加壓條件下甲烷/空氣層流預(yù)混火焰可燃極限的研究

【摘要】： 了解層流預(yù)混火焰的高壓貧可燃極限對于高壓燃燒室的設(shè)計(jì)和模擬有著重要的意義。目前國內(nèi)外相關(guān)的研究僅限于少量的數(shù)值模擬,而實(shí)驗(yàn)研究基本上一片空白。本文成功搭建了適用于中國科學(xué)院力學(xué)研究所國家微重力實(shí)驗(yàn)室(NMLC)微重力落塔的高壓對沖火焰實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對高壓條件下對甲烷/空氣層流預(yù)混火焰的可燃極限進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)的研究,測定不同壓力下和不同張力下甲烷/空氣預(yù)混火焰的熄滅極限,討論了高壓貧可燃極限的控制機(jī)理。 首先利用CHEMKIN軟件,通過改進(jìn)后的PREMIX模型和OPPDIF模型對高壓下一維火焰和對沖火焰的燃燒特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明壓力對于火焰的質(zhì)量燃燒速率,火焰厚度和火焰?zhèn)鞑ニ俣扔休^大的影響,火焰溫度和輻射熱損失對壓力的變化并不敏感。對甲烷/空氣的預(yù)混火焰貧可燃極限的數(shù)值模擬結(jié)果顯示,隨著壓力升高,可燃極限會(huì)存在著一個(gè)峰值:對于一維自由傳播層流火焰的基本可燃極限,這個(gè)峰值出現(xiàn)在5atm左右;對于對沖火焰,這個(gè)峰值出現(xiàn)在4atm左右。為了解釋這個(gè)現(xiàn)象,通過敏感性分析研究了甲烷/空氣預(yù)混火焰的化學(xué)動(dòng)力學(xué),發(fā)現(xiàn)影響強(qiáng)火焰和近極限的弱火焰的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理不同,而對弱火焰不同壓力下的控制化學(xué)反應(yīng)機(jī)理也不同,在壓力超過一定數(shù)值后,三體自由基鏈銷毀的反應(yīng)得到抑制。 通過地面實(shí)驗(yàn)和微重力落塔實(shí)驗(yàn),分別測定了常重力下和微重力下甲烷/空氣預(yù)混對沖火焰的可燃極限,結(jié)果表明浮力引起的對流熱損失會(huì)嚴(yán)重地影響到近極限微弱火焰,在消除其影響之后,實(shí)驗(yàn)測得的可燃極限隨壓力變化趨勢與數(shù)值模擬基本一致。 【關(guān)鍵詞】：可燃極限 對沖火焰 層流預(yù)混火焰 微重力 壓力 CHEMKIN
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號(hào)】：TK16
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 引言9-28
• 1.1 研究背景9-11
• 1.2 可燃極限及其相關(guān)研究11-27
• 1.2.1 可燃極限概念的確立11-14
• 1.2.2 可燃極限的研究成果14-26
• 1.2.3 小結(jié)26-27
• 1.3 本文的主要研究內(nèi)容27-28
• 第2章 高壓下可燃極限的數(shù)值模擬28-48
• 2.1 CHEMKIN 軟件簡介28-30
• 2.2 不同壓力下理想火焰的性質(zhì)30-35
• 2.2.1 基本控制方程組與邊界條件30-32
• 2.2.2 計(jì)算結(jié)果與討論32-35
• 2.3 不同壓力下輻射熱損失對火焰的影響35-39
• 2.3.1 輻射光疏模型35-36
• 2.3.2 計(jì)算結(jié)果與討論36-39
• 2.4 不同壓力下預(yù)混火焰基本可燃極限的計(jì)算39-42
• 2.4.1 擬弧長延拓法39-40
• 2.4.2 計(jì)算結(jié)果與討論40-42
• 2.5 壓力對火焰反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響42-46
• 2.5.1 敏感性分析法42-43
• 2.5.2 計(jì)算結(jié)果與討論43-46
• 2.6 對沖火焰可燃極限的數(shù)值模擬46-48
• 第3章 微重力非常壓對沖火焰實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)方法48-72
• 3.1 NMLC 落塔的實(shí)驗(yàn)條件及對實(shí)驗(yàn)裝置的要求48-54
• 3.2 微重力非常壓對沖火焰實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)54-60
• 3.2.1 燃燒系統(tǒng)54-56
• 3.2.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)56-59
• 3.2.3 數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)59
• 3.2.4 供氣、排氣和尾氣收集系統(tǒng)59-60
• 3.3 熄滅極限的測量方法60-72
• 3.3.1 延遲時(shí)間的測定60-67
• 3.3.2 可燃極限的測量方法67-72
• 第4章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析72-82
• 4.1 常重力實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與討論72-77
• 4.1.1 不同壓力與不同張力下的預(yù)混對沖火焰72-74
• 4.1.2 非對稱溫度條件對預(yù)混對沖火焰的影響74-76
• 4.1.3 常重力環(huán)境下甲烷/空氣預(yù)混對沖火焰的可燃極限76-77
• 4.2 微重力實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與討論77-82
• 4.2.1 微重力落塔實(shí)驗(yàn)步驟77-78
• 4.2.2 微重力環(huán)境下的對沖火焰78-80
• 4.2.3 微重力環(huán)境下甲烷/空氣預(yù)混對沖火焰的可燃極限80-82
• 第5章 結(jié)論與展望82-84
• 5.1 研究總結(jié)82-83
• 5.2 不足與展望83-84
• 參考文獻(xiàn)84-89
• 致謝89-90
• 個(gè)人簡歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果90

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