加压条件下甲烷/空气层流预混火焰可燃极限的研究

【摘要】： 了解层流预混火焰的高压贫可燃极限对于高压燃烧室的设计和模拟有着重要的意义。目前国内外相关的研究仅限于少量的数值模拟,而实验研究基本上一片空白。本文成功搭建了适用于中国科学院力学研究所国家微重力实验室(NMLC)微重力落塔的高压对冲火焰实验系统,对高压条件下对甲烷/空气层流预混火焰的可燃极限进行了理论和实验的研究,测定不同压力下和不同张力下甲烷/空气预混火焰的熄灭极限,讨论了高压贫可燃极限的控制机理。 首先利用CHEMKIN软件,通过改进后的PREMIX模型和OPPDIF模型对高压下一维火焰和对冲火焰的燃烧特性进行了研究。结果表明压力对于火焰的质量燃烧速率,火焰厚度和火焰传播速度有较大的影响,火焰温度和辐射热损失对压力的变化并不敏感。对甲烷/空气的预混火焰贫可燃极限的数值模拟结果显示,随着压力升高,可燃极限会存在着一个峰值:对于一维自由传播层流火焰的基本可燃极限,这个峰值出现在5atm左右;对于对冲火焰,这个峰值出现在4atm左右。为了解释这个现象,通过敏感性分析研究了甲烷/空气预混火焰的化学动力学,发现影响强火焰和近极限的弱火焰的化学反应机理不同,而对弱火焰不同压力下的控制化学反应机理也不同,在压力超过一定数值后,三体自由基链销毁的反应得到抑制。 通过地面实验和微重力落塔实验,分别测定了常重力下和微重力下甲烷/空气预混对冲火焰的可燃极限,结果表明浮力引起的对流热损失会严重地影响到近极限微弱火焰,在消除其影响之后,实验测得的可燃极限随压力变化趋势与数值模拟基本一致。 【关键词】：可燃极限 对冲火焰 层流预混火焰 微重力 压力 CHEMKIN
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TK16
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 引言9-28
• 1.1 研究背景9-11
• 1.2 可燃极限及其相关研究11-27
• 1.2.1 可燃极限概念的确立11-14
• 1.2.2 可燃极限的研究成果14-26
• 1.2.3 小结26-27
• 1.3 本文的主要研究内容27-28
• 第2章 高压下可燃极限的数值模拟28-48
• 2.1 CHEMKIN 软件简介28-30
• 2.2 不同压力下理想火焰的性质30-35
• 2.2.1 基本控制方程组与边界条件30-32
• 2.2.2 计算结果与讨论32-35
• 2.3 不同压力下辐射热损失对火焰的影响35-39
• 2.3.1 辐射光疏模型35-36
• 2.3.2 计算结果与讨论36-39
• 2.4 不同压力下预混火焰基本可燃极限的计算39-42
• 2.4.1 拟弧长延拓法39-40
• 2.4.2 计算结果与讨论40-42
• 2.5 压力对火焰反应动力学的影响42-46
• 2.5.1 敏感性分析法42-43
• 2.5.2 计算结果与讨论43-46
• 2.6 对冲火焰可燃极限的数值模拟46-48
• 第3章 微重力非常压对冲火焰实验系统与实验方法48-72
• 3.1 NMLC 落塔的实验条件及对实验装置的要求48-54
• 3.2 微重力非常压对冲火焰实验系统54-60
• 3.2.1 燃烧系统54-56
• 3.2.2 自动控制系统56-59
• 3.2.3 数据采集和监控系统59
• 3.2.4 供气、排气和尾气收集系统59-60
• 3.3 熄灭极限的测量方法60-72
• 3.3.1 延迟时间的测定60-67
• 3.3.2 可燃极限的测量方法67-72
• 第4章 实验结果与分析72-82
• 4.1 常重力实验的结果与讨论72-77
• 4.1.1 不同压力与不同张力下的预混对冲火焰72-74
• 4.1.2 非对称温度条件对预混对冲火焰的影响74-76
• 4.1.3 常重力环境下甲烷/空气预混对冲火焰的可燃极限76-77
• 4.2 微重力实验的结果与讨论77-82
• 4.2.1 微重力落塔实验步骤77-78
• 4.2.2 微重力环境下的对冲火焰78-80
• 4.2.3 微重力环境下甲烷/空气预混对冲火焰的可燃极限80-82
• 第5章 结论与展望82-84
• 5.1 研究总结82-83
• 5.2 不足与展望83-84
• 参考文献84-89
• 致谢89-90
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果90

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