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掺氢比对高Ka数射流预混湍流火焰的影响

燃烧科学与技术 2021年第1期27卷 52-59页

作者：俞森彬刘潇周波隆德大学能源科学系瑞典隆德22100 哈尔滨工程大学动力与能源工程学院哈尔滨150001 南方科技大学力学与航空航天工程系深圳518055

在同步多物种平面激光诱导荧光(PLIF)测量的实验基础上,采用大涡模拟(LES)湍流模型耦合输运概率密度函数(TPDF)燃烧模型,以及44组分及268步CH4化学反应机理模拟了CH4/H2/空气混合气的不同掺氢比(0,20%,50%)时对高Ka数下预混湍流射流火... 详细信息

在同步多物种平面激光诱导荧光(PLIF)测量的实验基础上,采用大涡模拟(LES)湍流模型耦合输运概率密度函数(TPDF)燃烧模型,以及44组分及268步CH4化学反应机理模拟了CH4/H2/空气混合气的不同掺氢比(0,20%,50%)时对高Ka数下预混湍流射流火焰的影响.结果表明,LES耦合TPDF模型可以较为准确地捕捉火焰高度,模拟该类火焰的速度分布、反应锋面CH的分布以及火焰褶皱及局部熄火等现象.随着掺氢比的升高,火焰高度降低,火焰根部的局部熄火得到显著改善.相比于掺氢,在未掺氢时,由于其更小的临界拉伸率及更少的H2与伴生火焰带来的自由基反应的机会,使得火焰根部出现局部熄火更为频繁.同时进一步发现,火焰根部的燃烧模式与主燃烧区域存在很大区别,火焰根部的扩散作用更为显著.

关键词：分布反应区局部熄火燃烧模式大涡模拟-TPDF燃烧模型掺氢

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预混湍流3D火焰面密度和燃料消耗率的估计

工程热物理学报 2015年第7期36卷 1578-1583页

作者：张猛俞森彬金武王金华黄佐华西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室西安710049

利用平面激光诱导荧光(OH-PLIF)技术测量了CH_4/air预混湍流火焰前锋面结构,通过图片处理得到了测量平面上的二维火焰面密度。基于不同的假设建立了三种不同模型,利用二维探测得到的火焰面信息来估计三维火焰面密度在测量面上的值,通过... 详细信息

利用平面激光诱导荧光(OH-PLIF)技术测量了CH_4/air预混湍流火焰前锋面结构,通过图片处理得到了测量平面上的二维火焰面密度。基于不同的假设建立了三种不同模型,利用二维探测得到的火焰面信息来估计三维火焰面密度在测量面上的值,通过积分三维火焰面密度估计值得到燃烧系统的燃料消耗率。结果表明,预混湍流火焰前锋面为凹凸的褶皱结构,平面测量的二维火焰面密度明显低估了真实的火焰面密度,利用模型估计得到的3D火焰面密度对2D值有明显的改善。燃烧系统的燃料消耗率可以用来评估模型的可靠性,结果表明模型的误差都在40%以内。

关键词： OH-PLIF 湍流火焰前锋面 3D火焰面密度燃料消耗率

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非预混旋流火焰中部熄火及重新稳燃机理研究

工程热物理学报 2021年第12期42卷 3312-3319页

作者：俞森彬刘潇郑洪涛 A.M.Elbaz Division of Fluid Mechanics Lund UniversitySweden 22100 哈尔滨工程大学动力与能源工程学院哈尔滨150001 Clean Combustion Research Center King Abdullah University of Science and TechnologySaudi Arabia 999088

本文利用5kHz同步PIV/OH-PLIF实验装置,结合大涡模拟(LES)耦合PDF燃烧模型,系统研究燃料中心喷射下非预混旋流火焰中部熄火及再次稳燃机理,对比了两种旋流器出口结构的影响。结果表明,LES-PDF模型可以准确地捕捉到旋流流场分布及火焰形... 详细信息

本文利用5kHz同步PIV/OH-PLIF实验装置,结合大涡模拟(LES)耦合PDF燃烧模型,系统研究燃料中心喷射下非预混旋流火焰中部熄火及再次稳燃机理,对比了两种旋流器出口结构的影响。结果表明,LES-PDF模型可以准确地捕捉到旋流流场分布及火焰形态,包括中部熄火及火焰重新稳定。相比于直燃道的结构,扩张燃道的存在引导了更宽的回流区,改善了中部熄火现象,两种结构对其下游的主火焰再次稳燃高度影响不大。中央燃气射流带来的高标量耗散率使得热损失变大,从而引起中部熄火。同时进一步促进了CH_(4)与空气的预先混合及部分反应前置物(CH_(2)O),为非预混旋流火焰在下游重新稳燃提供了有利条件。通过对火焰再次稳燃处OH反应项及扩散项的分析,发现反应项占据主导地位,部分预混火焰传播为再次稳燃的主要机理。

关键词： LES-PDF 旋流火焰中部熄火火焰稳燃反应前锋

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基于旋流火焰根部熄火现象的FGM模型研究

燃烧科学与技术 2020年第4期26卷 301-309页

作者：俞森彬刘潇刘欣张志浩隆德大学能源科学系瑞典隆德22100 哈尔滨工程大学动力与能源工程学院哈尔滨150001 隆德大学燃烧物理系瑞典隆德22100

针对原尺寸的复杂几何预混旋流燃烧器开展了同步OH/CH2O-PLIF测量,并利用发展的带拉伸查表法(SFGM)耦合大涡模拟(LES)的方法模拟了相同雷诺数下(Re=10000)稳定火焰及临近吹熄下的旋流燃烧特性.发展的SFGM模型在化学反应源项中引入与拉... 详细信息

针对原尺寸的复杂几何预混旋流燃烧器开展了同步OH/CH2O-PLIF测量,并利用发展的带拉伸查表法(SFGM)耦合大涡模拟(LES)的方法模拟了相同雷诺数下(Re=10000)稳定火焰及临近吹熄下的旋流燃烧特性.发展的SFGM模型在化学反应源项中引入与拉伸率直接相关的着火因子,如此拉伸率则无需与进展变量耦合建表,极大地缩小了建表工作量.随后将模拟结果与实验结果对比,验证了LES耦合SFGM模型可以较为准确地捕捉复杂几何旋流预混燃烧的火焰形态(OH及CH2O×OH分布):如预测到预混管出口处的局部熄火位置,临近吹熄的火焰相比于稳燃火焰有更高的抬升高度.在强旋流下,湍流火焰的传播速度和湍流速度的脉动值成正相关,火焰前锋面在上游侧的边缘位置很大程度上由流场向下游扩张的轴向速度和中央回流区(CRZ)中的主体火焰向上游传播的速度共同决定.随着当量比降低到熄火极限,CRZ内的混合物被不断稀释,火焰逐渐破碎成孤立的火核;与此同时,燃烧温度下降导致火焰传播速度降低,而流场速度不变,火焰前锋面被吹向下游远离CRZ并最终被吹熄.

关键词：旋流预混燃烧 LES SFGM 火焰稳定吹熄

CH_4/H_2/CO_2/O_2平面火焰细胞状不稳定性研究

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工程热物理学报 2015年第11期36卷 2502-2505页

作者：金武王金华俞森彬谢永亮黄佐华西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室西安710049

本文采用OH-PLIF探测系统对在McKenna平面火焰炉上产生CH_4/H_2/CO_2/O_2细胞状火焰进行了定量测量和分析。研究发现,平面火焰在稀燃极限附近会出现胞状结构,细胞数量随当量比/掺氢比的增加而增加,主要是由火焰自身不稳定性导致。同时... 详细信息

本文采用OH-PLIF探测系统对在McKenna平面火焰炉上产生CH_4/H_2/CO_2/O_2细胞状火焰进行了定量测量和分析。研究发现,平面火焰在稀燃极限附近会出现胞状结构,细胞数量随当量比/掺氢比的增加而增加,主要是由火焰自身不稳定性导致。同时我们通过OH-PLIF图片定量提取并定义了相关参数以表征平面火焰的不稳定程度,并发现随着火焰悬浮距离的减少火焰趋向于稳定,火焰对炉面的热损失有抑制不稳性发生的作用。通过线性理论分析,我们发现RS模型能够很好预测火焰稳定性随当量比变化趋势,但无法预测随掺氢比的变化趋势。在掺氢状态下,火焰面离炉面更近,炉面对火焰不稳定性的抑制作用不可忽视,故理论模型对掺氢影响的预测失效。

关键词： OH-PLIF McKenna平面火焰炉细胞状火焰不稳定性

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合成气预混层流本生灯火焰顶端开口机理研究

工程热物理学报 2015年第8期36卷 1841-1845页

作者：王金华俞森彬卫之龙金武谢永亮黄佐华西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室西安710049

利用OH-PLIF火焰结构激光诊断技术获得了不同当量比下CO:H_2为1:4的合成气预混层流本生灯火焰OH基分布。结合STAR-CD模拟结果,分析了拉伸率和优先扩散随当量比的变化规律,以及变当量比条件下拉伸率和优先扩散的相互作用机理。结果表明,... 详细信息

利用OH-PLIF火焰结构激光诊断技术获得了不同当量比下CO:H_2为1:4的合成气预混层流本生灯火焰OH基分布。结合STAR-CD模拟结果,分析了拉伸率和优先扩散随当量比的变化规律,以及变当量比条件下拉伸率和优先扩散的相互作用机理。结果表明,本生灯火焰顶端是强烈负拉伸,由火焰弯曲引起的强负拉伸和流动引起的微弱正拉伸共同作用。在稀燃条件下,随当量比的减小,顶端负拉伸作用增强,加剧局部优先扩散作用,引起未燃混合气中的燃料比例下降,削弱顶端局部燃烧强度,导致顶端开口现象。

关键词：顶端开口拉伸率 OH-PLIF 优先扩散合成气

CH_4/空气和C_3H_8/空气预混湍流火焰结构及湍流火焰速度测量

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燃烧科学与技术 2016年第4期22卷 329-334页

作者：俞森彬王金华聂要辉张猛金武黄佐华西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室西安710049

利用OH-PLIF技术探测了CH4/空气和C3H8/空气混合气在不同湍流强度下的预混湍流瞬时火焰前锋面结构,通过湍流产生板产生了弱湍流区内的不同湍流强度,通过控制当量比调节火焰密度比和路易斯数,计算了实验中的层流火焰特征参数,分析了湍流... 详细信息

利用OH-PLIF技术探测了CH4/空气和C3H8/空气混合气在不同湍流强度下的预混湍流瞬时火焰前锋面结构,通过湍流产生板产生了弱湍流区内的不同湍流强度,通过控制当量比调节火焰密度比和路易斯数,计算了实验中的层流火焰特征参数,分析了湍流强度和火焰特征参数对预混湍流火焰结构、湍流火焰速度的影响.结果表明:火焰前锋面结构的褶皱程度随湍流强度的增大而明显增强.在相同湍流强度下,CH4/空气火焰比C3H8/空气火焰更加褶皱.通过提取火焰OH-PLIF图像锋面,分别用角度法和面积法计算了湍流火焰速度,获得了弱湍流条件下湍流火焰速度与湍流强度的一般关系式.在相同密度比下,即相同流体动力学不稳定性下,热扩散不稳定性更大的CH4/空气比C3H8/空气的湍流火焰速度更大,而在路易斯数接近且热扩散不稳定性处于次要地位时,密度比大的CH4/空气流体动力学不稳定性更大,其对湍流火焰速度的影响也更大.

关键词：平面激光诱导荧光预混湍流火焰火焰前锋面结构湍流火焰速度不稳定性

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自适应阈值二值法提取湍流火焰前锋面结构

燃烧科学与技术 2016年第3期22卷 212-217页

作者：张猛王金华俞森彬金武黄佐华雍宏巍孟德宇西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室西安710049 西安交通大学数理统计学院西安710049

采用局部自适应阈值的二值方法,提取预混湍流火焰前锋面结构,介绍了其算法原理,自适应阈值法结合图像全局信息,根据局部像素信息选取当地阈值二值化图像,并利用种子生长法除噪,得到清晰的火焰边界.在不同压力条件下,对比甲烷/空气预混... 详细信息

采用局部自适应阈值的二值方法,提取预混湍流火焰前锋面结构,介绍了其算法原理,自适应阈值法结合图像全局信息,根据局部像素信息选取当地阈值二值化图像,并利用种子生长法除噪,得到清晰的火焰边界.在不同压力条件下,对比甲烷/空气预混湍流火焰OH-PLIF图片利用本算法和传统二值方法以及Matlab自带边缘提取算法的处理结果.结果表明,当图像对比度不均匀或边界模糊时,传统二值法和Matlab自带边缘算法出现严重噪声,导致火焰前锋面无法分辨,而本方法仍能得到清晰连续的火焰前锋面.

关键词：自适应阈值二值法预混湍流火焰火焰前锋面结构