层流预混火焰稳定浓度界限测定

第48卷第7期西安交通大学学报V01．48No．7 2014年7月JOURNAL OF XI’AN JIAOTONG UNIVERSITY Jul．2014DoI：10．7652／xjtuXb201407007合成气预混层流火焰结构的实验和数值研究卫之龙，王金华，舒新建，谢永亮，王锡斌，黄佐华(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，710049，西安)摘要：利用oH—PLIF方法获得了当量比分别为0．6、O．8、1．O、1．2，CO。

或N。

稀释比分别为3％、5％时，合成气／空气／稀释气本生灯预混层流火焰中oH基的分布，结合sTAR—CD模拟计算所得火焰中的流场和组分分布进一步分析了火焰结构。

研究结果表明：随着混合气当量比的增加，0H基高浓度分布区域由火焰前锋面附近转移到火焰边缘；混合气较稀时，火焰前锋面附近0H基浓度最高且沿已燃区方向逐步递减，火焰顶端处OH基浓度减小，模拟计算结果显示火焰顶端并未发生燃料泄漏；化学当量比下，火焰前锋面附近和火焰边缘区域0H基浓度较高，火焰前锋面附近出现了预混燃烧区和扩散燃烧区，该区域中OH基呈现“W”型分布；受N。

和CO。

稀释的影响，混合气层流燃烧速度降低，火焰前锋面拉长，CO。

对火焰结构的影响比N。

更显著；火焰前锋面附近OH基浓度减小，扩散燃烧区O H基浓度增大，说明火焰的预混燃烧有所减弱，扩散燃烧有所加强。

关键词：合成气；0H—PLIF方法；STAR—CD模拟；oH基；稀释气中图分类号：TK411文献标志码：A文章编号：0253—987X(2014)07一0034一07Exp er im en ta l and Numerical Study o n Structure ofLam in ar Premixed Syngas—Air-Diluents FlamesWEI Zhilong，WANG Jinhua，SHU Xinjian，XIE Yongliang，WANG Xi bin，HU ANG Zuohua (State Key Laboratory of Mul t i ph a s e Flow in Power Engineering，Xi’an Jiaot ong University，Xi’an710049，China) Abstr舵t：The structures of laminar premixed syng as—ai r-di lu en t s flames were obtaineddiffe re n t equivalence ratios(0．6，O．8，1．O，1．2)，diluents(N2／C02)，and dilut io n atratios(3％and5％)by usin g OH—PLI F te chn iqu e．Flame s tructure was analyzed on the basis of the flow field and species dist“bution which were calculated with STAR—CD．The results show that high 0H distribution shifts towards the o ut er flame boundary with the increase of equivalence r at io；for lean mixtufe，the region of high0H radic al concentration locates along the conic primary reaction boundary；O H radi ca l concentration at the flame c o ne ti p decreases，and the nume rica I simulation results show that no leakage o c c u r s at the flame tip；for mixture at stoichiometricrati o，high0H radi cal concentration app ear s alo ng the flame front and on the flame surface，meaning the occu rren ce of a premixed combustion z one and a diffusion combustion zone，a nd the0H distribution appears to resemble a“W"shape；due to the effect s of diluents N2and C02，the 1aminar burning velocity decrea ses，leading to the extension of the flame front，and C02has a gr e at e r impact on the flame structure compared to N2；0H radica l concentration decreas es alon g the flame front while i n cr e a se s i n the diffusion zone，which means the premixed combustion is weakened whjle t he d if fu si on combustion js jnt e n sj f i e d．收稿日期：2013—12—19。

第一章1、试就成煤物质的碳化程度说明煤炭的种类及其特点。

答：根据母体物质炭化程度不同可将煤分为四大类，即泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤。

泥煤：质地疏松、吸水性强、含氧量最多，含碳最少。

使用性能挥发分高，反应性强，含硫量低，机械性能很差，灰分、熔点很低。

褐煤：与泥煤相比，密度较大，含碳量较高，氧和氢含量较少，挥发分产较低。

粘结性弱，极易氧化和自然，吸水性较强。

烟煤：与泥煤相比，挥发分较少，密度较大，吸水性较小，含碳增加，氢和氧含量减少，具有粘结性。

无烟煤：含碳量高，密度大，吸水性小，挥发分极小，组织致密而坚硬，热值大，灰分少，含硫量低。

2、说明煤的化学组成。

答：C H O N S 灰分（A）、水分（W）5、说明煤炭灰分的定义，怎样确定煤炭灰分的熔点和酸度？煤炭灰分的酸度与灰分的熔点有什么关系？答：灰分（A）所谓灰分，指的是煤中所含的矿物杂质在燃烧过程中经过高温分解和氧化作用后生成一些固体残留物。

灰分的熔点：灰分是多种化合物构成的，因此没有固定的熔点。

它是指灰分在软化到一定程度的温度。

灰分的酸度：是指灰分中的酸性成分与碱性成分之比。

酸度越大，灰分熔点越高。

7、煤的化学组成有几种表示方法？答：应用基 C%+H%+O%+N%+S%+A%+W%=100%分析基 C%+H%+O%+N%+A%+W%=100%干燥基 C%+H%+O%+N%+S%+A%=100%可燃基 C%+H%+O%+N%+S%=100%煤的工业分析内容是测定水分，灰分，挥发分和固定碳的百分含量。

8、煤的发热量：1kg煤完全燃烧后所放出的燃烧热叫它的发热量。

单位kj/kg。

9、什么是煤的高发热量和低发热量？答：高发热量：指燃料完全燃烧后燃烧产物冷却到使其中的水蒸气凝结成0℃的水时所放出的热量。

低发热量：指燃料完全燃烧后燃烧产物中的水蒸气冷却到20℃时放出的热量。

煤的耐热性是指煤在加热时是否易于破碎而言。

12、什么是煤的粘粘性和结焦性？答：粘粘性指的是粉碎后的煤在隔绝空气的情况下加热到一定温度时，煤的颗粒互相粘结形成焦块的性质。

实验二 层流预混火焰传播速度的测定一、实验的理论基础许多工业设备都应用预混气燃烧作为热和能量的生成方式。

如火花点火发动机（汽油机），煤气炉内的燃烧，灾害性的火灾和爆炸都涉及到预混气的燃烧和火焰传播问题。

研究预混气燃烧的最重要参数是层流火焰传播速度。

火焰速度是预混气的基本特性，是研究火焰稳定性以及湍流预混气燃烧的基础。

层流火焰速度定义为给定可燃预混气的一维平面预混火焰在没有热损失时相对于未燃气的移动速度。

用S 0表示。

该定义给出的火焰速度是预混气的单一的固有特性，而与外界流动条件无关，在某些精心设计的实验设备，如相向流火焰设备上，采用激光多普勒速度仪，可以精确测定S 0。

普通的预混火焰设备很难完成满足上述定义中的所有条件。

如采用本生灯测定火焰速度，由于火焰面呈锥形，不是一维火焰，顶端和底部火焰有弯曲。

不可避免地有热损失。

因此测到的是被测点当地的火焰速度或称局部火焰速度，用S 表示。

S 除与可燃预混气的气/油比有关外，还受热损失，火焰拉伸等动力学因素影响。

用其它的实验方法，如平面火焰法，火焰推进法，肥皂泡法，球弹法和圆管法都是只能测定局部火焰速度。

层流火焰理论指出，预混火焰的稳定位置总是位于预混气在火焰面的法向速度分量与火焰速度（总与火焰面垂直）大小相等，方向相反的地方。

当这两个速度不相等时，火焰面就要移动，而扩散火焰总是驻定在燃料与氧化剂为化学计量值的位置上。

在这一位置，燃料与氧化剂混合最均匀，反应率最快。

偏离这一位置，不可能组织起燃烧，扩散火焰没有火焰传播速度的概念，这是预混火焰和扩散火焰最主要的区别之一。

二、实验原理实验采用本生灯测定（局部）火焰传播速度，实验设备与实验二相同。

设计良好的本生灯火焰呈锥形，除顶端和底部火焰弯曲外，中间有较长一段的平直火焰，假定预混气速度沿出口截面分布均匀，火焰前沿各处的气流法向速度相等，把驻定在管口的火焰面简化为正锥形，如图3-1所示。

预混气的速度为u 0，火焰面平直的上点P 的火焰速度为S 。

燃烧学实验报告学院专业学号学生姓名指导教师2017 年 01 月目录实验原理系统图、实验仪器仪表型号规格及燃料物理化学性质 (3)实验一Bensun火焰及Smithell法火焰分离 (6)实验二预混火焰稳定浓度界限测定 (8)实验三气体燃料的射流燃烧、火焰长度及火焰温度的测定 (11)实验四本生灯法层流火焰传播速度的测定 (15)燃烧喷管及石英玻璃管说明燃烧喷管共4根，分别标记为：I号长喷管—细的长喷管(喷口内径7.18mm)II号长喷管—粗的长喷管(相配的冷却器出口直径10.0mm)I号短喷管—细的短喷管(喷口内径5.10mm)II号短喷管—粗的短喷管(喷口内径7.32mm)石英玻璃套管共3个，分别标记为：I号玻璃管—最细的石英玻璃管(本生灯火焰内外锥分离用)II号玻璃管—中间直径的石英玻璃管(观察Burk-Schumann火焰现象及测定射流火焰长度用)III号玻璃管—最粗的石英玻璃管(测定射流火焰温度用)燃烧学实验注意事项1.实验台上的玻璃管须轻拿轻放，用完后横放在实验台里侧，以防坠落。

2.燃烧火焰的温度很高，切勿用手或身体接触火焰及有关器件。

3.燃烧完后的喷嘴口、水平石英管的温度仍很高，勿碰触，以防烫伤。

4.在更换燃烧管时，手应握在下端，尽量远离喷嘴口。

本生灯燃烧实验系统介绍一、本生灯燃烧实验系统本生灯燃烧实验系统如图1所示。

压缩空气（蓝色导管）通过减压阀门调节，进入浮子流量计调节测量。

甲烷（桔红导管）由气瓶开关、减压阀提供，接通单向电磁阀进入浮子流量计调节测量。

主控制面板上设计了一个主控单向电磁阀开关，只有当电源接通，开关按下时，燃料才能供应。

空气和燃气调节好当量比被分别输送进入一个混合管（混合管的功用是缓和气流的脉动，并使甲烷、压缩空气两股气体充分混合，以保证在本生灯管的进口处获得稳定、均匀的流动），该混合管连接一个内径为25mm的本生灯管，用于火焰结构演示实验、钝体火焰稳定实验。

根据火焰传播的余弦定理，已知管口直径，测量出火焰的高度，就能算出火焰锥角。

部分预混层流火焰结构的数值研究火焰结构是燃烧物理研究的重要方面之一，因为火焰结构的研究可以更好地理解火势的发展和控制燃烧反应的机理。

近年来，随着计算机性能的提高，数值模拟得到了广泛的应用，在火焰结构的数值模拟研究中取得了较大的进展。

本文以《部分预混层流火焰结构的数值研究》为题，结合预混层火焰计算，研究了部分预混火焰结构和发展的基本特征。

首先，本文介绍了数值模拟预混火焰的基本原理和计算方法。

预混火焰是一种特殊的火焰，其中燃烧物质在空气和氧气的混合物中燃烧，构成一个温度和比热比不均匀的混合层。

由于其中涉及的物理过程比较复杂，因此不能采用完全统一速度模型来描述，本文采用了数值模拟方法，通过求解Navier-Stokes方程、质量守恒方程和热力学方程，结合拉格朗日方法求解本模型。

其次，本文通过详细的数值模拟，研究了温度场和比热比场的分布特征。

首先，根据计算结果的分析，研究发现预混火焰有四个结构层，分别是冷空气层，炽热空气层，燃烧比热比最大的层，以及已燃烧空气层。

其次，在空气层中，烟火气体的温度和比热比均呈现出明显的原位变化特征，且温度和比热比有一定的相关性等特点。

最后，在部分预混火焰中，空气层温度和比热比的分布更加复杂，温度变化更加剧烈，而比热比此时变化幅度较小，且两者之间相关性较弱。

最后，本文通过模拟实验，研究了部分预混火焰的发展过程，并得出结论：部分预混火焰的发展分为三个阶段，分别是混合层热化阶段、混合层火焰支撑阶段和混合层温度稳定阶段，火焰发展过程中温度和比热比均有较大的变化。

本文对预混火焰结构和发展的基本特征进行了研究，以期为实际火势演变和热力学过程的研究提供参考。

然而，尽管本文的研究有助于理解火焰结构的变化特征，但是目前空气流场气流场的分析计算尚未被彻底解决，因此有必要在这方面进行更多的研究。

综上所述，本文以《部分预混层流火焰结构的数值研究》为标题，从预混火焰的基本原理出发，通过数值模拟研究了部分预混火焰结构和发展的基本特征。

预混火焰稳定浓度界限测定◆所属课程：《燃烧学》◆实验类别：热能动力类专业级一、目的：观察预混火焰的回火和吹脱等现象，测定预混火焰的稳定浓度界限。

二、原理火焰稳定性是气体燃料燃烧的重要特性，在不同的空气/燃料比时，火焰会出现冒烟、回火和吹脱现象。

本试验装置可以定量地测定燃料浓度对火焰传播稳定性的影响，从而绘制得到火焰稳定性曲线(回火线)。

三、试验设备与燃料试验设备：小型空压机、稳压筒，Bensun火焰试验系统，冷却水系统，II号长喷管，有机玻璃挡风罩，点火器。

燃料：液化石油气。

四、试验步骤1. 开启排风扇，保持室内通风，防止燃气泄漏造成对人员的危害。

2. 启动压缩空气泵，直至压气机停止工作，保证储气罐有足够的空气量。

3. 按试验原理系统图，检查并连接好各管路，装上II号长喷管及冷却器(出口直径10.0mm)，接通循环冷却水；罩上有机玻璃挡风罩，稍开冷却水阀，确保冷却器中有少量水流过。

4. 打开空气(进气)总阀，按要求设定预混空气定值器压力(定值器已预先调整好，勿需学生调整)。

开启液化石油气开关阀，使燃气管充满石油气，然后打开燃气(进气)总阀。

5. 缓慢打开预混空气调节阀，使空气流量指示在150L/h左右。

再打开燃气调节阀，使燃气流量指示在3.8L/h左右，用点火器在喷管出口点火。

6. 调节(增加)空气流量，使火焰内锥出现黄尖，记录火焰发烟时的燃气和空气参数。

再增加空气流量，使管口形成稳定的Bensun火焰，记录圆锥火焰的燃气和空气参数。

然后缓慢调小空气流量，待形成平面火焰时，记录燃气和空气参数。

管口形成平面火焰为回火的贫富燃料线界限。

缓慢增加空气流量，待火焰被吹脱时，记录燃气和空气参数。

上述各种现象时的燃气和空气压力及流量记录于表一中。

7. 在3.8~5.2L/h之间，再选2~4个不同燃气流量点，重复6.中的实验内容。

8. 关闭燃气和空气阀门，整理试验现场。

五、数据处理1. 根据理想气体状态方程式(等温)，将燃气和空气的测量流量换算成相同压力(如0.1MPa)下的流量值。

第33卷第2期2021年4月沈阳大学学报(自然科学版)Journal of Shenyang University(Natural Science)Vol.33,No.2Apr.2021文章编号:2095-5456(2021)02-0167-08氢气-乙醇预混燃气层流燃烧火焰结构不稳定性分析王筱蓉，严俊，陈家兴，李童(江苏科技大学机械工程学院,江苏镇江212003)摘要：将体积分数为90%的氢气和10%的乙醇组成的预混气体输送到定容燃烧弹中，在当量比0在0.5〜0.9范围改变时,利用高速摄像机和纹影系统对初始温度为400K、初始压力为105Pa下的预混燃气的燃烧状态进行捕捉，并分析其层流火焰不稳定性的变化规律.结果表明，点火后伴随球形火焰的扩展，四周火焰前锋面尤其是两边出现裂纹与凸起，随后裂纹线逐渐向中心延伸，最终充斥整个火焰前锋面.火焰传播过程中，火焰拉伸率逐渐降低，随当量比的增大，火焰前锋面凸起逐渐平缓•当量比的增加改变了预混气体的层流燃烧特性，影响了层流火焰拉伸率和扩散失稳参数的变化，特别是火焰结构胞化状态的改变尤为明显，提高了富氢燃料的火焰稳定性•关键词：氢气；层流燃烧；火焰结构；火焰胞化；不稳定性中图分类号：TK91文献标志码：八Analysis of Flame Structure Instability of Laminar Combustion of Hydrogen-Ethanol Premixed GasWANG Xiaorong,YAN Jun,CHEN Jiaxing,LI Tong(School of Mechanical Engineering,Jiangsu University Science and'Technology,Zhenjiang212003,China.)Abstract：The premixed gas composed of90%hydrogen and10%ethanol(X、=90%)was delivered to the constant,volume combustion bomb.When the equivalence ratio0=0.5〜0.9 changes,the high-speed camera and schlieren system were used to capture the combustion state of the premixed gas at an initial temperature of400K and an initial pressure of0.1MPa,and the change law of its laminar flame instability was analyzed.The results showthat,with the expansion of the spherical flame after ignition,cracks and bulges appear on the surrounding flame front.,especially on both sides,and then the crack line gradually extends to the c enter,eventually filling the entire flame front.During the flame propagation process,the flame stretch rate gradually decreases,and with the increase of the equivalence ratio,the flame front,bulge gradually becomes gentle.The increase in the equivalence ratio changes the laminar combustion characteristics of the premixed gas,and affects the changes in the laminar flame stretch rate and diffusion instability parameters,especially the changes in the cellular state of the flame structure,which improves the flame stability of hydrogen­rich fuel.Key words：hydrogen；laminar combustion；flame structure;flame cellization；instability随着日益严格的环境保护政策和国家可持续发展战略的出台，可再生、低排放能源发展已成为当前能源研究的主题和重点氢气燃烧的化学产物只有水，没有二氧化碳、硫化物等污染物[2],是世界上最清洁的能源.目前氢气制备有生物制氢和水解制氢等多种方法，这些方法可以控制氢气生产的成收稿日期：20201207基金项目：江苏省研究生创新基金资助项目(SJCX20_1451).作者简介：王筱蓉(983)，女，江苏镇江人，教授，博士.168沈阳大学学报（自然科学版）第33卷本］］但氢气的爆炸极限较低，燃烧过程不稳定，从而限制了其作为燃料的发展•因此，为确保氢气在燃 烧过程中的稳定性，常用的解决方案是添加其他低热值能源降低氢气的爆炸极限⑷•在标准层流燃烧火焰中，火焰表面是稳定的，但具有高比例氢气的预混燃料的层流燃烧过程会产生 不稳定变化，这是火焰从层流燃烧转变为湍流燃烧的重要过程［］•对这一过程中不稳定火焰的形态和 产生因素的分析是预测未来火焰形态发展的前提，也为提高燃烧效率和稳定性提供了依据• 1986年, Yu 等囚在甲烷、乙烷等低热值碳氢燃气中添加少量氢气，利用对冲滞止火焰法对预混燃气的层流燃烧 特性进行研究，测量了一部分预混燃气的层流燃烧速度，结果表明，氢气的加入促进了低热值燃料的燃 烧.张勇等［•利用定容燃烧弹对甲烷-氢气预混燃气的层流燃烧速度进行测定，并研究了不同点火能量 对燃气火焰传播的影响，同时通过测定不同预混比例燃气的马克斯坦长度，分析了氢气对火焰稳定性的 影响.Liu 等⑻对甲烷-氢气预混燃气在层流燃烧过程中的燃烧损失进行了测定，结果表明，伴随当量比 的增加和火焰厚度的减小,专热效率会有所降低，进而使火焰热损失增大• Tang 等⑼对丙烷-氢气预混 燃气的燃烧过程进行了实验，从氢体积分数小于60%开始，燃料马克斯坦长度会随着当量比的减小而 减少，表明火焰越不稳定丄ewis 数会随着氢比例的提高而减小，燃烧过程中的扩散不稳定性逐渐增大. 张欣等［0•对低热值气体掺混氢气火焰稳定性进行了研究，结果表明，火焰燃烧中会出现胞化火焰、局部 熄灭和再燃3种形态，氢气体积分数的提高会使胞化火焰出现时间提前以及胞化火焰幅值提高，燃料燃 烧进程中CO 2浓度的提高会使火焰不稳定状态受到抑制•以上结果均表明，氢气的体积分数对于火焰 稳定性有很大影响•本实验通过利用少量乙醇与氢气预混燃气燃烧来降低燃料的热值•对充分混合后的预混燃气进行 了层流燃烧实验，对层流燃烧过程火焰结构变化和参数变化进行了定性和定量测定，分析了影响氢气- 乙醇预混燃气火焰不稳定性的因素•1实验设备本次实验采用的是球形火焰法［1］，实验设备示意图见图1.实验利用电极在恒定体积的燃烧弹中点 燃混合气体，并通过高速相机拍摄球形火焰，以获取火焰膨胀的图像.实验设备由以下模块组成:定容燃 烧弹、点火系统、数据采集系统以及气体供应与排放系统•定容燃烧弹内通过PID 控制器控制弹体内壁 上加热电阻进行加热，温度显示器显示弹体内部温度；压力表实时监测弹体内的压强变化； 压力图1设备示意图Fig. 1 Schematic diagram of the experimental device流量控制阀排气口电流探头压力传感器1A0卩。

层流预混火焰浓度稳定界限的测定实验成员：徐俊卿 郑仁春 韩超一、实验的理论基础现代工业要求尽可能高效地利用燃料，这就要求在稳定燃烧条件下，使燃料与空气以适当的比例混合燃烧。

因此对燃料燃烧特性及流体力学和热力学方面需要有详细了解。

预混可燃气燃烧时，如果预混气体的速度在火焰锋面上的法向分量大于火焰传播速度，火焰将向下游移动，最后完全熄灭，称为吹脱或吹熄。

反之，如果预混气的法向速度小于火焰传播速度，火焰将逆流向上游移动，进入燃烧器内部，即出现回火现象。

在燃烧过程中，出现回火和熄灭都是不允许的。

回火会引起爆炸。

熄灭使动力机械停止工作，并向周围扩散有毒气体，有中毒和爆炸的危险。

回火现象只能出现在预混燃烧过程中。

在扩散燃烧中，燃料和空气是分别送入燃烧室的，在燃烧器内两者并不接触，因此没有回火现象。

熄灭或吹脱现象在预混燃烧和扩散燃煤气 甲烷（l/min ） 图1-1 甲烷/空气 煤气/空气 稳定曲线要维持正常的稳定燃烧，就需要避免出现回火或熄灭现象，因而要求知道燃料的稳定燃烧范围。

这一稳定界限与燃料/空气比和环境的温度和压力有关。

图1—1是甲烷/空气煤气/空气在常温常压下预混燃烧的火焰稳定范围。

图中下部是富油燃烧区，稳定范围宽，不易回火和吹脱。

但火眼呈黄色，发光。

下面一根曲线为火焰尖顶出现黄色的界限。

图中上方为火焰吹脱熄灭界限。

当预混气处于该曲线上方时，火焰被吹脱。

左边回火界限呈斜山立形，预混气的状态处于山丘内时出现回火现象。

回火界限与预混气的空气气/燃气比有关。

当空气/燃气比接近化学计量值时，火焰传播速度快，稳定范围小，容易出现回火。

但这时燃烧效率最高。

二、实验原理本实验用一套预混火焰装置（本生灯）进行实验，既可以定性观察预混火焰的各种现象，又可以定量地测定火焰浓度稳定的界限，火焰传播速度等各种燃烧特性。

～220V图1-2实验系统图示意图图1—2为实验装置系统图，小型压气机供给压缩空气，通过一个稳压减压阀保持气压稳定。