实验一 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。

实验一 层流预混火焰浓度稳定界限的测定一、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烧中均有可能出现。

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，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。

流量由浮子流量计读数。

燃料可用丁烷气、城市煤气或石油液化气等。

由浮子流量计控制燃料流量。

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 。

乙醇-空气预混层流火焰特性的试验研究廖世勇;井明科;程前;黄佐华;蒋德明【期刊名称】《内燃机学报》【年(卷),期】2007(025)005【摘要】利用纹影高速摄像技术,在定容燃烧弹内试验研究了温度为358～500 K,当量比从0.7到1.4的乙醇-空气预混层流火焰的传播特性.通过研究乙醇-空气火焰传播速度与层流火焰拉伸的关系,获得了乙醇-空气火焰无拉伸层流燃烧速度.结合先前研究结论,总结得出了乙醇-空气层流火焰无拉伸层流燃烧速度的经验公式.通过计算乙醇-空气层流火焰质量燃烧速率,确定了乙醇-空气层流火焰的全局活化温度以及Zeldovich数随混合气当量比的变化关系,并由此提出了乙醇-空气层流火焰燃烧速度的的替代拟合公式.通过比较,发现本研究结论与以前结果很吻合.【总页数】6页(P469-474)【作者】廖世勇;井明科;程前;黄佐华;蒋德明【作者单位】重庆通信学院,电力工程系,重庆,400035;重庆通信学院,电力工程系,重庆,400035;重庆通信学院,电力工程系,重庆,400035;西安交通大学,汽车工程系,陕西,西安,710049;西安交通大学,汽车工程系,陕西,西安,710049【正文语种】中文【中图分类】TK401【相关文献】1.含水乙醇-空气预混层流燃烧特性的试验 [J], 张尊华;李格升;沈宇;李龙欢;杨锐;高孝洪2.苯-空气低压预混层流火焰燃烧特性研究 [J], 倪培永;王向丽3.苯-空气低压预混层流火焰燃烧特性研究 [J], 倪培永;王向丽;4.煤层气-空气预混层流火焰特性试验 [J], 郑斌;刘永启;李萍;刘瑞祥;高振强5.氢气-乙醇预混燃气层流燃烧火焰结构不稳定性分析 [J], 王筱蓉;严俊;陈家兴;李童因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。