(diǎn)火和傳播特性。由于對低溫燃燒穩(wěn)定性、燃料重整性能等的重要影響,低溫化學(xué)反應(yīng)引起的冷焰受到了越來越多的關(guān)注,而目前對預(yù)混氣體冷焰現(xiàn)象的引發(fā)機(jī)理和傳播特性還不清楚。本文通過考慮詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和運(yùn)輸參數(shù)的一維層流火焰數(shù)值模擬,系統(tǒng)地研究了預(yù)混二甲醚/空氣混合物的冷焰現(xiàn)象的引發(fā)、傳播和消失過程。模擬中通過一個溫度和尺寸適宜的熱點(diǎn)來觸發(fā)預(yù)混氣體混合物的低溫化學(xué)反應(yīng),以實(shí)現(xiàn)冷焰的引發(fā)。由于在冷焰?zhèn)鞑テ陂g,在其中心處發(fā)生了高溫化學(xué)反應(yīng),進(jìn)而引發(fā)在冷焰后面?zhèn)鞑サ臒峄鹧?便形成了預(yù)混冷、熱火焰共存的雙火焰結(jié)構(gòu)。由于熱火焰?zhèn)鞑ケ壤溲娓?它最終會追上冷焰并與之融合。本文還研究了冷焰的火焰?zhèn)鞑ニ俣?分析了影響冷焰?zhèn)鞑ズ蜔峄鹧娉霈F(xiàn)不同因素,發(fā)現(xiàn)當(dāng)量比越大,初始溫度或氧氣濃度越高,預(yù)混冷焰?zhèn)鞑サ脑娇?熱火焰也出現(xiàn)的越早。研究中采用了三種二甲醚氧化的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理,雖然這三種機(jī)理預(yù)測的熱火焰?zhèn)鞑ニ俣然鞠嗤?但冷焰?zhèn)鞑ニ俣葏s存在較大的差異。為此,亟待結(jié)合冷焰速度的實(shí)驗(yàn)測量完善其低溫化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。
【圖文】：

圖 1.1 柴油機(jī) ( a ) 和汽油機(jī) ( b ) 點(diǎn)火圖Fig. 1.1 Ignition of diesel engine (a) and gasoline engine (b).多數(shù)的燃燒裝置都需要借助電火花點(diǎn)火來實(shí)現(xiàn)在預(yù)務(wù)，所以電火花點(diǎn)火一直被廣泛研究。成功的火花體中的熱量及以自由基形式存在的能量。如果能量，，熱量和自由基從點(diǎn)火核的表面向外傳導(dǎo)擴(kuò)散，成大量的熱和活潑自由基，火焰溫度上升，火焰從點(diǎn)源，火焰也能夠自維持的向外傳播，這意味著點(diǎn)火個復(fù)雜且重要的基礎(chǔ)燃燒問題，也一直是燃燒領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用而獲得了大量的關(guān)注與研究。理論方面了關(guān)于電火花點(diǎn)火的理論，他們認(rèn)為最小點(diǎn)火能Zeldovich 等人[13]根據(jù)熱擴(kuò)散理論，提出最小點(diǎn)火能到質(zhì)量擴(kuò)散對點(diǎn)火的影響，控制點(diǎn)火的特征尺寸又

添加稀釋氣體是稀薄燃燒的常用方式。之前e、Ar、N2、CO2）對氫氣/空氣的最小點(diǎn)火能加化學(xué)反應(yīng)的惰性氣體，CO2為參與化學(xué)反應(yīng)火和火焰?zhèn)鞑�，既描述了點(diǎn)火機(jī)理，又分析了體的稀釋極限，揭示了稀釋氣體的對點(diǎn)火的影入足夠的能量，就會點(diǎn)燃自維持傳播的火焰，火焰分為預(yù)混火焰和非預(yù)混火焰，具體可見一起，燃燒產(chǎn)生的火焰稱之為預(yù)混火焰，預(yù)合均勻，燃燒放熱強(qiáng)度高，燃燒所需空間小和污染排放。非預(yù)混燃燒是指燃料與空氣未焰的內(nèi)側(cè)或外側(cè)，燃燒過程中采用邊擴(kuò)散邊混合面，無法控制燃燒產(chǎn)物的排放。而本文。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TK16

【參考文獻(xiàn)】

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1 張偉闊;茍小龍;孔文俊;陳正;;稀釋氣體對預(yù)混甲烷/空氣點(diǎn)火的影響[J];工程熱物理學(xué)報;2013年06期

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1 周鎮(zhèn);合成氣層流預(yù)混火焰燃燒特性實(shí)驗(yàn)與數(shù)值研究[D];中國科學(xué)院研究生院（工程熱物理研究所）;2013年

2 陶志強(qiáng);中低熱值氣層流火焰特性的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究[D];中國科學(xué)院研究生院（工程熱物理研究所）;2012年

本文編號：2607657