甲烷在高温氧化剂中燃烧特性研究

【摘要】：采用当前燃烧领域较完善的研究手段,对甲烷(CH4)在高温氧化剂中着火、拉伸熄灭及燃烧特性进行了研究。 采用确定温度边界微型反应器,对CH4/air和CH4/O2/CO2(Xo2/Xco2=0.62)混合物的着火和燃烧特性进行研究。实验结果表明来流速度较高和较低条件下混合物在微型反应器内存在两种稳态的火焰响应,常态火焰(normal flame)和弱火焰(weak flame),来流速度在中间区域时对应一种动态火焰,即快速着火熄灭火焰(FREI, flame with repetitive extinction and ignition)。研究表明随着来流速度的降低常态火焰向上游区域迁移,弱火焰的位置受来流速度影响不大。CH4/air和CH4/O2/CO2(XO2/Xco2=0.62)混合物弱火焰对应着火温度非常接近。采用一维稳态计算程序和详细化学反应机理,对确定温度边界微型反应器内火焰燃烧和着火特性进行了计算,得到两种稳态火焰,常态火焰和弱火焰的数值解。数值计算结果和实验结果吻合较好。分析了CH4在常态火焰和弱火焰中的反应过程,并对C02和N2对常态火焰和弱火焰内CH4反应过程的影响进行了详细的讨论。 利用对冲火焰结构研究了氧化剂温度对非预混对冲火焰拉伸熄灭极限的影响。研究了燃料混合物为常温(300K)的CH4/N2与air(O2/N2)对冲火焰和CH4/CO2与O2/CO2对冲火焰,其中CH4/CO2与O2/CO2对冲火焰氧化剂中氧摩尔分数采用0.40和0.35。得到不同氧化剂温度条件下(300K,700K,1000K)不同火焰的熄灭特性。分别采用光学薄模型(OTM, optical thin model)和绝热模型(ADI, adiabatic)讨论了辐射散热对拉伸熄灭极限的影响,研究结果表明燃料浓度较高时辐射散热对两种对冲火焰拉伸熄灭极限的影响不大。氧化剂温度为常温时(300K),氧化剂中氧摩尔分数为0.35的CH4/CO2与02/C02对冲火焰的熄灭曲线靠近CH4/N2与air (O2/N2)对冲火焰的熄灭曲线。而当氧化剂温度较高时(1000K), CH4/N2与air (O2/N2)对冲火焰的熄灭曲线靠近氧化剂中氧摩尔分数为0.40的CH4/CO2与02/C02对冲火焰的熄灭曲线。对影响拉伸熄灭的参数进行了理论研究,分析表明拉伸熄灭极限主要由焓流密度和动力学特性两个影响因素决定。通过对数值计算结果中化学链起始反应和主要吸放热反应的分析,得到了影响熄灭极限的关键基元为OH,结合理论研究定量的比较了OH生成速率对拉伸熄灭极限的影响。提出估算拉伸熄灭极限的方法,对拉伸熄灭曲线随氧化剂温度的变化进行了合理的解释。 对高温助燃空气旋流和平行射流两种流动模式下CH4射流火焰燃烧特性进行了比较。研究表明两种高温空气流动模式下射流火焰燃烧特性截然不同,采用高温空气旋流可以稳定射流火焰,并有效的降低NO生成。在此基础上研究了燃烧室外采用空气对流换热和水对流换热条件下甲烷在旋流高温空气中燃烧特性。研究表明当燃烧室外采用空气对流换热条件时,随着助燃空气温度增加,燃烧室气体温度升高,壁面平均热流和出口NO浓度增大；随着过量空气系数的增加,燃烧的最高温度和NO生成量增加,气体平均温度及热流密度先增加后减小,过量空气系数为1.2时温度均匀性好,传热量最大；随助燃空气中氧浓度减小,燃烧室温度均匀性增强,壁面平均热流增大,NO生成量显著减小。 【关键词】：燃烧 高温氧化剂 着火 拉伸熄灭 NO生成
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK16
【目录】：

• 致谢5-7
• 摘要7-9
• ABSTRACT9-14
• 1 引言14-28
• 1.1 研究背景及意义14-15
• 1.2 燃料在高温氧化剂中燃烧及相关研究15-25
• 1.2.1 燃料混合物在微型反应器内着火及燃烧特性研究18-20
• 1.2.2 非预混对冲火焰拉伸熄灭特性研究20-23
• 1.2.3 高温空气火焰中NO_x生成特性研究23-25
• 1.3 高温氧化剂中火焰相关科学问题25-26
• 1.4 研究目的及内容26-28
• 2 甲烷在高温氧化剂内着火及燃烧特性研究28-64
• 2.1 概述28
• 2.2 微型反应器实验装置28-30
• 2.3 一维预混火焰数值计算方法30-31
• 2.4 结果与分析31-62
• 2.4.1 甲烷预混气体在微型反应器内火焰形态31-37
• 2.4.2 甲烷预混气体燃烧特性数值研究(基于GRI-Mech 3.0)37-47
• 2.4.3 甲烷预混气体着火特性数值研究(基于GRI-Mech 3.0)47-56
• 2.4.4 甲烷预混气体着火特性数值研究(基于USC-Mech Ⅱ)56-62
• 2.5 本章结论62-64
• 3 甲烷与高温氧化剂非预混对冲火焰熄灭特性研究64-98
• 3.1 概述64
• 3.2 非预混对冲火焰实验装置64-67
• 3.3 一维非预混对冲火焰数值计算方法67-68
• 3.4 拉伸熄灭极限影响因素分析68-96
• 3.4.1 对冲火焰实验图像及火焰结构计算结果68-74
• 3.4.2 化学反应机理对拉伸熄灭极限计算结果的影响74-76
• 3.4.3 热辐射对拉伸熄灭极限计算结果的影响76-78
• 3.4.4 氧化剂温度对拉伸熄灭极限的影响78-81
• 3.4.5 拉伸熄灭极限影响因素理论分析81-84
• 3.4.6 化学反应动力学特性对拉伸熄灭极限的影响84-96
• 3.5 本章结论96-98
• 4 不同高温空气流动模式下甲烷射流火焰燃烧特性研究98-114
• 4.1 概述98
• 4.2 实验系统及物理模型98-101
• 4.3 数学模型及计算求解101-104
• 4.3.1 湍流模型101
• 4.3.2 燃烧模型101-102
• 4.3.3 辐射模型102
• 4.3.4 NO生成模型102-103
• 4.3.5 网格与计算求解103
• 4.3.6 边界条件103-104
• 4.4 结果与分析104-112
• 4.4.1 实验及数值结果对比104-105
• 4.4.2 流场及压力分布105-107
• 4.4.3 温度分布及NO生成特性107-108
• 4.4.4 火焰结构108-112
• 4.5 本章结论112-114
• 5 旋流高温空气中甲烷射流火焰燃烧特性研究114-128
• 5.1 概述114
• 5.2 空气对流边界下甲烷射流火焰燃烧特性研究114-122
• 5.2.1 物理模型114-115
• 5.2.2 数学模型115-116
• 5.2.3 网格与计算求解116-117
• 5.2.4 燃烧室气体流动及温度分布117-118
• 5.2.5 助燃空气温度对燃烧特性的影响118-120
• 5.2.6 过量空气系数对燃烧特性的影响120-121
• 5.2.7 助燃空气中氧浓度对燃烧特性的影响121-122
• 5.3 水对流边界下甲烷射流火焰燃烧特性研究122-127
• 5.3.1 物理模型123
• 5.3.2 数学模型123-124
• 5.3.3 计算求解124
• 5.3.4 结果与讨论124-127
• 5.4 本章结论127-128
• 6 结论128-132
• 6.1 主要研究工作及相关结论128-130
• 6.2 本文创新点130
• 6.3 对未来工作的展望130-132
• 参考文献132-142
• 作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果142-146
• 学位论文数据集146

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