合成氣預混層流燃燒特性的研究.pdf

1、合成氣作為一種氣體燃料，可以從多種物質(zhì)中氣化獲得，在不可再生能源日益枯竭的今天，合成氣具有廣闊的應用前景，可廣泛應用于各種動力裝置中。合成氣的主要成分是H2、CO、CH4、N2、CO2，因合成氣來源廣泛，其各組分組成比例變動較大。由于合成氣成分復雜，其基礎燃燒特性隨氣體組成比例的不同會有較大變動。針對合成氣，需要系統(tǒng)的研究其在不同的氣體組成下的基礎燃燒特性，對建立健全合成氣預混燃燒數(shù)理模型，提供仿真計算的基礎燃燒數(shù)據(jù)有重要意義，同時還能

2、指導燃燒設備的設計，具有重要的理論意義和實用價值。
　　首先建立了定容燃燒彈實驗系統(tǒng)。實驗系統(tǒng)由定容燃燒彈、配氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、紋影及高速攝影系統(tǒng)、數(shù)據(jù)控制及采集系統(tǒng)六部分組成。對比了本研究和其他學者所得到的層流燃燒速度，結(jié)果具有很好的一致性，說明本實驗系統(tǒng)有良好的準確性。
　　在定容燃燒彈上利用高速紋影攝影系統(tǒng)，研究了H2/CO混合氣在不同H2比例下火焰的馬克斯坦長度和層流燃燒速度，發(fā)現(xiàn)當H2比例小于50％時，火焰的拉伸行

3、為是由氫氣和一氧化碳共同主導;當H2比例大于50％時，火焰的拉伸行為由H2所主導。發(fā)現(xiàn)了隨著H2比例增大，層流燃燒速度呈現(xiàn)出先迅速增大后緩慢增大的現(xiàn)象。通過Gaseq軟件分析了H2/CO混合氣絕熱火焰溫度和熱擴散系數(shù)，明確了絕熱火焰溫度不是層流燃燒速度隨著H2比例升高而增大的主導因素。通過Chemkin軟件研究了基元反應對H2比例增大導致層流燃燒速度非線性升高的影響機制。明確了H2/CO混合氣層流燃燒速度和活性自由基之間的關系，發(fā)現(xiàn)層流

4、燃燒速度和(H+OH)濃度最大值之間有很好的線性關系。
　　在定容燃燒彈上利用高速紋影攝影系統(tǒng)研究了H2/CO混合氣在稀釋氣體稀釋下的燃燒特性，得到了H2/CO混合氣在稀釋氣體(CO2、N2)稀釋下層流燃燒速度，針對本實驗結(jié)果提出了N2和CO2稀釋下H2/CO混合氣層流燃燒速度的擬合公式，結(jié)果表明擬合公式和實驗結(jié)果之間有很好的一致性。通過Chemkin軟件分析了N2和CO2兩種氣體稀釋下對H2/CO混合氣層流燃燒速度差別的作用機制

5、，明確了熱效應、輸運效應、化學動力學效應對N2和CO2稀釋下的層流燃燒速度之間差別的影響權(quán)重。結(jié)果表明熱效應和化學動力學效應是造成兩種不同惰性氣體稀釋下層流燃燒速度有較大差別的決定性因素，其中熱效應影響權(quán)重大于化學動力學效應的影響權(quán)重;直接化學反應的影響權(quán)重遠大于三體反應的影響權(quán)重;輸運效應的影響很小。
　　在定容燃燒彈上利用高速紋影攝影系統(tǒng)，并結(jié)合Chemkin軟件研究了H2/CO/CH4三組元燃料中燃料組分變動對層流燃燒速度的

6、影響，探討了燃料組成對層流燃燒速度的影響規(guī)律，開展了敏感性分析和基元反應反應速率分析，明確了重要基元反應對三組元燃料層流燃燒速度復雜變化的影響機制，H2比例變化主要影響活性自由基的濃度，對絕熱火焰溫度影響較小;H2比例固定時，基元反應OH+CO=H+CO2對層流燃燒速度的作用隨著CO比例增大更加明顯。研究了H2/CO/CH4燃料層流燃燒速度與活性自由基濃度間的相關性，CO/CH4混合氣層流燃燒速度只與H自由基濃度峰值存在線性關系;加入H

7、2后，H2/CO/CH4混合氣層流燃燒速度與H自由基和H+OH自由基濃度的峰值均呈現(xiàn)出線性關系
　　最后在定容燃燒彈上利用高速紋影攝影系統(tǒng)研究了合成氣預混火焰?zhèn)鞑ミ^程中的熱質(zhì)擴散不穩(wěn)定性、流體力學不穩(wěn)定性以及浮力不穩(wěn)定性三種火焰固有不穩(wěn)定性，探索了初始壓力、H2比例以及當量比對火焰胞狀不穩(wěn)定現(xiàn)象的影響，發(fā)現(xiàn)了當量比變化導致的H2/CO火焰的胞狀不穩(wěn)定現(xiàn)象會隨H2比例的不同呈現(xiàn)出不同規(guī)律，H2比例較高時，當量比的升高會抑制火焰的胞狀