微重力条件下球形扩散火焰的振荡诱导熄火机理研究

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熄火问题广泛存在于诸如锅炉、内燃机、燃气轮机、以及航空发动机等各类燃烧设备中,对燃烧设备的安全、高效和稳定运行影响重大,因此有着迫切的研究需求,并且一直都是燃烧学界的研究热点。熄火作为一种常见的极限燃烧现象,通常发生在极小的时间间隔和空间范围内,它不仅与燃烧反应动力学直接相关,还与传热传质、流动混合等过程相互耦合。并且对于大分子碳氢燃料而言,熄火过程还会伴随着低温动力学现象。因此影响熄火的因素众多、机理尤为复杂。根据激励机理和诱导因素的不同,可将熄火分为多种类型,如:热辐射诱导熄火、拉伸诱导熄火、射流火焰吹熄、输运诱导熄火、局部熄火/再点火、预混传播焰面熄火、振荡诱导熄火,等等。既有的文献表明,目前人们对前面的六种熄火模式已做过较为全面的研究,并对其控制机理已有较为深刻的认知。而作为另一种广泛存在的熄火模式——振荡诱导熄火,迄今为止,并没有引起太多的关注,人们对它的认知尚不清楚,因此急需对振荡诱导熄火机理进行系统而深入的研究。针对现有研究需求,本文以层流、负压、微重力球形扩散火焰为研究对象,并选用二甲醚(CH3OCH3,DME)为目标燃料,对振荡诱导熄火机理开展系统的研究,深入分析控制振荡诱导熄火过程的反应动力学及热质输运因素,揭示振荡熄火的形成机理。主要的研究内容和结论如下:(1)基于稳态仿真获得DME球形扩散火焰的稳态S曲线,分别对热焰和冷焰分支的近熄火工况点做瞬态仿真,观察火焰振荡现象。结果表明,热焰的振荡过程由固定频率(1Hz)的单频振荡模式所控制,而冷焰的振荡过程由两个具有不同频率的双频振荡模式所控制;热焰振荡熄火主要由高温释热,及小分子所参与的链分支/中断反应之间的竞争关系所主导,而冷焰振荡熄火主要由负温度系数(NTC)区域内的低温链分支/中断反应之间的竞争关系所主导。(2)基于稳态S曲线的数值解,采用“化学爆炸模式分析(CEMA)”方法,对燃烧控制方程中化学反应源项的雅可比矩阵做特征转换,并针对化学爆炸模式(CEM)进行燃烧机理诊断,从而可以更深入地揭示DME球形扩散火焰在近熄火条件下的振荡不稳定性。结果表明,对于热焰分支,随着环境氧气浓度的降低,火焰最高温度处首先产生未燃尽碳氢成分而出现带有爆炸属性的CEM;对于冷焰分支,其反应区内均存在CEM。热焰和冷焰的CEM特征值为虚数,说明熄火极限附近的火焰会伴随着强烈的振荡,并且冷焰具有比热焰更强的振荡强度与更宽的振荡范围。利用CEM模式特征值的分布,能够快速确定燃烧场中局部熄火区的位置;正特征值与燃烧振荡几乎是同时存在的,说明近熄火极限条件下的火焰振荡具有普遍性。(3)向传统燃料中掺混一定比例的氢气,可以极大地改变燃料的极限燃烧特性(如熄火和点火),因此本文通过在DME混合物中加入适量的氢气,以研究加氢对DME球形扩散火焰振荡熄火的影响。结果表明,加氢可以拓展热焰与冷焰的可燃极限范围;加氢使得热焰的振荡区间缩小,而使得冷焰的振荡区间拓宽。
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