水雾作用下甲烷空气层流预混火焰燃烧特性研究
细水雾抑制气体扩散火焰的机理研究
#" 实验方案 !" 实验装置
" " 图 # 是实验用燃烧器的剖面示意图! 5 为 63 44 长、 #3 44 宽和 #73 44 深的燃料槽， 以产生近似的射 万方数据 流火焰； + 为两个进风的空气槽； 8 为导入火焰抑制剂 " " 方案"" 用仅导入空气的工况作为基准， 用热电 偶测温数据采集系统采集距离火焰根部不同高度处的 火焰横截面温度分布数据! " " 方案#" 施加细水雾做火焰抑制剂， 测量距离火
*$$# 年 )$ 月" " " " " " " " " " 秦" 俊等： 细水雾抑制气体扩散火焰的机理研究
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焰根部不同高度处的火焰横截面温度分布数据! " " 方案!" 因为氮气与空气的比热容接近， 可以忽 略因比热容差别而比基准工况多吸收了额外热量的热 容效应! 当所施加细水雾等量的氮气做火焰抑制剂时， 只有稀释氧气这一种机理起作用， 与基态对比， 分离出 细水雾稀释氧气， 对抑制火焰所起的作用! " " 方案"" 用水蒸气做火焰抑制剂， 稀释氧气和热 容效应吸热这两种机理起作用! 测量距离火焰根部不 同高度处的火焰横截面温度分布数据， 与施加细水雾 做火焰抑制剂对比， 分离出细水雾抑制火焰时， 蒸发潜 热机理对抑制火焰所起的作用! " " 图 % 是距离火焰根部高度为 )$ && 处， 施加不同
［ 6］ 气槽出口处的细水雾流场进行冷态测量 ， 得到雾通
甲烷／富氧扩散火焰燃烧区域的分层特性研究
甲烷／富氧扩散火焰燃烧区域的分层特性研究
赵黛青;杨浩林;鲁冠军;冯耀勋;杨卫斌
【期刊名称】《工程热物理学报》
【年(卷),期】2006()z2
【摘要】本文对甲烷／富氧扩散火焰燃烧区域的分层特性进行了数值模拟和实验
研究,结果表明氧化剂中氧浓度的增加加剧了火焰的分层现象(黄焰层与蓝焰层),使
蓝色火焰变厚,并且使NOx生成大量增加;火焰面上的速度梯度主要影响黄色火焰
厚度,蓝色火焰随着速度梯度的增加而减小, NOx生成也随之较少。
对比温度及火
焰结构还表明,研究中所采用的数值模拟方法可以正确地预测对向流扩散火焰特性。
【总页数】4页(P131-134)
【关键词】火焰形态;数值模拟;富氧燃烧;氮氧化物
【作者】赵黛青;杨浩林;鲁冠军;冯耀勋;杨卫斌
【作者单位】中国科学院广州能源研究所;广东海洋大学
【正文语种】中文
【中图分类】TK16
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燃烧学-4.预混合气燃烧及火焰传播
层流火焰概念、结构特征、传播机理、传播速度计算，层 流火焰传播速度影响因素 ，湍流火焰概念 ，湍流火焰传播理论 与传播速度，爆震燃烧理论。
层流火焰结构、传播机理，湍流火焰传播两种理论
层流火焰传播的数学模型建立与推导，湍流火焰传播理论
概述
一、预混合燃烧概念
定义
燃料和氧（或空气）预先混合成均匀的混 合气，此可燃混合气称为预混合气，预混合气 在燃烧器内进行着火、燃烧的过程称为预混合 燃烧（premixed combustion）。
四、预混层流火焰传播的数学模型
基本方程的建立
假设：假定在一绝热圆管内火焰前沿以速度Sl 沿
管子传播，并假定火焰前沿为平面形状。 忽略混合气粘性、体积力、辐射热和管壁 的影响，以及由于浓度梯度引起的热扩散 效应。
取火焰面厚度为△x的气体层为控制体。
基本方程：
连续方程 ： 能量方程： 组分扩散方程： 状态方程：
火焰的特征
具有发热、发光特征；—— 辐射现象 具有电离特性； 具有自行传播的特性。
火焰的分类
火焰自行传播
Байду номын сангаас
缓燃火焰(或称正常火焰) ( 0.2-1m/s )
爆震火焰（4. 3）
预混火焰 （第四章）
燃料与氧化剂在进入反应区以前有无接触 扩散火焰 （第五章）
火焰状态
移动火焰 驻定火焰
湍流火焰与层流火焰的区别
火焰面的热量和活性中心向未燃混合气输运：层流火 焰是通过热传导和分子扩散使火焰传播下去。而湍流 火焰是靠流体的涡团运动来激发和强化，受流体运动 状态所支配。
火焰的燃烧区域：湍流火
焰的燃烧不仅在火焰前沿
TDLAS测量甲烷_空气预混平面火焰温度和H_2O浓度_李飞
第23卷 第2期实验流体力学Vol .23,No .2 2009年06月Journal of Experiments in Fluid MechanicsJun .,2009 文章编号:1672-9897(2009)02-0040-05TDLAS 测量甲烷 空气预混平面火焰温度和H 2O 浓度李 飞,余西龙,陈立红,张新宇(中国科学院力学研究所高温气体动力学实验室,北京 100190) 摘要:基于可调谐二极管激光器吸收光谱技术(TDLAS )建立了温度和H 2O 浓度测量系统,利用光谱数据库Hit -ran2004在1393n m 附近选择了在500～1300K 有很高测温灵敏度的两条水吸收线:7168.437cm -1,7185.597cm -1。
在1k Hz 的扫描频率下,利用直接吸收-扫描波长法对甲烷 空气预混平面火焰进行测量,并进行边界层修正,与热电偶的对比结果显示,在温度区间1100～1350K ,两者最大相差80K (6.7%);水蒸气组分浓度与计算值平均相差小于0.02(10%). 关键词:TDLAS ;温度测量;浓度测量;预混平面火焰;光谱数据库 中图分类号:V231.2 文献标识码:ATemperature and water vapour concentration measurementsof CH 4 Air premixed flat flame based on TDLASLI Fei ,YU Xi -long ,CHEN Li -hong ,ZHANG Xin -yu(Key Laboratory of High Temperature Gas Dynamics ,Institute of Mechanics ,Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100190,China ) A bstract :A sensor based on tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS )was constructed fortemperature and water vapor concentration measurement .Absorption lines were selected and analysed using spectrum database Hitran2004.Two fiber -coupled near infrared distributed feedback lasers was used to probetwo water vapor absorption features (7168.437cm -1and 7185.597c m -1)near 1393nm which has high sensi -tivity of temperature measurement in 500～1300K .Successful experiments were perfor med in a C H 4 Air premixed flat fla me burner using direct absorption wavelength scanned method at a 1kHz scan rate .Because of the cooler shear layer in the flat flame ,mixing la yer theor y was applied to correct TDLAS results .Comparison with thermocouple measurements ,the max difference of both methods is less than 80K (6.7%).Comparison with calculation ,the average water mole fraction difference is less than 0.02(10%). Key words :TDLAS ;temperature measurement ;concentration measurement ;premixed flat fla me ;spectrum database收稿日期:2008-04-01;修订日期:2008-07-19基金项目:国家自然科学基金(10525212)和(10772188)资助项目作者简介:李 飞(1982-),男,江苏徐州人,博士研究生,研究方向:超声速燃烧与光谱诊断技术,E -mail :lifei @imech .ac .cn0 引 言 在带有燃烧的流场中,气体温度和组分浓度测量是研究燃烧现象的重要手段。
甲烷旋流预混燃烧的数值模拟研究
中国工程热物理学会 燃烧学 学术会议论文 编号：084177甲烷旋流预混燃烧的数值模拟研究杨朝乐，林伟荣，原 鲲*，于溯源清华大学核能与新能源技术研究院，北京 100084(*摘要：本文采用数值模拟手段，对甲烷旋流射流预混火焰进行了研究，重点考察了射流出口旋流数、反应当量比和射流出口速度对火焰形貌，以及NOx 和CO 排放的影响。
研究结果包括：NOx 和CO 的排放随着当量比的降低而下降；旋流可使CO 排放大幅下降，但主要发生在弱旋工况；对于弱旋流火焰，预混射流速度的提高增加了CO 排放，而在中强旋工况下，情况正好相反。
本研究结果为以后的实验设计和开展提供了理论指导。
关键词：预混，旋流，燃烧0 前言随着我国社会经济的快速发展，对包括天然气在内的清洁能源的需求正逐年上涨。
目前我国天然气占一次能源消费比重不到3.5%，尚不足国际水平（25%左右）的1/7。
但年度消费量增长迅速，近年来每年增幅在10%以上。
天然气已经成为一些城市客车的重要交通燃料，也成为北方许多城市冬季采暖的首选燃料。
与燃煤相比，天然气没有二氧化硫和粉尘排放，被称为清洁燃料，但是在氮氧化物（NOx ）减排方面效果有限。
天然气主要成分为甲烷，其燃烧产生的NOx 污染正逐渐引起人们关注。
天然气燃烧产生氮氧化物的机理主要是热力型氮和快速型氮，其中快速型氮的生成过程相对复杂，但热力型氮是最主要的生成产物，而且排放水平和火焰温度高度相关。
采用贫燃料预混火焰，可以大幅度降低火焰温度，从而将NOx 排放控制在很低的水平[1]。
预混火焰越接近贫燃极限，NOx 排放越低。
但是在接近贫燃极限的工况下，如何使预混火焰得到稳定成为问题的瓶颈。
作为一种稳定火焰的方式，旋流燃烧的火焰稳定能力已得到实践检验[2]，传统上还主要用来稳定扩散火焰。
旋流燃烧的主要功能包括：1）在火焰中心形成回流区以实现火焰稳定；2）强化燃气混合以提高燃烧效率；3）缩短火焰长度以节省燃烧室尺寸。
预混燃烧的燃烧模型
预混燃烧的燃烧模型摘要为了达到抑制污染物排放，实现燃料的清洁燃烧的目的，人们采取了很多办法。
“节能减排”促使燃烧系统采用贫燃燃烧技术，它具有降低NOx、CO等污染物，提高燃烧效率的作用。
但这种燃烧方式的燃烧极限范围很窄，而且火焰稳定性差，容易诱发燃烧系统的不稳定性，如火焰的热声耦合振荡，这种不稳定性会造成更大的污染和浪费。
新型燃烧器的设计必须克服这些缺点，以达到“节能减排”的目的。
首先本文以FLUENT软件为平台，构建了合理的数学物理模型，对甲烷-空气预混燃烧过程进行了数值模拟，实验证明，贫燃料燃烧及贫氧燃烧都可以起到降低污染物排放的目的。
并利用数值模拟的方法针对不同燃烧模型的情况下甲烷的预混燃烧的特性进行分析，观察其NO）的分布情况，发现预混燃烧的相关规律，寻求燃烧速度场、温度场、以及污染物（X的最佳工况。
其次本文了解不同燃烧模型对流场结构、燃烧结构的影响，与实验结果比较，探讨如何改进数值模拟，提高设计精度，同时找出预混火焰稳定性规律，探讨抑制燃烧不稳定性的策略。
本文通过数值计算，得到了在不同燃烧模型下柱状燃烧室内甲烷燃烧的数值模拟结果，分析发现，燃烧模型的不同对甲烷燃烧特性的影响也不同。
通过对燃烧速度分布图，火焰温度分布云图，燃烧的污染物NO的云图进行分析研究，得出结论。
关键词预混燃烧数值模拟FLUENT 部分预混燃烧Title Pre-mixing combustion combustion modelAbstractIn order to achieve inhibit pollutants, realize fuel clean burning purpose, people taken a lot of measures. "Energy conservation and emission reduction" prompted combustion system using poor fuel combustion technology, it has to reduce pollutants such as NOx, CO, increase the combustion efficiency role. But this kind of combustion way combustion limit range is very narrow, and flame stability is poor, and likely to cause combustion system instability, such as flame of thermoacoustic oscillation, the coupling instability will cause more pollution and waste. New burner's design must overcome these shortcomings, to achieve "the purpose of energy saving and emission reduction".Firstly this paper with FLUENT software for the platform, and constructs the reasonable mathematical physics model of methane - air pre-mixing combustion process was simulated, the experiment proof, the poor fuel combustion and poor oxygen burning can reducing pollutant purpose. And using the method of numerical simulation of combustion model for different under the condition of pre-mixing combustion characteristics of methane areanalyzed, observe its velocity field and temperature field, and the distribution of pollutants (), found the relevant law pre-mixing combustion, seeking the best condition burning. Then this paper to understand different combustion model convection field structure, the influence of combustion structure, compared with the experimental results, this paper discusses how to improve the design accuracy numerical simulation, and at the same time, improve the stability pre-mixed flame out rules and explore the inhibiting combustion instability strategy.This article through numerical calculation, obtained in different combustion model columnar combustion chamber under the numerical simulation results of methane combustion, analysis, we found that the different combustion model for the influence of methane combustion characteristic of different also. Through the burning rate distribution, the flame temperature distribution of convective, the combustion pollutants analysis of NO cloud, draws the conclusion.Keywords：Pre-mixing combustion Numerical simulation FLUENT Part pre-mixing combustion绪论课题的研究背景及意义燃烧室作为燃气轮机中最重要的部件，是利用燃料的燃烧，提高进入涡轮的气流温度的装置。
《燃烧学》习题
《燃烧学》习题第一章燃烧的化学基础习题1.解释下列基本概念:(1)燃烧(2)火灾(3)烟(4)热容(5)生成热(6)标准燃烧热(7)热值(8)低热值2.燃烧的本质是什么?它有哪些特征?举例说明这些特征.3.如何正确理解燃烧的条件?根据燃烧条件，可以提出哪些防火和灭火方法?5.物质浓度、体系温度和反应活化对反应速度速率有何影响?6.燃烧反应速度方程是如何得出的?在该方程中，KOS(KOS’)和ES是否有直接的物理意义?为什么?8.举例说明燃烧产物(包指烟)有哪些毒害作用?其危害性主要体现在哪几个方面?9.试求出在p＝1atm、T=273K下，1公斤苯(C6H6)完全燃烧所需要的理论空气量。
10.已知木材的组成为:C-46%、H-6.0%、O-37.0%、N-2.0%、W-9.0%，问在p＝1atm、T=273K下木材完全燃烧产物体积是多少?11.木材的组成为C-48%、H-5%、O-40%、N-2%、W-5%.试求在1.5atm、30℃的条件下燃烧5kg 这种木材的实际需要空气体积、实际产物体积和产物密度。
(空气消耗系数数取1.5)l2.已知煤气成分为:C2H4-48%、H2-37.2%、CH4-26.7%、C3H6-1.3%、CO-4.6%、CO2-10.7%、N2-12.7%、02-2.0%，假定P=1atm、T=273K、空气处于干燥状态，问燃烧1m3煤气(1)理论空气量是多少m3？(2)各种燃烧产物是多少m3?(3)总燃烧产物是多少m3?l3.焦炉煤气的组成为:CH4-22.5%、H2-57%、C2H2-3.7%、CO–6.8%、CO2-2.3%、N2-4.7%、H20-3.0%，(体积百分数.在1.2atm、25℃的条件下燃烧3m3的这种煤气，实际需要空气体积、实际产物体积和产物密度分别是多少?(空气消耗系数取1.2)14.试求燃烧lkg甲醇、乙醇和丙醇的混合物(混合质量比为56:30:20)的理论需要空气味积.15.什么叫做恒压热容、恒容热容?什么叫做平均热容?16.在常压下1000Kg甲烷由260℃开温至538℃所需的热量QP是多少？17.已知某可燃物燃烧后的产物组成为：CO2-9%、N2-67%、H20-22%、O2-2%.试分别精确计算和粗略计算4m3的这种产物从0℃上升导1727℃所需要的热量.18.试求甲醇在25℃条件下的标准燃烧热.19.试用气相苯乙烯(C6H5C2H6)的标准燃烧热求它的标准生成热。
预混燃烧——精选推荐
预混燃烧⼀、预混燃烧的基本介绍1.贫燃预混燃烧的介绍贫燃预混燃烧是在保证燃料充分燃烧的情况下，增⼤空⽓的供给量，从⽽降低燃烧室的温度，满⾜较低的污染物排放标准（可以做到低NOx的排放）。
但是与常规的扩散燃烧技术相⽐，贫燃预混燃烧是在偏离正常化学当量⽐下进⾏的，这就会产⽣燃烧的不稳定性（主要包括回⽕以及振荡燃烧），严重阻碍了贫燃预混燃烧技术的发展。
维持贫燃预混燃烧室内的正常燃烧，其关键就在于避免⽕焰的吹熄与振荡燃烧。
⽕焰吹熄现象是因为燃烧室内当量⽐被控制在接近贫燃熄⽕极限，以便尽量降低⽕焰温度以及的排放，⽽在这种燃烧状况下，⽕焰传播速度很低，在相对⾼速的⽕焰流场中，会导致⽕焰的熄灭现象，这种现象发⽣的时间很短，被称为静态不稳定。
因此要避免⽕焰吹熄，维持预混⽕焰的稳定燃烧，关键就在于保持⽕焰燃烧速度与流场速度的平衡，可从以下两种⽅法着⼿：①提⾼燃烧速度；②降低燃⽓供给速度。
提⾼燃烧速度可使⽤端流产⽣器提⾼⽕焰瑞流强度，⽽降低燃⽓平均速度可以通过减少燃⽓供给做到，但是燃机的总效率也会下降，通常采⽤在燃烧室内安装钝体稳焰器或在燃烧室避免加⼯凹槽形成局部低速区域，使⽕焰燃烧速率与流场速率均衡，以便维持⽕焰的燃烧。
另外除上述⽅法外，旋流因为其特殊的流动特性，也常⽤于稳定湍流⽕焰。
预混燃烧的不稳定受燃料种类、进⽓温度、燃料⼀空⽓过量空⽓系数、燃烧室⼏何参数、燃烧室温度以及压⼒等众多参数的影响。
按压⼒振荡频率可将燃烧不稳定分为：低频振荡、中频振荡、⾼频振荡。
按照压⼒振荡涉及的燃烧系统部件可以将其定义为三类：燃烧系统不稳定、燃烧室腔体不稳定以及固有燃烧不稳定。
根据燃烧系统内不同扰动间的相互关系，可将燃烧不稳定分为受迫燃烧不稳定和⾃激燃烧不稳定，也可称为受迫振荡和⾃激振荡。
⼆、国内外研究现状及进展Lieuwen等⼈对预混燃烧室内的燃烧不稳定性进⾏了理论和实验研宄，将预混燃烧室分为进⼝区域、燃烧区域以及燃烧产物区域三个部分，⽤“完全撞拌反应器”模型（WSR）对当量⽐波动引起燃烧热释放波动的机理进⾏了描述和分析。
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水雾作用下甲烷/空气层流预混火焰燃烧特性研究细水雾具有良好的液滴分散性、高热容、易蒸发等特性，因此作为卤代烷烃灭火剂的替代物，细水雾灭火技术己得到了广泛的研究与应用。
在可燃气云惰化以及爆炸火焰抑制等方面，细水雾技术也得到人们的普遍关注，利用细水雾进行可燃气云惰化、抑爆的相关研究也已大量开展。
可燃气云爆炸是处于爆炸极限范围内的预混气、燃料液滴群急剧燃烧，火焰加速传播的过程。
细水雾对可燃气云惰化、抑爆技术的核心和技术基础就是细水雾与预混火焰的相互作用。
本文通过对水雾作用下甲烷／空气预混火焰燃烧特性的实验研究，揭示水雾对预混火焰稳定燃烧的影响以及水雾的惰化、抑制机理和条件。
本文的主要工作与研究成果包括： 1．设计、建造了新颖的大口径(15mm)水雾协流管式燃烧器实验台。
利用该实验台可在开放空间内，对具有较大粒径分布的细水雾(雾滴直径范围30μm～150μm)与甲烷／空气预混火焰之间的相互作用过程进行实验研究。
与目前传统的管式燃烧器以及Fuss等人研制的出口直径5.4mm，雾滴直径小于10μm的管式燃烧器相比，本实验台研究适用范围更宽广。
在对燃烧器设计思路理论分析的基础上，对实验系统进行了校准与误差分析；利用LDV／APV系统对管式燃烧器出口气体协流水雾特性进行测量，分析混合气体流量对管式燃烧器烧嘴出口处水雾特性的影响，并运用两相流理论分析了燃烧管烧嘴出口处水雾与协流气体之间的相互作用； 2．利用高速纹影实验系统对水雾协流作用下的甲烷／空气层流预混火焰燃烧特性进行研究，揭示了水雾协流作用过程中甲烷预混火焰的熄火模式与规律。
通过分析水雾对层流火焰
稳定性、火焰拉伸、燃烧速度以及火焰化学发光特性的影响，研究水雾作用过程中的火焰熄火、抑制模式的产生过程与机理；利用水雾协流管式燃烧器，通过实验的方法得到了惰化与抑制甲烷／空气层流预混火焰所需的水雾条件。
3．在不同的水雾协流条件下，对甲烷／空气层流预混火焰拉伸现象及火焰拉伸率的变化规律进行研究，分析水雾液滴蒸发与扰动对锥形预混火焰面拉。