【摘要】：能源是人類各項(xiàng)活動(dòng)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。在過去幾十年中,我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展,但由此也帶來日益顯著的能源及環(huán)境問題。目前我國火力發(fā)電最主要的原材料是煤炭,然而對(duì)其極度依賴,不僅將面臨著資源日益枯竭的困境,還導(dǎo)致了較為嚴(yán)重的SOx、NOx、粉塵等大氣污染物以及CO2的排放,隨之而來的環(huán)境問題,如霧霾、酸雨、氣候變暖等也日益嚴(yán)峻,嚴(yán)重危害到周邊居民的身心健康。因而,研究和發(fā)展不依賴于煤炭的發(fā)電技術(shù),具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。其中,以氣體燃料為工質(zhì)的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù),不僅能解決鋼鐵工業(yè)的電力生產(chǎn)問題,而且在節(jié)能減排和環(huán)境改善方面也有所突破。燃?xì)廨啓C(jī)是一種旋轉(zhuǎn)鍋爐式熱力發(fā)動(dòng)機(jī),它把熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,并使用連續(xù)流動(dòng)的氣體作為工質(zhì)。它最初應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域,之后在能源、國防、交通等領(lǐng)域獲得廣發(fā)應(yīng)用,成為這些領(lǐng)域高新科技的核心裝備。燃?xì)廨啓C(jī)課題研究的重點(diǎn)是燃燒器的設(shè)計(jì)和性能分析,而對(duì)燃燒器的火焰檢測(cè)則是分析燃燒器性能、優(yōu)化燃燒器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的重要手段。本文以過程層析成像(Process tomography,PT)技術(shù)為基礎(chǔ),針對(duì)本實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)研發(fā)的錐形燃?xì)廨啓C(jī)旋流環(huán)保型燃燒器(即Swirl-induced environmental burner,簡稱EV燃燒器)進(jìn)行三維內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可視化火焰檢測(cè),開展的主要工作有:一、設(shè)計(jì)和搭建了基于過程層析成像系統(tǒng)的火焰檢測(cè)平臺(tái)。過程層析成像技術(shù)是一種應(yīng)用于工業(yè)可視化檢測(cè)領(lǐng)域的非侵入式實(shí)時(shí)測(cè)量方法,可以在不破壞被測(cè)工質(zhì)的狀態(tài)下,對(duì)工業(yè)過程量及被測(cè)參數(shù)的內(nèi)部行為進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成像。其中電容層析成像技術(shù)(Electric capacitance tomography,ECT)是一種以電容變化量為檢測(cè)參數(shù)的過程層析成像技術(shù),被認(rèn)為是多相流檢測(cè)領(lǐng)域最有前景的可視化檢測(cè)方法之一。將ECT應(yīng)用于火焰檢測(cè)領(lǐng)域是對(duì)該技術(shù)的一項(xiàng)應(yīng)用創(chuàng)新。盡管目前學(xué)術(shù)界仍對(duì)ECT檢測(cè)火焰的機(jī)理存在爭(zhēng)議,但已普遍認(rèn)可ECT能夠檢測(cè)到火焰的電離現(xiàn)象。本文在前人的工作基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)和制作了多種適用于三維火焰檢測(cè)的電容傳感器,包括平面電極片全開放式傳感器及平面與環(huán)形電極片集成式傳感器,采用三維圖像重建及數(shù)據(jù)融合等數(shù)據(jù)處理方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)火焰的燃燒狀況及三維內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)成像。二、為了實(shí)現(xiàn)與ECT重建的火焰圖像進(jìn)行對(duì)照分析,本文在電學(xué)層析成像技術(shù)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步融合平面激光誘導(dǎo)熒光(Planar laser induced fluorescence,PLIF)技術(shù)等光學(xué)手段,實(shí)現(xiàn)對(duì)火焰中OH自由基的濃度分布實(shí)時(shí)檢測(cè)。PLIF技術(shù)是一種用以探測(cè)待測(cè)的分子或原子被激光激發(fā)后在特定的量子態(tài)聚居密度的共振躍遷技術(shù),在特定染料的激發(fā)下可用于檢測(cè)火焰中OH自由基在平面內(nèi)的濃度分布。根據(jù)火焰的電離理論,火焰中OH自由基聚居密度較大的區(qū)域通常也是火焰中燃燒化學(xué)反應(yīng)較為劇烈的區(qū)域,體現(xiàn)在ECT圖像中即為灰度值較高的區(qū)域。因此原理上可以將OH-PLIF檢測(cè)圖像與ECT的重建圖像進(jìn)行對(duì)照分析,兩者的測(cè)量結(jié)果可以相互印證。三、本文還通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational fluid dynamics,CFD)的方法對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的EV燃燒器進(jìn)行三維空間的數(shù)值模擬,采用非穩(wěn)態(tài)湍流模型和湍流與化學(xué)反應(yīng)相互作用的渦耗散概念(Eddy dissipation concept,EDC)燃燒模型對(duì)層流火焰及湍流火焰進(jìn)行模擬,計(jì)算出實(shí)驗(yàn)條件下甲烷火焰的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組分及流場(chǎng)分布情況,并與ECT及OH-PLIF的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)照分析。數(shù)值仿真結(jié)果不僅可以與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行良好的對(duì)照,還可以補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分析燃燒反應(yīng)的其他燃燒過程產(chǎn)物等,為后續(xù)燃燒器的研究提供理論分析基礎(chǔ)。本文在對(duì)錐形燃?xì)廨啓C(jī)旋流環(huán)保型(EV)燃燒器的燃燒特性深入了解的基礎(chǔ)上,采用基于電學(xué)的過程層析成像技術(shù)(ECT)實(shí)現(xiàn)對(duì)火焰內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)的可視化檢測(cè),融合了平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(PLIF)研究火焰組分,并結(jié)合數(shù)值模擬的方法從多角度對(duì)錐形燃燒器的結(jié)構(gòu)及其燃燒狀態(tài)進(jìn)行分析,為后續(xù)深入研究奠定基礎(chǔ)。
【圖文】：

產(chǎn)生高溫火焰。本生燈因燃燒效率高，產(chǎn)生污染小，自面世以來便逡逑在實(shí)驗(yàn)室中得到了廣泛應(yīng)用。逡逑本生燈的結(jié)構(gòu)如下圖２－１所示。本生燈通過橡膠喉管與煤氣罐相連。本生逡逑燈的調(diào)節(jié)閥可以調(diào)節(jié)燃?xì)饬髁浚諝庹{(diào)節(jié)環(huán)通過控制氣孔開閉狀態(tài)可以調(diào)節(jié)逡逑進(jìn)入燃燒器管道內(nèi)的預(yù)混空氣量。使用本生燈前應(yīng)將其置于防火板上，并關(guān)閉逡逑氣孔；之后啟動(dòng)燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥，點(diǎn)燃本生燈，這時(shí)火焰為橙色，燃燒不充分；再逡逑打開空氣調(diào)節(jié)環(huán)讓新鮮空氣進(jìn)入，火焰轉(zhuǎn)為藍(lán)色，溫度升高。逡逑１５逡逑

由Ｈ然燒過程中反應(yīng)產(chǎn)物被加熱，使得產(chǎn)物的密度小ｊ邋？反應(yīng)物的密度，因逡逑此，燃燒產(chǎn)物的速度耍大于未燃?xì)怏w的速度，氣流在火焰鋒ｉｆ）丨前后有明顯的加逡逑速。如圖２－２中所標(biāo)注，未燃燒的Ｍ混合＼休在火焰峰１〖１１的前端，經(jīng)過化學(xué)反逡逑應(yīng)的高溫燃燒產(chǎn)物則位］１？火焰鋒面的后端。穩(wěn)定燃燒后本少燈的火焰如丨：圖２－２逡逑所示。火焰從結(jié)構(gòu)上可以分三層：內(nèi)層火焰溫度約為３００°Ｃ，是Ｈ２０、Ｃ０、逡逑丨１、（：０２和Ｎ、０的混合物，稱為焰心。中層為火焰的反應(yīng)區(qū)，火焰溫度約逡逑５００°Ｃ，燃?xì)庠诖耍庞蜷_始燃燒，但是，燃燒＋完全，火焰呈淡藍(lán)色，這部分火逡逑焰被稱為還原焰，也叫內(nèi)焰。外層氧氣供給十分充分，燃?xì)馔耆紵�，此處火逡逑焰的溫度最高，〖４達(dá)８００？９００°Ｃ，火焰呈淡紫色，，這部分火焰稱為氧化焰，也逡逑稱外焰。根據(jù)前文所述火焰中發(fā)生燃燒反應(yīng)最劇烈的區(qū)域?yàn)榭焖俜磻?yīng)區(qū)，即火逡逑焰中內(nèi)焰與外焰的交界面。逡逑２．１．１．２邋；而流火焰逡逑湍流火焰又稱紊流火焰，與層流火焰相比，火焰的長度縮短，并有明顯的逡逑噪聲
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：X773;TK473

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2699021