【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）旋轉(zhuǎn)流中預(yù)混合火焰高速傳播現(xiàn)象與穩(wěn)定燃燒-熱能工程

分類號 密級 編號 中國科學(xué)院研究生院 碩士學(xué)位論文 旋轉(zhuǎn)流中預(yù)混合火焰高速傳播現(xiàn)象與穩(wěn)定燃燒 夏 亮 指導(dǎo)教師姓名 趙黛青研究員 廣州能源研究所 申請學(xué)位級別 碩士 學(xué)科專業(yè)名稱 熱能工程 論文提交日期 2006. 6 論文答辯日期 2006. 6 培養(yǎng)單位 中國科學(xué)院廣州能源所 學(xué)位授予單位 中國科學(xué)院研究生院 答辯委員會主席 中國科學(xué)院碩士學(xué)位論文 摘要 I 摘 要 低熱值燃?xì)庥捎谄錈嶂档投紵俾实?，因此在高速來流中，火焰易吹熄。但是預(yù)混合火焰能夠在旋轉(zhuǎn)流中高速傳播的現(xiàn)象說明：在旋流作用下，預(yù)混合火焰能起到在高速的來流中穩(wěn) 定燃燒的作用。為全面掌握旋流預(yù)混合火焰的燃燒特性，并探討將旋流預(yù)混合燃燒的穩(wěn)燃特性用于實(shí)際的可行性，本論文采用數(shù)值模擬的方法，以絕熱旋流預(yù)混合甲烷 /空氣燃燒為對象，進(jìn)行了如下幾個(gè)方面的研究。 1、 對不同當(dāng)量比條件下直管中均勻進(jìn)口條件的旋流預(yù)混合火焰結(jié)構(gòu)、穩(wěn)燃特性和燃燒效率進(jìn)行了研究。數(shù)值結(jié)果表明，火焰面在直管的 型。旋流切向速度一定而進(jìn)口速度不斷增大時(shí)， 靠近進(jìn)口部分出現(xiàn)逆向壓力梯度。當(dāng)采用駐定法將火焰根部位置固定時(shí)，旋流切向速度和進(jìn)口速度則滿足線形變化規(guī)律。且燃燒效 率隨著旋轉(zhuǎn)切向速度增大而減小。若采用隨半徑線性下降的進(jìn)口速度分布時(shí)，燃燒效率將提高；但預(yù)混合氣流率相比均勻進(jìn)口條件時(shí)下降。同時(shí)比較了一步有限不可逆反應(yīng)模型（ 含有 16 種組分，25 種基元反應(yīng)方程式的反應(yīng)模型（ 計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在當(dāng)量比不超過 種模型的結(jié)果基本相同。 2、 直管旋流燃燒特殊的流場結(jié)構(gòu)使得在不同的區(qū)域點(diǎn)火時(shí)，火焰發(fā)展情況不同。并最終影響了火焰的穩(wěn) 定性。本文對不同點(diǎn)火位置條件下的燃燒進(jìn)行了數(shù)值解析，燃燒反應(yīng)采用不可逆有限速率甲烷 /空氣一步總括反應(yīng)，并引入無量綱參數(shù) r+果表明：只有在低速區(qū)（ r+火，去掉點(diǎn)火后火焰才能最終穩(wěn)定；而在高速區(qū)（ r+火時(shí)，火焰將會吹熄。文中還探討了回流區(qū)的形成和發(fā)展過程對火焰的發(fā)展和最終穩(wěn)定的影響。 3、 針對直管中旋流預(yù)混合燃燒效率低不適于實(shí)際應(yīng)用的缺陷，本文采用數(shù)值研究的方法考察了突擴(kuò)式管道中旋流預(yù)混合燃燒。計(jì)算結(jié)果表明在突擴(kuò)式管道中出現(xiàn)了兩個(gè)火焰面（內(nèi)焰和 外焰）。雙火焰面的形成使得燃燒效率提高接近至 此在預(yù)混氣進(jìn)口質(zhì)量流率相同時(shí)，突擴(kuò)管的燃燒熱負(fù)荷大于直中國科學(xué)院碩士學(xué)位論文 旋轉(zhuǎn)流中預(yù)混合火焰高速傳播現(xiàn)象與穩(wěn)定燃燒 中的燃燒熱負(fù)荷。此外，由于突擴(kuò)段使得旋流的衰減，進(jìn)口段的逆壓梯度增大；而提高了突擴(kuò)管燃燒的吹熄速度，使得燃燒能在更大的來流速度范圍內(nèi)穩(wěn)定。 關(guān)鍵詞：低熱值燃?xì)猓黝A(yù)混合火焰高速傳播，穩(wěn)定燃燒特性，燃燒效率 中國科學(xué)院碩士學(xué)位論文 目錄 or of is so HV of is of of in by of be is In to of of of of is in to as in 1. In of of in of is is of is an In of is at is of If r of be of be is At of 中國科學(xué)院碩士學(xué)位論文 旋轉(zhuǎn)流中預(yù)混合火焰高速傳播現(xiàn)象與穩(wěn)定燃燒 t is of is 2. of of in be in in of is A r+is to us if in r+ be in in r+ in 3. of of in in a is of in is as in as of so of in be in of of of 國科學(xué)院碩士學(xué)位論文 目錄 V 目 錄 摘 要 . 錄 . V 第一章 前 言 . 1 究背景 . 1 文的研究目的和內(nèi)容 . 9 第二章 數(shù)值計(jì)算方法 . 11 析對象 . 11 算條件設(shè)定 . 13 本方程式 . 13 分方程的簡化 . 15 界條件 . 16 值解析方法 . 17 學(xué)組分的熱力學(xué)組分參數(shù)和傳遞參數(shù)的計(jì)算 . 21 應(yīng)動力學(xué)模型 . 23 算程序結(jié)構(gòu) . 25 第三章 甲烷 /空氣旋流預(yù)混合燃燒特性研究 . 29 烷 /空氣旋流預(yù)混合火焰結(jié)構(gòu)討論 . 29 力分布和穩(wěn)定燃燒的關(guān)系 . 31 口速度變化對火焰穩(wěn)定位置的影響 . 33 同當(dāng)量比條件下計(jì)算結(jié)果和最大切向速度和進(jìn)口速度的關(guān)系 . 34 同反應(yīng)動力學(xué)的計(jì)算結(jié)果比較 . 36 燒效率和熱負(fù)荷隨旋轉(zhuǎn)速度的變化 . 38 變進(jìn)口速度分布對燃燒效率的影響 . 39 結(jié) . 40 第四章 點(diǎn)火位置對燃燒過程的影響 . 43 流燃燒流場形態(tài)分析和區(qū)域劃分 . 43 中心軸上點(diǎn)火時(shí)的燃燒過程 . 44 中國科學(xué)院碩士學(xué)位論文 旋轉(zhuǎn)流中預(yù)混合火焰高速傳播現(xiàn)象與穩(wěn)定燃燒 速區(qū)內(nèi)點(diǎn)火的燃燒過程 . 45 速區(qū)內(nèi)點(diǎn)火的燃燒過程 . 46 結(jié) . 47 第五章 突擴(kuò)式管中的燃燒特性和燃燒效率 . 49 擴(kuò)管和直流管燃燒特性的比較 . 50 擴(kuò)管中火焰面形態(tài)和它隨進(jìn)口速度的變化 . 54 擴(kuò)管和直流管熱負(fù)荷的比較 . 56 擴(kuò)管和直流管吹熄速度的不同及其成因 . 56 結(jié) . 60 第六章 結(jié)論 . 62 文創(chuàng)新點(diǎn) . 62 文研究總結(jié) . 62 議 . 63 參考文獻(xiàn) . 65 附表 1 . 69 附表 2 . 70 碩士期間主要研究成果 . 71 致 謝 . 73 中國科學(xué)院碩士學(xué)位論文 前言 1 第一章 前 言 究背景 熱值燃?xì)?應(yīng)用的前景 分析 我國是一個(gè)以煤為主的能源消費(fèi)大國，化石燃料大量消費(fèi)帶來的污染物和溫室氣體排放給生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重?fù)p害，以煤為主的單一能源結(jié)構(gòu)業(yè)面臨能源資源緊缺的巨大挑戰(zhàn)。據(jù)專 家估計(jì)， 到 2020 年，中國的能源需求總量將達(dá)到近25 30 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤， 無論從能源資源供給以及運(yùn)輸，還是對排放物的環(huán)境可承受容量，大力開發(fā)和利用高效清潔的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，大力發(fā)展替代能源技術(shù)都是極為重要的，而且要尋找更廣泛的燃料來源。 在上述背景下，低熱值燃料的利用得到極大關(guān)注。根據(jù)發(fā)熱量的大小氣體燃料可以分為三類。發(fā)熱量大于 高熱值燃料，發(fā)熱量在 中熱值燃料，發(fā)熱量小于 為低熱值燃料。低熱值燃?xì)庵饕幸韵聨讉€(gè)來源：工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的低熱值燃 氣，如高爐煤氣、煉油伴生氣、瓦斯氣，生物質(zhì)熱解氣化產(chǎn)物，包括生活垃圾焚燒，由生物質(zhì)氣化產(chǎn)生的燃?xì)?，熱值約為 J/業(yè)生產(chǎn)廢氣（如高爐煤氣和瓦斯氣，熱值分別為 J/ J/生活垃圾，熱值約 些低熱值能源資源的利用是提高我國能源利用效率的重要技術(shù)途徑，同時(shí)處理了生產(chǎn)和生活的廢氣和垃圾，也滿足了工業(yè)生產(chǎn)低污染排放和凈化生活環(huán)境的要求。 雖然低 熱值燃?xì)庥衼碓磸V泛，儲量巨大的優(yōu)點(diǎn)；但是低熱值燃?xì)獾娜紵俾实?，不易穩(wěn)定燃燒 ， 燃燒時(shí)容易出現(xiàn)回火和吹熄 。特別是 在實(shí)際應(yīng)用中，為取得高的燃燒熱負(fù)荷來流速度一般較高的情況下 ，火焰容易吹熄。 種 穩(wěn)定燃燒技術(shù)的比較 穩(wěn)燃技術(shù)從方法上來說一般可分為兩種： 一 . 優(yōu)化著火條件的穩(wěn)燃技術(shù)：濃縮煤粉燃燒，分級點(diǎn)火，高溫預(yù)熱；二 . 優(yōu)化燃燒場結(jié)構(gòu)的穩(wěn)燃技術(shù)：鈍體中國科學(xué)院碩士學(xué)位論文 旋轉(zhuǎn)流中預(yù)混合火焰高速傳播現(xiàn)象與穩(wěn)定燃燒 2 燃燒器，旋流 擴(kuò)散 燃燒 ， U 形管燃燒 。 一、 優(yōu)化著火條件的穩(wěn)燃技術(shù) 當(dāng)煤粉濃度提高時(shí)，煤粉氣流的著火熱減少，著火溫度降低，著火時(shí)間縮短，著火點(diǎn)提前。因此提高煤粉濃度可以提高火焰穩(wěn)定性 1。在實(shí)際應(yīng)用中，送入煤粉一般由濃縮器分為濃淡兩股，稱為一、二次風(fēng)。方式主要有燃 燒器出口濃縮，原始濃縮和燃燒器前濃縮 1，水平濃淡風(fēng)煤粉燃燒器就是其中有代表性的一種 2。濃淡旋流燃燒器是指將二次風(fēng)再分成直流和旋流兩股，用旋流二次風(fēng)產(chǎn)生的回流區(qū)穩(wěn)定火焰。一次風(fēng)的濃度、直流風(fēng)量大小、回流區(qū)大小都會影響燃燒的穩(wěn)定性。高茂等 3發(fā)現(xiàn)直流二次風(fēng)對整個(gè)燃燒器出口的較大，要穩(wěn)定燃燒，直流二次風(fēng)流量不應(yīng)過大。邊疆等 4提出回流區(qū)偏小使得濃一次風(fēng)和旋流二次風(fēng)過早混合而不能穩(wěn)定燃燒。 分級點(diǎn)火是指首先產(chǎn)生一個(gè)小的高溫?zé)嵩醋鳛橐粋€(gè)穩(wěn)定的點(diǎn)火源，再點(diǎn)燃其他的燃料。事實(shí)上，無論是燃煤或燃?xì)猓€(wěn)燃所需的僅 是一個(gè)穩(wěn)定的高溫?zé)嵩?。涂建華等 5研究了如何用電熱管先點(diǎn)燃小股煤粉，再以這部分煤粉點(diǎn)火穩(wěn)燃大量的煤粉，這種方法的最大好處是成本低。靳世平等 6提出用開縫鈍體來穩(wěn)定燃燒，該文作者通過對直流，鈍體和開縫鈍體三種不同的燃燒器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于開縫鈍體能促使小股縫隙燃料空氣流直接進(jìn)入鈍體的尾流低速去，從而達(dá)到先著火目的，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)低熱值煤氣在這種燃燒器中也能構(gòu)強(qiáng)化燃燒，還可以解決尾部超溫的問題。 高溫空氣預(yù)熱技術(shù)是利用預(yù)熱燃料或助燃?xì)膺_(dá)到增大燃燒速率，進(jìn)而穩(wěn)定低熱值燃料燃燒的技術(shù)。這種技術(shù)不但可以提高燃 燒速率，還可以利用燃燒器排煙的預(yù)熱，起到節(jié)能的目的。朱彤等 7， 8對低熱值煤氣的高溫空氣燃燒過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)論是采用高溫空氣預(yù)熱技術(shù)可以使低熱值燃?xì)夥€(wěn)定燃燒。特別由于排煙的余熱遠(yuǎn)大于預(yù)熱助燃空氣所需的熱量，故采用同時(shí)預(yù)熱燃?xì)夂涂諝獾碾p預(yù)熱方法要好與單預(yù)熱方式。計(jì)算結(jié)果顯示：預(yù)熱后，爐內(nèi)中心噴口軸線上的最高溫度點(diǎn)位置明顯提前，一氧化碳的變化速率明顯快于不預(yù)熱的結(jié)果，這都說明通過預(yù)熱低熱值燃?xì)?，反?yīng)速率加快，穩(wěn)定了燃燒。區(qū)別于雙預(yù)熱方式，單預(yù)熱方式是指只預(yù)熱助燃空氣，這種預(yù)熱方式所能獲得的燃燒最高溫度低 于雙預(yù)熱方式 8，但也降低了 排放 9。 中國科學(xué)院碩士學(xué)位論文 前言 3 二、 優(yōu)化燃燒場結(jié)構(gòu)的穩(wěn)燃技術(shù) 用鈍體穩(wěn)定燃燒的機(jī)理是利用在鈍體后形成的高溫低速區(qū)回流區(qū)作為穩(wěn)定的點(diǎn)火源。因此，要保證穩(wěn)定燃燒的關(guān)鍵是進(jìn)一步強(qiáng)化高溫?zé)煔饣亓鱽砑訜嵛慈济悍凼顾焖僦饋碓黾尤紵姆€(wěn)定性。鈍體回流區(qū)內(nèi)的高溫?zé)煔夂突亓鲄^(qū)外的低溫燃料氣體，通過回流區(qū)邊界進(jìn)行的質(zhì)量交換是它們進(jìn)行熱量交換的基礎(chǔ)。而高溫?zé)煔馔ㄟ^回流區(qū)邊界向燃料氣流擴(kuò)散的質(zhì)量流量 10 2223 （ 1 1） 式中， 此增加 增加 且減小了媒粉揮發(fā)分濃度，對著火不利。在此基礎(chǔ)上陳剛，邱紀(jì)華等提出了多種強(qiáng)化回流的穩(wěn)燃方法 10， 11，效果比普通鈍體要好的多。這些方法主要有：邊界射流鈍體穩(wěn)燃器，中心回流穩(wěn)燃腔，內(nèi)外雙回流穩(wěn)燃腔和相交式高濃度煤粉燃燒器。邊界射流和中心回流都是加大回流區(qū)邊界外速度而強(qiáng)化煙氣回流。相對邊界射流穩(wěn)燃器，中心 回流穩(wěn)燃腔具有結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。但是它的問題在于內(nèi)外回流區(qū)不能同時(shí)產(chǎn)生，影響了穩(wěn)燃能力。內(nèi)外雙回流穩(wěn)燃腔在此基礎(chǔ)上增加了腔外兩側(cè)的外回流通道。這樣內(nèi)外回流同時(shí)加熱煤粉氣流，使之在進(jìn)入爐膛的初期就可活得大量熱量，促使煤粉提前著火和穩(wěn)定燃燒 11。 旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰根據(jù)旋流強(qiáng)度的不同分為弱旋轉(zhuǎn)射流和強(qiáng)旋轉(zhuǎn)射流 12。強(qiáng)旋轉(zhuǎn)射流時(shí)，旋流強(qiáng)度增加，沿軸向的反向壓力梯度大到足以發(fā)生反向流動，形成內(nèi)部回流區(qū)，由此產(chǎn)生在強(qiáng)旋轉(zhuǎn)射流時(shí)，混合更強(qiáng)，燃燒強(qiáng)度更高，增強(qiáng)了火焰的穩(wěn)定性。 13采 用 如圖 1由內(nèi)環(huán)和外環(huán)的根部分別進(jìn)入可燃?xì)猓ㄌ烊粴?，成分為甲?乙烷 氮?dú)?的實(shí)驗(yàn)裝置 和空氣采用 噴嘴出口處流場有明顯的回流區(qū)。他們發(fā)現(xiàn)這種燃燒器的穩(wěn)定性由氣流速度和噴嘴轉(zhuǎn)數(shù)決定，即一定的轉(zhuǎn)數(shù)下有一定的極限吹熄速度 ，并且轉(zhuǎn)速越大吹熄速度也越大 。 圖 1者測量了三種當(dāng)量比下隨著旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度改變的吹熄速度， 表示質(zhì)量空燃比。在 =轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到 3000以上時(shí)，火焰的顏色由黃色變成藍(lán)色，這是旋轉(zhuǎn)加強(qiáng)導(dǎo)致 混合增強(qiáng)，燃燒更劇烈導(dǎo)致的。 中國科學(xué)院碩士學(xué)位論文 旋轉(zhuǎn)流中預(yù)混合火焰高速傳播現(xiàn)象與穩(wěn)定燃燒 4 圖 1 3的 14，作者討論了在多種條件下 果顯示，在流量相同的條件下，為了滿足連續(xù)性的要求， 為外側(cè)）所外速度比直管同一位置處的流速要大，曲率半徑小的一側(cè)（稱為內(nèi)側(cè)）的速度則比直管的小。這樣的噴出速度分布使得 是由于內(nèi)側(cè)速度減小了，回火速度也會增大，即回火界限升高。 圖 1 4給出了 見 夠在較高的速度范圍內(nèi)穩(wěn)定火焰。 上述所有穩(wěn)燃技術(shù)中除煤粉濃縮技術(shù)外全部是應(yīng)用于燃?xì)馊紵姆€(wěn)定。但普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難于實(shí)現(xiàn)和燃燒器易損壞的特點(diǎn)。 對于低熱值燃?xì)獾念A(yù)混合燃燒穩(wěn)定技術(shù)的研究需要另辟蹊徑。 圖 1燃燒器噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖 圖 1不同空燃比下火焰吹熄界限 N(圖 管結(jié)構(gòu)示意圖 圖 1 4. U 形管和直管的吹熄和回火速度比較 中國科學(xué)院碩士學(xué)位論文 前言 5 燃技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用舉例 參混燃燒中穩(wěn)燃技術(shù)的應(yīng)用 在高爐煤氣摻混煤粉的方式中，由于高爐煤氣的熱值低、不易燃燒，且燃燒后火焰面長，存在和煤粉燃燒搶風(fēng)的問題，導(dǎo)致煤粉著火條件惡化。因此，一般混燒型高爐煤 氣的噴嘴都布置在下方 15， 16，配以過量空氣系數(shù)大于 1的空氣，也是出于讓高爐煤氣在爐膛底部先行燃燒完全而不會影響到煤粉的燃燒的考慮。與此相似的是生物質(zhì)原料（玉米芯、玉米秸、麥秸和棉材等）氣化可燃?xì)鉄嶂导s為 J/ 3m ，屬于低熱值燃?xì)?。它們的燃燒也必須在有充足供氣量的前提下，谷震?17給出了多種低熱值燃?xì)夂涂諝獾墓怏w積比。 在優(yōu)化燃燒場結(jié)構(gòu)方面，文獻(xiàn) 18指出柵格式的噴嘴性能優(yōu)于多管式噴嘴。雖然多管式噴嘴在鍋爐容量小的時(shí)候穩(wěn)燃性能可以，但隨容量增大卻 性能下降。而柵格式噴嘴為擴(kuò)散型燃燒方式，它的陣列式結(jié)構(gòu)使高爐煤氣和空氣混合更均勻，能對高爐煤氣預(yù)熱，能防回火并且結(jié)構(gòu)緊湊。 除此之外，摻混燃燒場的不穩(wěn)定性還和噴嘴結(jié)構(gòu)、高爐煤氣壓力的頻繁變化有關(guān)。高爐煤氣壓力的變化是因它在高爐內(nèi)的產(chǎn)生量變化引起的 15。解決辦法是加裝穩(wěn)壓柜和減壓裝置來穩(wěn)定壓力。 全燒 型中穩(wěn)燃技術(shù)的應(yīng)用 17， 19， 20 由于低熱值燃料的燃燒溫度都很低，所以要優(yōu)化著火條件就必須保證其燃燒有穩(wěn)定的高溫區(qū)。如 高爐煤氣的著火點(diǎn)在 530理論燃燒溫度為 130017。 為保證其穩(wěn)定燃燒 必須保證燃燒室絕熱性能好。為此，爐膛內(nèi)要用耐火材料鋪設(shè)、敷設(shè)衛(wèi)燃帶，耐火材料還可以吸收燃燒的高溫輻射。爐膛結(jié)構(gòu)采用“縮腰”型，這樣的設(shè)計(jì)是為了減小燃燒區(qū)域的體積，爐膛更好的吸收輻射，形成局部高溫區(qū)。用空氣來吸收部分排煙熱量，既可以提高燃燒的效率，又可以預(yù)熱空氣穩(wěn)定燃燒。 而為了優(yōu)化燃燒場， 燃燒器現(xiàn)均采用旋流式 。它是將空氣和高爐煤氣通過各自的通道流經(jīng)噴嘴，經(jīng)過導(dǎo)向葉片后產(chǎn)生旋流。優(yōu)點(diǎn)在于能加強(qiáng)混合，燃燒更充分。 他穩(wěn)燃技術(shù) 合理的參混比 中國科學(xué)院碩士學(xué)位論文 旋轉(zhuǎn)流中預(yù)混合火焰高速傳播現(xiàn)象與穩(wěn)定燃燒 6 在低、高熱值燃料的摻混燃燒中摻混比決定著摻混方法的可行性和 經(jīng)濟(jì)性，是一個(gè)重要參數(shù)。 水煤氣、發(fā)生爐煤氣和半水煤氣等均為常壓氣化煤氣，它們的成分主要為 值為 21。但當(dāng)它們摻混了液化石油氣之后，就可以產(chǎn)生出熱值分別為 J/ J/ 模擬人工煤氣和模擬天然氣，可供直接使用。水煤氣、半水煤氣等和液化石油氣的摻混分別比為 995584890 1325083460 生物質(zhì)氣化氣的混燒方面，文獻(xiàn) 22提出由甘蔗殘余物氣化出的燃?xì)猓錈嶂导s為 J/ 合天然氣燃燒。當(dāng) 天然氣和生物質(zhì)氣化氣質(zhì)量比達(dá)到 35，效率幾乎不變。在質(zhì)量比 40左右時(shí)，燃燒器功率最大。 延長燃燒時(shí)間 這種燃燒器 23的穩(wěn)燃原理是利用螺旋式結(jié)構(gòu)延長燃?xì)夂涂諝饣旌蠒r(shí)間，從而加強(qiáng)燃?xì)夂涂諝獾幕旌喜⑹?燃燒器內(nèi)完全氧化。這種燃燒器進(jìn)氣口布置在切向，由底部軸心處的丙烷本生燈點(diǎn)燃。 流 渦管中 預(yù)混合燃燒速率的提高 渦管中火焰的高速傳播現(xiàn)象是 24于 1971 年發(fā)現(xiàn)在一個(gè)渦環(huán)中火焰的傳播速度隨著渦旋強(qiáng)度增加而線性增加，最大可達(dá) 1400cm/s。他的研究引起了很 多學(xué)者的關(guān)注。隨后，在實(shí)驗(yàn)和理論兩方面都不斷的有研究報(bào)道。 理論研究方面，由 25 于 1977年提出 圖 15所示， 通過觀察火焰面前后的壓差，并且考慮動量守恒定律。 他 認(rèn)為整個(gè)過程可以類比水力躍遷過程。 圖 1 5. 出的 理 中國科學(xué)院碩士學(xué)位論文 前言 7 0 )( （ 1 而從動量方程可以得到渦的壓力分布。 （ 1 積分上式，可以的到： 2 m a （ 1 再綜合 （ 1） 式 ， 最后 導(dǎo)出了火焰?zhèn)鞑ニ俣群?最大周向旋轉(zhuǎn)速度、未燃?xì)馀c已燃?xì)獾拿芏缺鹊钠椒礁烧鹊年P(guān)系如下式。 V m 1 焰面沿軸向傳播速度， 最大周向速度， u 和 b 分別是未燃?xì)夂鸵讶細(xì)獾拿芏取?6認(rèn)為是火焰核心的變形導(dǎo)致了渦旋流場中火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊脑龃?。在非中心軸點(diǎn)燃預(yù)混氣形成火焰后，火焰會向著中心軸移動并且形成雪茄 形 即軸向尺度比徑向尺度大很多的形狀。 7和 28 分別用斜壓效應(yīng)和渦旋的方位角分量探討現(xiàn)象的機(jī)理，提 圖 混合火焰分別在 (a) 靜止流場和在 (b) 旋轉(zhuǎn)流場中傳播現(xiàn)象 出了計(jì)算火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊年P(guān)聯(lián)式。 實(shí)驗(yàn) 研究中， 33 和 34， 35分別測定了渦環(huán)和直渦管中國科學(xué)院碩士學(xué)位論文 旋轉(zhuǎn)流中預(yù)混合火焰高速傳播現(xiàn)象與穩(wěn)定燃燒 8 中火焰的傳播速度，發(fā)現(xiàn)其值 不但 和未燃?xì)馀c已燃?xì)獾拿芏缺纫约爸芟蛐D(zhuǎn)速度成正比 ，而且還和燃燒速度有關(guān) 。 圖 1 6 是 驗(yàn)測得的 最大旋轉(zhuǎn)速度為 焰迅速傳播。 但由于燃燒速度的數(shù)量級較周向旋轉(zhuǎn)速度小很多，所以在理論公式中常被忽略。 33通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬和給出了下面的關(guān)系式。 )1( （ 1 人 35還 研究了最大周向速度與火焰面兩側(cè)的密度比的影響。圖 1 7 表示在四種密度比條件下， 趙和山下 36對 當(dāng)量比 甲烷 /空氣預(yù)混合燃燒進(jìn)行了數(shù)值研究， 模擬了預(yù)混和氣體在 直管中的旋流場的燃燒。 計(jì)算中通過附加一個(gè)與火焰?zhèn)鞑シ较蛳喾吹妮S向速度使火焰駐定在計(jì)算 區(qū)域內(nèi)，對強(qiáng)制渦和 的條件下已燃區(qū)和未燃區(qū)的速度、溫度等多種物理量分布進(jìn)行了詳細(xì)的研究，探討了現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)理。 于 旋流渦管中預(yù)混合燃燒 技術(shù)實(shí)際 應(yīng)用 的預(yù)測 上述研究 都 表明， 旋流渦管 中，沿渦軸的火焰?zhèn)鞑ニ俣葧S著旋流切向速度增大而增大。如果將它 作為穩(wěn)燃技術(shù) 應(yīng)用到低熱值燃?xì)獾娜紵?中 ，就可以解決低熱值燃?xì)馊紵俣鹊偷膯栴}。 該技術(shù)有結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。 但 在實(shí)際應(yīng)用前，還必須掌握 旋流預(yù)混合火焰燃燒的特性 和 穩(wěn)定燃燒的條件 。 為此本文采用數(shù)值模擬的方法對旋流預(yù)混合燃燒進(jìn)行研究，目的在于給出 可以將此方法投入實(shí)際應(yīng)用的理論預(yù)測和指導(dǎo)。 圖 1 7. 不同密度比條件下火焰?zhèn)鞑?速度和最大周向速度的關(guān)系 中國科學(xué)院碩士學(xué)位論文 前言 9 文的研究目的和內(nèi)容 烷 /空氣預(yù)混合 燃燒 特性的 深入 研究 針對圓管內(nèi)強(qiáng)制渦作用下的甲烷 /空氣預(yù)混合火焰，本文 在文獻(xiàn) 36的基礎(chǔ)上， 采用直接數(shù)值模擬的方法對渦管中 不同化學(xué)當(dāng)量比的 甲烷 /空氣預(yù)混合火焰的流場和燃燒特性進(jìn)行了研究。考察了不同當(dāng)量比下火焰?zhèn)鞑ニ俣群托D(zhuǎn)角速度的關(guān)系；考察了旋轉(zhuǎn)角速度對燃燒效率和火焰半徑的影響； 分析了 流場形成與旋轉(zhuǎn)和燃燒之間的關(guān)系；燃燒 探討燃燒效率隨火焰半徑的影響以及提高燃燒效率的途徑。 火位置對燃燒 穩(wěn)定性的影響 根據(jù)已把握的旋轉(zhuǎn)流中預(yù)混合火焰特殊的燃燒場結(jié)構(gòu)，本研究預(yù)測點(diǎn)火位置將會影響火焰的形成，點(diǎn)火位置對旋流預(yù)混燃燒最終能否穩(wěn)定至關(guān)重要。因此，本文采用數(shù)值模擬的辦法，以強(qiáng)制渦作用下的旋流甲烷 /空氣預(yù)混合燃燒為研究對象，考察了在流場的不同區(qū)域點(diǎn)火對燃燒穩(wěn)定性的影響，并探討了 流場結(jié)構(gòu)和火焰穩(wěn)定性的 內(nèi)在聯(lián)系 。 擴(kuò) 管道中旋流預(yù)混合燃燒 特性和 效率 與直流管的對比 雖然周向旋轉(zhuǎn)速度的提高使得預(yù)混合火焰能在更高速的 來流中穩(wěn)定，但同時(shí)燃燒效率也大幅降低。 這使得旋流預(yù)混合燃燒技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用受到限制。 改變 來流速度的分布能夠提高燃燒效率，但 由于流量受到限制， 熱負(fù)荷 的提高有限 。因此為同時(shí) 大幅 提高燃燒效率和燃燒熱負(fù)荷，本文研究了在 突擴(kuò) 管道中旋流預(yù)混合燃燒 。 并將結(jié)果與直流管中的燃燒特性和效率進(jìn)行了對比 。 結(jié)果表明：在不同的周向轉(zhuǎn)速時(shí)，相對于相同來流速度的直管燃燒， 突擴(kuò) 管中的燃燒都保持接近 很高的熱負(fù)荷。 文中討論了 高 效率的原因，并對 突擴(kuò) 管和直管 中的燃燒特性 和吹熄速度 ，這對旋流預(yù)混和甲烷 /空氣燃燒的實(shí)際應(yīng)用提供了全面的理論基礎(chǔ)。 中國科學(xué)院碩士學(xué)位論文 旋轉(zhuǎn)流中預(yù)混合火焰高速傳播現(xiàn)象與穩(wěn)定燃燒 10 中國科學(xué)院碩士學(xué)位論文 數(shù)值計(jì)算方法 11 第二章 數(shù)值計(jì)算方法 析對象 本文的解析對象按照研究內(nèi) 容分為直管中旋流預(yù)混合甲烷 /空氣火焰和 突擴(kuò) 管中的旋流預(yù)混合甲烷 /空氣火焰，管道均為垂直放置。一定當(dāng)量比的甲烷 /空氣預(yù)混合氣體從由底端管口流入管道。圖 2 2別為直管和 突擴(kuò) 管的柱坐標(biāo) 圖 2直流管 1數(shù)值計(jì)算區(qū)域 (0, 0) z (r (1 2 3 4 點(diǎn)火點(diǎn) 圖 2直流管 2數(shù)值計(jì)算區(qū)域 (0, 0) 1 2 3 5 r (z (點(diǎn)火點(diǎn) 中國科學(xué)院碩士學(xué)位論文 旋轉(zhuǎn)流中預(yù)混合火焰高速傳播現(xiàn)象與穩(wěn)定燃燒 12 系下的數(shù)值分析模型示意圖和計(jì)算中采用的邊界名稱，為便于進(jìn)行直流管和 突擴(kuò) 管的比較，對圖 2 1 做了改進(jìn)得到的圖 2 2 為計(jì)算中和 突擴(kuò) 管進(jìn)行結(jié)果比較的計(jì)算區(qū)域及邊界名稱。反應(yīng)動力學(xué)模型采用甲烷的一步不可逆燃燒反應(yīng)模型 21。圖 2 1 管長 32徑 16域均勻劃分為 160（軸向） 160（徑向）的網(wǎng)格；點(diǎn)火點(diǎn)坐標(biāo)（ 00出口距離 r 坐標(biāo)軸 24 2 2 管長 64徑 16域均勻劃分為 320（軸向） 160（徑向）的網(wǎng)格，點(diǎn)火點(diǎn)坐標(biāo)（ 016圖 2 3 由兩個(gè)半徑