含CO_2杂质天然气扩散火焰燃烧机理研究

【摘要】：天然气作为清洁、环保、高效的能源一直受到全世界的高度关注。相对煤炭、石油等能源的日渐短缺，天然气较高的存储量及开采量缓解了人类的能源紧缺问题。近年来多个地区发现在气田开采后期，天然气中多掺有一定含量的CO2。而有研究发现，CO2等稀释物质的存在一定程度上会影响火焰结构、火焰温度等特性。因此研究含有CO2的天然气燃烧特性及机理，受到了越来越多的学者们的关注。 本文首先综述了国内外在天然气燃烧实验方面，对含CO2等杂质的甲烷燃烧火焰特征、污染物排放的研究；以及在模拟方面，对含CO2等杂质的甲烷燃烧的机理研究。之后分析了目前研究内容及方法的不足，从而确定了本文的研究内容、实验方案及实验工况。 根据研究内容，设计了同轴扩散火焰燃烧器，设计搭建了基于PIV测量系统的扩散火焰速度测量实验台，研究了不同CO2稀释比、不同当量比对扩散火焰速度场的影响。实验结果发现，当量比为1时，随着CO2的添加，扩散火焰速度逐渐降低，火焰宽度变窄。而当CO2稀释率为30%时，随着当量比的增大，火焰速度有一定的降低，但降低幅度不大，因此当量比对火焰速度场影响较小。 同时，在现有的PLIF测量实验系统基础上，调整光路及获得符合OH基、CH基荧光激发的激光波段，测量不同CO2稀释比、不同当量比工况下扩散火焰OH基、CH基荧光辐射强度。实验发现，当量比为1，当燃料总量不变时，随着CO2稀释比的增加，OH基辐射强度减弱，辐射区域逐渐向喷口处移动；当甲烷总量不变时，随着CO2稀释比的增加，火焰高度增加，OH基辐射强度增强。而无论是燃料总量不变还是甲烷量不变，随着CO2稀释比的增加，CH基生成区域均逐渐减小，火焰宽度变窄，当CO2稀释率超过20%时，火焰上游已几乎不存在CH基，CH基基本上只分布在火焰锋面处。当CO2稀释率为30%时，随着当量比的增大，OH基辐射强度逐渐增强，但OH基辐射区域位置没有显著变化；CH基辐射强度及辐射位置几乎不随当量比的变化而变化。 【关键词】：扩散火焰 自由基 PLIF测量 PIV测量
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK16
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-14
• 1.1 研究背景8-9
• 1.2 研究现状9-13
• 1.2.1 添加剂对火焰燃烧影响的研究9-11
• 1.2.2 火焰结构可视化研究11-13
• 1.3 课题主要研究内容13-14
• 第2章 实验系统及测量方法介绍14-36
• 2.1 引言14
• 2.2 扩散火焰速度测量实验系统介绍14-28
• 2.2.1 燃烧器设计15-16
• 2.2.2 示踪粒子的选择及给粉器设计16-18
• 2.2.3 实验配气系统设计18-21
• 2.2.4 PIV 测速原理及测量介绍21-28
• 2.3 扩散火焰自由基分布测量实验系统介绍28-35
• 2.3.1 PLIF 自由基组分测量原理28-30
• 2.3.2 PLIF 测量系统介绍30-33
• 2.3.3 激发波长的确定33-34
• 2.3.4 自由基荧光信号与浓度的关系34
• 2.3.5 噪音来源及去噪处理34-35
• 2.4 本章小结35-36
• 第3章 PIV 测量扩散火焰速度分布实验研究36-43
• 3.1 引言36
• 3.2 实验数据处理方法36
• 3.3 不同 CO_2稀释比对扩散火焰速度分布的影响36-39
• 3.4 不同当量比对扩散火焰速度分布的影响39-42
• 3.5 本章小结42-43
• 第4章 PLIF 测量扩散火焰 OH 基、CH 基分布实验研究43-57
• 4.1 引言43
• 4.2 实验数据处理方法43
• 4.3 不同 CO_2稀释比对扩散火焰组分分布的影响43-51
• 4.3.1 不同 CO_2稀释比对 OH 基分布的影响43-48
• 4.3.2 不同 CO_2稀释比对 CH 基分布的影响48-51
• 4.3.3 不同 CO_2稀释比对火焰温度的影响51
• 4.4 不同当量比对扩散火焰组分分布的影响51-56
• 4.4.1 不同当量比对 OH 基分布的影响52-54
• 4.4.2 不同当量比对 CH 基分布的影响54-56
• 4.4.3 不同当量比对火焰温度的影响56
• 4.5 本章小结56-57
• 结论57-58
• 参考文献58-62
• 致谢62

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