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中南大学学报（自然科学版） 2022年第12期53卷 4589-4601页

作者：侯彬范爱武华中科技大学能源与动力工程学院湖北武汉430074

以燃气灶火孔建立了微圆管射流火焰模型,探究了甲烷掺氢对稳燃极限的影响。首先,选用层流有限速率模型,改变燃气掺氢比和进气速度,通过ANSYS Fluent软件对其燃烧过程进行稳态仿真;然后,确定不同掺氢比下的稳定燃烧的进气速度区间,并从... 详细信息

以燃气灶火孔建立了微圆管射流火焰模型,探究了甲烷掺氢对稳燃极限的影响。首先,选用层流有限速率模型,改变燃气掺氢比和进气速度,通过ANSYS Fluent软件对其燃烧过程进行稳态仿真;然后,确定不同掺氢比下的稳定燃烧的进气速度区间,并从化学反应和热循环效应2个方面对掺氢的影响进行分析。研究结果表明:随着掺氢比(β=0~25%)增加,吹熄极限显著提高,熄火极限略有降低,稳燃区间扩大;当量比保持不变时,甲烷掺氢后预混气中O_(2)的体积分数降低;接近熄火极限时,由于火焰位于管口,外界O_(2)不易被卷吸和扩散至火焰上游,反应速率降低;临近吹熄状态时,由于外部空间的O_(2)被卷吸和扩散至火焰内部,抵消了预混气中O_(2)含量差别带来的影响;甲烷掺氢后H自由基增加,燃烧速率升高,火焰更靠近微管,加强了火焰与管壁之间的传热,改善了微管内壁对未燃预混气的预热作用,且进气速度越低,预热效果越显著;热循环效应导致甲烷掺氢拓展了熄火极限,而吹熄极限提高则主要归因于掺氢促进了化学反应。

关键词：掺氢燃烧微射流火焰燃烧极限反应速率热循环效应

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利用平面激光诱导荧光技术及CH滤镜测量微喷管射流火焰OH及CH基元

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光学精密工程 2017年第5期25卷 1119-1125页

作者：李星蒋利桥杨浩林张京赵黛青中国科学院广州能源研究所中国科学院可再生能源重点实验室广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室

微射流火焰形貌观测及火焰中重要基元的准确测量,对利用微尺度火焰燃烧特性研制开发微型燃烧动力系统具有重要意义。本文建立了微喷管射流火焰实验及光学测量系统,对H;和CH;微射流火焰进行了实验研究,测量了两种重要基元（CH,OH）的空... 详细信息

微射流火焰形貌观测及火焰中重要基元的准确测量,对利用微尺度火焰燃烧特性研制开发微型燃烧动力系统具有重要意义。本文建立了微喷管射流火焰实验及光学测量系统,对H;和CH;微射流火焰进行了实验研究,测量了两种重要基元（CH,OH）的空间分布。首先,探索了相机曝光时间对H;微射流火焰成像的影响,得到了不同流速下H;微射流火焰形貌的变化规律。其次,采用平面激光诱导荧光测量技术得到了不同燃料流速下H;及CH;微射流火焰中OH基元分布,同时还利用单反相机加CH滤镜通过长时间曝光（30s）的方法获得了CH;微射流火焰中CH基元的分布。结果表明,火焰图像清晰度随曝光时间增加提高,曝光时间30s时可获得H;微射流火焰的清晰照片;采用分辨率2 048×2 048的ICCD相机可获得微尺度火焰OH基元分布的清晰图像。微射流火焰形貌及重要基元的实验结果表明相关数值计算方法准确可靠。

关键词：光学测量激光光谱平面激光诱导荧光微射流火焰 OH CH

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甲烷掺氢部分预混微管射流火焰稳定性和燃烧排放特性

甲烷掺氢部分预混微管射流火焰稳定性和燃烧排放特性

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作者：侯彬华中科技大学

学位级别：硕士

中国家用天然气（主要成分为甲烷）消耗量巨大,主要通过燃气灶燃烧利用,因此,基于燃气灶掺氢燃烧的减排潜力可观。然而,有关甲烷掺氢射流火焰的稳燃机理、熄火动力学和排放特性的研究亟待深入开展。鉴于此,本文以直径为3 mm的燃气灶单... 详细信息

中国家用天然气（主要成分为甲烷）消耗量巨大,主要通过燃气灶燃烧利用,因此,基于燃气灶掺氢燃烧的减排潜力可观。然而,有关甲烷掺氢射流火焰的稳燃机理、熄火动力学和排放特性的研究亟待深入开展。鉴于此,本文以直径为3 mm的燃气灶单个圆形火孔为研究对象,通过数值模拟对甲烷掺氢射流火焰的燃烧特性展开了一系列研究,主要内容和结论如下:（1）获得了不同掺氢比下甲烷微射流火焰的稳燃极限,结果显示甲烷掺氢后显著拓宽了稳燃区间。分析表明:在固定当量比的前提下,临近熄火极限时,掺氢后预混气中氧气含量降低,使得反应速率减小,但强化了火焰与微管间的换热,未燃预混气的预热效应加强,使得燃烧稳定性增强。临近吹熄状态时,火焰根部远离微管出口,且进气质量流量高,未燃气的预热效果有限,但由于外部氧气的卷吸和扩散,以及掺氢后H自由基浓度的增加,使得整体燃烧反应速率加强,进而提高燃烧稳定性。（2）通过瞬态模拟展现了不同掺氢比下甲烷射流火焰的熄火过程,发现了火焰振荡现象,且振荡次数随掺氢比的增大而增多,熄火过程随掺氢比的增大而延长。分析表明:由于熄火过程较短,微管壁温变化存在滞后性,壁面对气体的预热效应的非常微弱,掺氢对熄火过程的影响主要体现在化学效应方面。具体来说,进气速度减小后,总反应速率先降低,氧气消耗速率小于补给速率,火焰中心的氧气浓度升高,掺氢后促进了基元反应H+O（?）O+OH,总反应速率又有所升高,使得火焰发生振荡,但由于燃料输入量减少最终导致发生熄火。（3）探究了掺氢对甲烷射流火焰排放特性的影响规律,结果发现CO和NOx的排放水平均随着掺氢比的增加而降低。分析表明:掺氢对CO消耗反应的直接促进作用要比对生成反应的间接促进作用更为显著。虽然掺氢后火焰温度升高,但并不明显,而燃烧高温区减小,且掺氢后预混气中的氧气含量降低,因此NOx排放减少。

关键词：微射流火焰掺氢燃烧稳燃极限熄火动力学排放特性

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浮升力对微射流氢气火焰影响的数值模拟研究

浮升力对微射流氢气火焰影响的数值模拟研究

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作者：赵明华中科技大学

学位级别：硕士

射流火焰具有简单易控制的优点,是最常用的一种燃烧方式。与常规尺度的射流火焰相比,微尺度射流火焰的燃烧特性会发生诸多变化。例如,流动状态由湍流变为层流,火焰形状变得规则;由于面体比的增大,火焰与壁面之间的传热加强等。此外,在... 详细信息

射流火焰具有简单易控制的优点,是最常用的一种燃烧方式。与常规尺度的射流火焰相比,微尺度射流火焰的燃烧特性会发生诸多变化。例如,流动状态由湍流变为层流,火焰形状变得规则;由于面体比的增大,火焰与壁面之间的传热加强等。此外,在重力环境下,浮升力对微射流火焰也具有一定的影响。由于微射流火焰的稳定性较差,尤其是在极端工况,如非常低的燃料流量下,浮升力对它的影响可能会更大。因此,本文采用数值模拟的方法研究不同燃料速度和无伴流空气的情况下浮升力对大空间和受限空间内微射流氢气火焰的结构、燃烧效率、温度分布、流场等方面的影响,并对无浮升力条件下套管内径等几何参数对微射流氢气火焰的影响进行研究。首先,研究了浮升力对自由大空间微射流火焰的影响。与无浮升力的情况相比,浮升力会加剧火焰侧面的冷空气流动,使火焰被压缩,火焰的高度和宽度都变小。同时高温区变得狭小,火焰温度略低。在中、高射流速度下,有浮升力时尽管火焰体积减小,但局部热释放速率更大,燃烧效率并未降低。但在极低燃料速度下,浮升力使火焰散热增加,燃烧效率减小,给燃烧带来负面影响。然后,研究了浮升力对小套管中微射流火焰的影响。发现浮升力会显著地提高空气的供给量。有浮升力时的燃料速度下限远低于无浮升力情况。前者的火焰在所有速度下都位于喷管出口上方,随着速度增大,原本封闭的火焰顶部会逐渐打开。而后者的火焰在低速时位于喷管出口下方,随着速度增大,火焰向上移动,在所有速度下火焰顶部都有较大缺口。在相同燃料速度下,有浮升力时的燃烧效率、火焰温度、排气温度都显著高于无浮升力时的情况。对比低速和高速下浮升力对燃烧的影响后发现,燃料速度越小,浮升力对燃烧特性的影响程度越大。最后,研究了套管射流燃烧器的结构参数(套管内径、喷管内径和套管长度)对燃烧状况的影响。结果显示,套管内径越大,火焰体积越大。增大套管内径可以提高引射空气量,使燃烧效率升高,同时火焰温度、排气温度以及外壁面的平均温度均会升高。减小喷管内径,燃料速度下限和上限都变小,在相同燃料流量下其火焰较为狭长,引射系数更大,燃烧效率更高。因而火焰温度、排气温度和外壁面温度都更高。减小喷管出口下方的套管长度可以轻微地提升燃烧效率。减小喷管出口上方的套管长度在低速下能提高燃烧效率,但在高速下反而降低燃烧效率。总体而言,套管长度对燃烧效率的影响与套管内径和喷管内径相比较小。

关键词：微射流火焰浮升力作用火焰结构扩散火焰引射系数燃烧效率

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