甲烷在高溫氧化劑中燃燒特性研究

【摘要】：采用當(dāng)前燃燒領(lǐng)域較完善的研究手段,對甲烷(CH4)在高溫氧化劑中著火、拉伸熄滅及燃燒特性進(jìn)行了研究。 采用確定溫度邊界微型反應(yīng)器,對CH4/air和CH4/O2/CO2(Xo2/Xco2=0.62)混合物的著火和燃燒特性進(jìn)行研究。實驗結(jié)果表明來流速度較高和較低條件下混合物在微型反應(yīng)器內(nèi)存在兩種穩(wěn)態(tài)的火焰響應(yīng),常態(tài)火焰(normal flame)和弱火焰(weak flame),來流速度在中間區(qū)域時對應(yīng)一種動態(tài)火焰,即快速著火熄滅火焰(FREI, flame with repetitive extinction and ignition)。研究表明隨著來流速度的降低常態(tài)火焰向上游區(qū)域遷移,弱火焰的位置受來流速度影響不大。CH4/air和CH4/O2/CO2(XO2/Xco2=0.62)混合物弱火焰對應(yīng)著火溫度非常接近。采用一維穩(wěn)態(tài)計算程序和詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理,對確定溫度邊界微型反應(yīng)器內(nèi)火焰燃燒和著火特性進(jìn)行了計算,得到兩種穩(wěn)態(tài)火焰,常態(tài)火焰和弱火焰的數(shù)值解。數(shù)值計算結(jié)果和實驗結(jié)果吻合較好。分析了CH4在常態(tài)火焰和弱火焰中的反應(yīng)過程,并對C02和N2對常態(tài)火焰和弱火焰內(nèi)CH4反應(yīng)過程的影響進(jìn)行了詳細(xì)的討論。 利用對沖火焰結(jié)構(gòu)研究了氧化劑溫度對非預(yù)混對沖火焰拉伸熄滅極限的影響。研究了燃料混合物為常溫(300K)的CH4/N2與air(O2/N2)對沖火焰和CH4/CO2與O2/CO2對沖火焰,其中CH4/CO2與O2/CO2對沖火焰氧化劑中氧摩爾分?jǐn)?shù)采用0.40和0.35。得到不同氧化劑溫度條件下(300K,700K,1000K)不同火焰的熄滅特性。分別采用光學(xué)薄模型(OTM, optical thin model)和絕熱模型(ADI, adiabatic)討論了輻射散熱對拉伸熄滅極限的影響,研究結(jié)果表明燃料濃度較高時輻射散熱對兩種對沖火焰拉伸熄滅極限的影響不大。氧化劑溫度為常溫時(300K),氧化劑中氧摩爾分?jǐn)?shù)為0.35的CH4/CO2與02/C02對沖火焰的熄滅曲線靠近CH4/N2與air (O2/N2)對沖火焰的熄滅曲線。而當(dāng)氧化劑溫度較高時(1000K), CH4/N2與air (O2/N2)對沖火焰的熄滅曲線靠近氧化劑中氧摩爾分?jǐn)?shù)為0.40的CH4/CO2與02/C02對沖火焰的熄滅曲線。對影響拉伸熄滅的參數(shù)進(jìn)行了理論研究,分析表明拉伸熄滅極限主要由焓流密度和動力學(xué)特性兩個影響因素決定。通過對數(shù)值計算結(jié)果中化學(xué)鏈起始反應(yīng)和主要吸放熱反應(yīng)的分析,得到了影響熄滅極限的關(guān)鍵基元為OH,結(jié)合理論研究定量的比較了OH生成速率對拉伸熄滅極限的影響。提出估算拉伸熄滅極限的方法,對拉伸熄滅曲線隨氧化劑溫度的變化進(jìn)行了合理的解釋。 對高溫助燃空氣旋流和平行射流兩種流動模式下CH4射流火焰燃燒特性進(jìn)行了比較。研究表明兩種高溫空氣流動模式下射流火焰燃燒特性截然不同,采用高溫空氣旋流可以穩(wěn)定射流火焰,并有效的降低NO生成。在此基礎(chǔ)上研究了燃燒室外采用空氣對流換熱和水對流換熱條件下甲烷在旋流高溫空氣中燃燒特性。研究表明當(dāng)燃燒室外采用空氣對流換熱條件時,隨著助燃空氣溫度增加,燃燒室氣體溫度升高,壁面平均熱流和出口NO濃度增大；隨著過量空氣系數(shù)的增加,燃燒的最高溫度和NO生成量增加,氣體平均溫度及熱流密度先增加后減小,過量空氣系數(shù)為1.2時溫度均勻性好,傳熱量最大；隨助燃空氣中氧濃度減小,燃燒室溫度均勻性增強(qiáng),壁面平均熱流增大,NO生成量顯著減小。 【關(guān)鍵詞】：燃燒 高溫氧化劑 著火 拉伸熄滅 NO生成
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TK16
【目錄】：

• 致謝5-7
• 摘要7-9
• ABSTRACT9-14
• 1 引言14-28
• 1.1 研究背景及意義14-15
• 1.2 燃料在高溫氧化劑中燃燒及相關(guān)研究15-25
• 1.2.1 燃料混合物在微型反應(yīng)器內(nèi)著火及燃燒特性研究18-20
• 1.2.2 非預(yù)混對沖火焰拉伸熄滅特性研究20-23
• 1.2.3 高溫空氣火焰中NO_x生成特性研究23-25
• 1.3 高溫氧化劑中火焰相關(guān)科學(xué)問題25-26
• 1.4 研究目的及內(nèi)容26-28
• 2 甲烷在高溫氧化劑內(nèi)著火及燃燒特性研究28-64
• 2.1 概述28
• 2.2 微型反應(yīng)器實驗裝置28-30
• 2.3 一維預(yù)混火焰數(shù)值計算方法30-31
• 2.4 結(jié)果與分析31-62
• 2.4.1 甲烷預(yù)混氣體在微型反應(yīng)器內(nèi)火焰形態(tài)31-37
• 2.4.2 甲烷預(yù)混氣體燃燒特性數(shù)值研究(基于GRI-Mech 3.0)37-47
• 2.4.3 甲烷預(yù)混氣體著火特性數(shù)值研究(基于GRI-Mech 3.0)47-56
• 2.4.4 甲烷預(yù)混氣體著火特性數(shù)值研究(基于USC-Mech Ⅱ)56-62
• 2.5 本章結(jié)論62-64
• 3 甲烷與高溫氧化劑非預(yù)混對沖火焰熄滅特性研究64-98
• 3.1 概述64
• 3.2 非預(yù)混對沖火焰實驗裝置64-67
• 3.3 一維非預(yù)混對沖火焰數(shù)值計算方法67-68
• 3.4 拉伸熄滅極限影響因素分析68-96
• 3.4.1 對沖火焰實驗圖像及火焰結(jié)構(gòu)計算結(jié)果68-74
• 3.4.2 化學(xué)反應(yīng)機(jī)理對拉伸熄滅極限計算結(jié)果的影響74-76
• 3.4.3 熱輻射對拉伸熄滅極限計算結(jié)果的影響76-78
• 3.4.4 氧化劑溫度對拉伸熄滅極限的影響78-81
• 3.4.5 拉伸熄滅極限影響因素理論分析81-84
• 3.4.6 化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)特性對拉伸熄滅極限的影響84-96
• 3.5 本章結(jié)論96-98
• 4 不同高溫空氣流動模式下甲烷射流火焰燃燒特性研究98-114
• 4.1 概述98
• 4.2 實驗系統(tǒng)及物理模型98-101
• 4.3 數(shù)學(xué)模型及計算求解101-104
• 4.3.1 湍流模型101
• 4.3.2 燃燒模型101-102
• 4.3.3 輻射模型102
• 4.3.4 NO生成模型102-103
• 4.3.5 網(wǎng)格與計算求解103
• 4.3.6 邊界條件103-104
• 4.4 結(jié)果與分析104-112
• 4.4.1 實驗及數(shù)值結(jié)果對比104-105
• 4.4.2 流場及壓力分布105-107
• 4.4.3 溫度分布及NO生成特性107-108
• 4.4.4 火焰結(jié)構(gòu)108-112
• 4.5 本章結(jié)論112-114
• 5 旋流高溫空氣中甲烷射流火焰燃燒特性研究114-128
• 5.1 概述114
• 5.2 空氣對流邊界下甲烷射流火焰燃燒特性研究114-122
• 5.2.1 物理模型114-115
• 5.2.2 數(shù)學(xué)模型115-116
• 5.2.3 網(wǎng)格與計算求解116-117
• 5.2.4 燃燒室氣體流動及溫度分布117-118
• 5.2.5 助燃空氣溫度對燃燒特性的影響118-120
• 5.2.6 過量空氣系數(shù)對燃燒特性的影響120-121
• 5.2.7 助燃空氣中氧濃度對燃燒特性的影響121-122
• 5.3 水對流邊界下甲烷射流火焰燃燒特性研究122-127
• 5.3.1 物理模型123
• 5.3.2 數(shù)學(xué)模型123-124
• 5.3.3 計算求解124
• 5.3.4 結(jié)果與討論124-127
• 5.4 本章結(jié)論127-128
• 6 結(jié)論128-132
• 6.1 主要研究工作及相關(guān)結(jié)論128-130
• 6.2 本文創(chuàng)新點130
• 6.3 對未來工作的展望130-132
• 參考文獻(xiàn)132-142
• 作者簡歷及攻讀博士學(xué)位期間取得的研究成果142-146
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集146

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