【摘 要】
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贫燃预混燃烧(Lean Premixed Combustion,LPC)是一种通过降低当量比,从而有效降低污染物生成的清洁燃烧技术。但LPC燃烧不稳定性问题(如燃烧振荡、吹熄、回火)等成为亟待解决攻克的关键症结。贫燃预混燃烧中火焰宏观形态的转变被认为是燃烧不稳定出现的前兆,其诱发机理复杂,不仅与当量比、旋流数、燃烧器结构等密切相关,而且涉及到旋流燃烧室内火焰与流场的耦合作用过程。目前,针对火焰宏观
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贫燃预混燃烧(Lean Premixed Combustion,LPC)是一种通过降低当量比,从而有效降低污染物生成的清洁燃烧技术。但LPC燃烧不稳定性问题(如燃烧振荡、吹熄、回火)等成为亟待解决攻克的关键症结。贫燃预混燃烧中火焰宏观形态的转变被认为是燃烧不稳定出现的前兆,其诱发机理复杂,不仅与当量比、旋流数、燃烧器结构等密切相关,而且涉及到旋流燃烧室内火焰与流场的耦合作用过程。目前,针对火焰宏观形态、火焰-流场耦合作用机理与火焰形态转变之间关联行为的科学问题,国内外前沿多以平面激光诊断技术为基础,开展实验研究。本论文在进行充分文献调研和平面三维激光诊断实验的基础上,更进一步拓展了旋流流场三维空间诊断技术,实现了测量方法的创新,为更深入探索旋流燃烧不稳定机理奠定了重要基础。本文的主要工作与成果包括:(1)构建了贫燃预混旋流燃烧实验平台,包括2D/3D激光诊断系统、旋流燃烧模型燃烧室、流化床示踪粒子发生系统器、数据采集系统与控制系统和气源供给系统。平台可开展包含2D-PIV(2D2C)/Stereo-PIV(2D3C)/Tomographic PIV(3D3C)在内的多种流场测量、OH*火焰自发光火焰形态诊断和流场-火焰同步测量,并具备流场重构、数据与图像后处理能力。以此作为旋流燃烧室内宏观火焰形态转变及对应流场耦合作用的研究基础,开展并完成了本文研究工作;(2)旋流燃烧室的2D空间诊断。研究表明,无论冷态还是热态,流场均呈现“两区双层”结构,即中心回流区、外回流区、内剪切层和外剪切层。同时,对比同步拍摄的瞬态火焰-流场宏观结构,发现旋流火焰受流场内的涡结构影响而变得扭曲和卷曲,同时发现由于流动不稳定性,流场中外回流区回流的流体卷吸火焰锋面,导致火焰脱离剪切层,随着流体的回流而传播到上游的外回流区导致了火焰由紧缩型变为M型。(3)旋流燃烧室的3D空间诊断。研究表明,旋流燃烧室内三维流场呈螺旋式上升结构,随着旋流数增大,压差导致燃烧室中央流动逆流,即形成中心回流区,可起到点火源的作用;在相同的入口条件下,在燃烧室喷嘴附近产生了内外两层大尺度旋涡,这些大尺度涡受流场的拉伸和剪切作用逐渐衰减和破碎,随着流场向下游发展,这些涡在下游分解成小尺度涡旋,并最终通过湍流扩散和粘性阻尼消散。本文工作为研究和设计工业贫燃预混燃烧室提供了一些参考价值,并为更深入探索三维空间旋流燃烧不稳定机理奠定了基础。
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