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采用正交各向热异性壁面材料提升微通道火焰稳定性的数值模拟研究

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热能动力工程 2022年第9期37卷 114-119页

作者：田坤康鑫武汉理工大学船海与能源动力工程学院湖北武汉430063 武汉理工大学土木工程与建筑学院湖北武汉430070

为深入分析不同壁面导热率对微尺度燃烧器稳燃性能的影响,使用基于OpenFOAM框架开发的低马赫数反应流求解器,并结合DRM-19化学反应机理对正交各向热异性的微型平行平板内甲烷/空气预混火焰稳定性开展了数值模拟。模拟结果表明:相比于各... 详细信息

为深入分析不同壁面导热率对微尺度燃烧器稳燃性能的影响,使用基于OpenFOAM框架开发的低马赫数反应流求解器,并结合DRM-19化学反应机理对正交各向热异性的微型平行平板内甲烷/空气预混火焰稳定性开展了数值模拟。模拟结果表明:相比于各向热同性壁面材料,正交各向热异性材料能够显著提升壁面对通道上游附近未燃气体的预热作用,同时减少燃烧器向外界环境的热损失,可达到提高火焰吹出极限的效果。

关键词：微尺度燃烧壁面正交各向热异性火焰稳定性

微小尺度条件下甲醇燃烧火焰稳定性的研究与电场调控

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微小尺度条件下甲醇燃烧火焰稳定性的研究与电场调控

作者：毛欢江苏大学

学位级别：硕士

微小尺度燃烧器具有体积小、重量轻、能量密度高等优点,可作为微动力装置的供能模块,近年来受到了广泛的关注。然而,微小尺度燃烧器较小的内部尺寸使得燃料驻留时间缩短,较大的面容比会导致热损失增大,易引发自由基淬灭和热淬熄现象,导... 详细信息

微小尺度燃烧器具有体积小、重量轻、能量密度高等优点,可作为微动力装置的供能模块,近年来受到了广泛的关注。然而,微小尺度燃烧器较小的内部尺寸使得燃料驻留时间缩短,较大的面容比会导致热损失增大,易引发自由基淬灭和热淬熄现象,导致燃烧火焰的稳定性变差。甲醇是一种易获取的清洁燃料,开展微小尺度条件下甲醇燃烧火焰稳定性的研究,对于开发高效、稳定、环保的甲醇微动力装置具有重要意义。本文对微小尺度条件下甲醇燃烧火焰的稳定性进行了试验和数值模拟,分析了多种火焰稳定性评价指标的影响因素与变化规律,基于数据融合方法和机器学习算法,对甲醇微小尺度燃烧火焰稳定性进行了综合分析,在此基础上,利用电场对火焰稳定性较差的工况进行调控,对电场作用下火焰稳定性的变化规律进行了试验和模拟研究。主要工作如下:(1)开展了甲醇微小尺度燃烧试验,通过数字图像处理技术对原始火焰图像进行了去噪、分割等预处理,提取了火焰高度和宽度、有效面积、平均灰度、高温面积率等火焰稳定性的评价指标,分析了各评价指标的影响因素和变化规律。结果表明,火焰高度、平均灰度、有效面积和高温面积率均随着燃烧器内径的增大逐渐减小,火焰宽度则逐渐增加;火焰高度、宽度、平均灰度和有效面积随着甲醇流量的增加逐渐增加,火焰高温面积率先增加后逐渐减小;火焰高度、宽度、平均灰度、有效面积和高温面积率均随着空气流量的增加先增加后减小。(2)改进了甲醇的详细机理,并将其导入到FLUENT软件进行计算,分析了火焰温度、重要组分浓度、关键基元反应速率、累积放热率等火焰稳定性评价指标的影响因素和变化规律,结果表明,改进之后的甲醇机理相对于详细机理,规模大幅度减小,对点火延迟时间、层流火焰速度及重要组分浓度仍具有较高的预测精度;甲醇火焰最高温度、CO、OH和HCO的质量分数峰值、R6和R90的反应速率峰值及甲醇累积放热率峰值随着燃烧器内径的增大均逐渐减小,随着甲醇流量的增加均逐渐增加,随着空气流量的增加均先增加后减小。(3)采用数据融合方法对火焰稳定性的各评价指标进行融合,计算得到了火焰稳定性的综合评价指标——火焰稳定性指数,分析了火焰稳定性指数的影响因素和变化规律。基于机器学习构建了火焰稳定性指数的预测模型,分析了多种工况条件对火焰稳定性的影响。结果表明,火焰稳定性指数随燃烧器管径的增加而逐渐减小,随甲醇流量的增加而先大幅度增加,后缓慢增加逐渐达到峰值,随空气流量的增加先增加后减小,当空气流量为2L·min时火焰稳定性指数达到最大值。BP(Back Propagation)神经网络与支持向量机(Support Vector Machine,SVM)两种机器学习算法构建的火焰稳定性指数的预测模型具有较高的准确性。SVM模型的平均误差小于BP模型,且相关性系数R值更大。(4)进行了电场作用下的甲醇微小尺度燃烧的试验和数值模拟,分析了火焰稳定性较差工况下,电场强度对甲醇微小尺度燃烧火焰结构与燃烧状态的影响,火焰稳定性指标和火焰稳定性指数随电场方向的变化规律。结果表明,火焰高度与火焰宽度随着电场强度的增加逐渐减小,甲醇微小尺度燃烧随着电场强度的增加逐渐加剧;在燃烧器内径为2 mm和电场强度为80 k V·m的条件下,当空气流量与燃料流量一定时,电场的作用减小了火焰高度、宽度与火焰有效面积,增加了火焰平均灰度、高温面积率、火焰峰值温度、重要中间产物浓度、关键基元反应速率与累积放热率。电场作用能够提高火焰稳定性指数,且正向电场的作用效果约为反向电场的两倍。

关键词：甲醇火焰稳定性微小尺度燃烧评价指标稳定性指数数值分析

乙烷含量对天然气、煤层气燃烧速率和火焰稳定性的影响

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工程热物理学报 2011年第3期32卷 509-512页

作者：王维苗海燕齐大民黄佐华蒋德明西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室陕西西安710049

本文在定容燃烧弹中,研究了高温高压(0.75 MPa,450 K)下甲烷-乙烷-空气预混合气火焰传播规律,并系统分析了当量比、混合气中乙烷含量对混合气层流燃烧及火焰稳定性的影响。实验结果表明:随着混合气中乙烷含量的增加,不同当量比下无拉伸... 详细信息

本文在定容燃烧弹中,研究了高温高压(0.75 MPa,450 K)下甲烷-乙烷-空气预混合气火焰传播规律,并系统分析了当量比、混合气中乙烷含量对混合气层流燃烧及火焰稳定性的影响。实验结果表明:随着混合气中乙烷含量的增加,不同当量比下无拉伸火焰燃烧速率均增大,马克斯坦长度增大,表明火焰稳定性增强。在实验范围内,无拉伸火焰传播速率,无拉伸火焰燃烧速率均随着当量的增加先增大后减小,且最大值出现在化学当量比附近。

关键词：定容燃烧弹天然气煤层气火焰稳定性燃烧速率

壁面厚度和材料对平板型微燃烧器中火焰稳定性的影响（英文）

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Journal of Central South University 2019年第8期26卷 2224-2233页

作者：刘磊赵亮范爱武 China Tabacco Hubei Industrial Limited Liability Company Wuhan 430014 China State Key Laboratory of Coal Combustion Huazhong University of Science and TechnologyWuhan 430074 China

微燃烧器中的火焰由于外壁面的散热损失较大而容易失去稳定性,通过上游壁面的热循环则能使火焰稳定性得到增强。这两方面都依赖于燃烧器的壁面传热过程,它和壁面厚度及导热系数密切相关。本文选择两个壁面厚度(δ=0.2 和0.4 mm)和两种... 详细信息

微燃烧器中的火焰由于外壁面的散热损失较大而容易失去稳定性,通过上游壁面的热循环则能使火焰稳定性得到增强。这两方面都依赖于燃烧器的壁面传热过程,它和壁面厚度及导热系数密切相关。本文选择两个壁面厚度(δ=0.2 和0.4 mm)和两种壁面材料(石英和碳化硅),通过数值模拟研究了这两个参数对平板型微燃烧器中氢气/空气火焰稳定性的影响。结果显示:当壁厚δ=0.2 mm 时,两种材料的微燃烧器内火焰都发生了倾斜现象,但是碳化硅燃烧器出现得更晚。当壁厚为δ=0.4 mm 时,石英燃烧器在更大速度时(相对于δ=0.2 mm)仍然发生了火焰倾斜现象,但是碳化硅燃烧器中不再出现。分析表明:壁厚增大能够强化热循环,同时减少散热损失;此外,相对于石英燃烧器来说,碳化硅燃烧器的热循环比例更大,散失损失比例更小。总之,当微燃烧器的壁厚和导热系数较大时,它能获得更大的稳燃极限。

关键词：微燃烧器火焰稳定性火焰倾斜吹熄极限热循环热损失

甲烷/乙烷/空气预混火焰层流燃烧速度与火焰稳定性的数值研究(英文)

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Chinese Journal of Chemical Engineering 2012年第5期20卷 914-922页

作者：陈珊珊蒋勇邱榕安江涛 State Key Laboratory of Fire Science University of Science and Technology

A numerical study on premixed methane/ethylene/air flames with various ethylene fractions and equivalence ratios was conducted at room temperature and atmospheric pressure. The effects of ethylene addition on laminar burning velocity, flame structure and flame stability under the condition of lean burning were investigated. The results show that the laminar burning velocity increases with ethylene fraction, especially at a large equivalence ratio. More ethylene addition gives rise to higher concentrations of H, O and OH radicals in the flame, which significantly promotes chemical reactions, and a linear correlation exists between the laminar burning velocity and the maximum H + OH concentration in the reaction zone. With the increase of ethylene fraction, the adiabatic flame temperature is raised, while the inner layer temperature becomes lower, contributing to the enhancement of combustion. Markstein length and Markstein number, representative of the flame stability, increase as more ethylene is added, indicating the tendency of flame stability to improve with ethylene addition.

关键词：层流燃烧速度火焰稳定性乙烯数值模拟预混火焰空气甲烷温度升高

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受限空间下散热对微火焰稳定性的影响

农业机械学报 2014年第4期45卷 37-41,27页

作者：甘云华罗燕来冯清颖史艳玲华南理工大学电力学院广州510640 广州华润热电有限公司广州511455 华南农业大学工程学院广州510640

以无水液体乙醇为燃料,用铁铬合金电热丝为燃烧室内反应物加热,采用实验与数值模拟相结合的方法研究乙醇-空气小尺度层流扩散火焰散热对受限空间微火焰稳定性的影响。结果表明,采用电热丝向受限空间内的燃烧反应物加热,可以减少散热损... 详细信息

以无水液体乙醇为燃料,用铁铬合金电热丝为燃烧室内反应物加热,采用实验与数值模拟相结合的方法研究乙醇-空气小尺度层流扩散火焰散热对受限空间微火焰稳定性的影响。结果表明,采用电热丝向受限空间内的燃烧反应物加热,可以减少散热损失的影响,对稳燃有一定的帮助。电加热功率为合适值时,稳定燃烧极限最宽。电加热可提高火焰温度,增大化学反应速率,使火焰中心向上游移动。一定范围内,电加热功率的增幅大于散热的增幅,外加热功率对散热损失有抑制作用,增强微火焰的稳定性。

关键词：微尺度燃烧受限空间热损失火焰稳定性

燃尽风和喷水/蒸汽对重油燃烧NO_x排放和火焰稳定性的影响

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中国电机工程学报 2014年第2期34卷 247-252页

作者：徐艳冰黄燕周昊邱坤赞岑可法能源清洁利用国家重点实验室(浙江大学) 浙江省杭州市310027

重油火焰的低NOx排放非常重要,另外,油气锅炉容积热负荷大,极易发生燃烧振动。文中在9?MW燃烧重油试验台上进行试验,研究了投运燃尽风、喷水和喷蒸汽对重油NOx排放的影响,同时利用光谱仪进行火焰闪烁和火焰稳定性的研究。结果显示,投运... 详细信息

重油火焰的低NOx排放非常重要,另外,油气锅炉容积热负荷大,极易发生燃烧振动。文中在9?MW燃烧重油试验台上进行试验,研究了投运燃尽风、喷水和喷蒸汽对重油NOx排放的影响,同时利用光谱仪进行火焰闪烁和火焰稳定性的研究。结果显示,投运燃尽风(over fire air,OFA)可有效降低NOx的排放浓度,不过,在开启OFA条件下,喷水法和喷蒸汽法对尾部NOx浓度影响都很小,喷水使火焰振荡频率升高,开启OFA下喷蒸汽会使火焰振荡频率降低,火焰振荡频率越小,火焰稳定性越差。试验结果证实了火焰频谱特性测试系统的有效性。

关键词： NOx排放火焰稳定性光谱分析电站锅炉

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分形理论在火焰稳定性诊断中的应用

中国电机工程学报 2004年第12期24卷 248-252页

作者：张清宇严建华倪明江王飞马增益白卫东林彬岑可法浙江大学热能工程研究所

该文将分形理论运用于火焰稳定性的研究,提出一种基于分形特征的图像分割方法,把火焰从背景中分离出来。此方法适应性比较好,并具有良好的抗噪性能。同时通过实验表明,除了传统常用的反映火焰燃烧状态的特征参量外,分形维数也可作为一... 详细信息

该文将分形理论运用于火焰稳定性的研究,提出一种基于分形特征的图像分割方法,把火焰从背景中分离出来。此方法适应性比较好,并具有良好的抗噪性能。同时通过实验表明,除了传统常用的反映火焰燃烧状态的特征参量外,分形维数也可作为一个反映火焰稳定性的图像指标,运用到火焰稳定性诊断中去。

关键词：电站锅炉分形理论火焰稳定性诊断图像分割

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先锋氢引燃煤油的超燃燃烧室火焰稳定性研究

Journal of Zhejiang University-Science A(Applied Physics & Engineering) 2020年第8期21卷 663-672页

作者： Wen SHI Ye TIAN Wan-zhou ZHANG Wei-xin DENG Fu-yu ZHONG Jia-ling LE China Aerodynamic Research and Development Center Mianyang 621000China

目的:1.在模拟飞行马赫数4.0条件下,通过直连实验研究先锋氢当量比对煤油燃料冲压发动机点火及稳焰的影响;2.通过多种非接触光学测量手段研究超燃冲压发动机内燃烧流场的结构变化和火焰建立等动态过程。创新点:1.通过直连实验发现,适量... 详细信息

目的:1.在模拟飞行马赫数4.0条件下,通过直连实验研究先锋氢当量比对煤油燃料冲压发动机点火及稳焰的影响;2.通过多种非接触光学测量手段研究超燃冲压发动机内燃烧流场的结构变化和火焰建立等动态过程。创新点:1.通过直连实验发现,适量提高先锋氢当量比有利于发动机点火,且先锋氢的存在是发动机稳燃的前提;2.得到了超燃发动机点火及燃烧不稳定特征的流场。方法:1.通过直连实验,得到监测点压力动态变化数据并对其进行分析(图4和5);2.通过光学测量手段,观测流场及火焰动态变化过程(图6~12)。结论:1.当先锋氢当量比为0.080时,煤油燃料超燃冲压发动机成功点火;当先锋氢当量比为0.040时,点火失败;当先锋氢关闭后,超燃冲压发动机熄火。2.煤油火焰主要集中于凹槽后缘斜坡且结构是非对称的;燃烧是不稳定的且伴随着反复的前后移动。

关键词：超燃冲压发动机火焰稳定性先锋氢煤油超声速燃烧