甲烷在高溫氧化劑中燃燒特性研究.pdf

1、采用當(dāng)前燃燒領(lǐng)域較完善的研究手段，對(duì)甲烷(CH4)在高溫氧化劑中著火、拉伸熄滅及燃燒特性進(jìn)行了研究。
　　采用確定溫度邊界微型反應(yīng)器，對(duì)CH4/air和CH4/O2/CO2(XO2/XCO2=0.62)混合物的著火和燃燒特性進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明來(lái)流速度較高和較低條件下混合物在微型反應(yīng)器內(nèi)存在兩種穩(wěn)態(tài)的火焰響應(yīng)，常態(tài)火焰(normal flame)和弱火焰（weak flame），來(lái)流速度在中間區(qū)域時(shí)對(duì)應(yīng)一種動(dòng)態(tài)火焰，即快速著火熄

2、滅火焰(FREI，flame with repetitive extinction and ignition)。研究表明隨著來(lái)流速度的降低常態(tài)火焰向上游區(qū)域遷移，弱火焰的位置受來(lái)流速度影響不大。CH4/air和CH4/O2/CO2（XO2/XCO2=0.62）混合物弱火焰對(duì)應(yīng)著火溫度非常接近。采用一維穩(wěn)態(tài)計(jì)算程序和詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，對(duì)確定溫度邊界微型反應(yīng)器內(nèi)火焰燃燒和著火特性進(jìn)行了計(jì)算，得到兩種穩(wěn)態(tài)火焰，常態(tài)火焰和弱火焰的數(shù)值解。數(shù)值計(jì)

3、算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。分析了CH4在常態(tài)火焰和弱火焰中的反應(yīng)過(guò)程，并對(duì)CO2和N2對(duì)常態(tài)火焰和弱火焰內(nèi)CH4反應(yīng)過(guò)程的影響進(jìn)行了詳細(xì)的討論。
　　利用對(duì)沖火焰結(jié)構(gòu)研究了氧化劑溫度對(duì)非預(yù)混對(duì)沖火焰拉伸熄滅極限的影響。研究了燃料混合物為常溫(300K)的CH4/N2與air(O2/N2)對(duì)沖火焰和CH4/CO2與O2/CO2對(duì)沖火焰，其中CH4/CO2與O2/CO2對(duì)沖火焰氧化劑中氧摩爾分?jǐn)?shù)采用0.40和0.35。得到不同氧化劑溫

4、度條件下(300K，700K，1000K)不同火焰的熄滅特性。分別采用光學(xué)薄模型(OTM，optical thin model)和絕熱模型(ADI，adiabatic)討論了輻射散熱對(duì)拉伸熄滅極限的影響，研究結(jié)果表明燃料濃度較高時(shí)輻射散熱對(duì)兩種對(duì)沖火焰拉伸熄滅極限的影響不大。氧化劑溫度為常溫時(shí)(300K)，氧化劑中氧摩爾分?jǐn)?shù)為0.35的CH4/CO2與O2/CO2對(duì)沖火焰的熄滅曲線靠近CH4/N2與air(O2/N2)對(duì)沖火焰的熄滅曲線

5、。而當(dāng)氧化劑溫度較高時(shí)(1000K)，CH4/N2與air(O2/N2)對(duì)沖火焰的熄滅曲線靠近氧化劑中氧摩爾分?jǐn)?shù)為0.40的CH4/CO2與O2/CO2對(duì)沖火焰的熄滅曲線。對(duì)影響拉伸熄滅的參數(shù)進(jìn)行了理論研究，分析表明拉伸熄滅極限主要由焓流密度和動(dòng)力學(xué)特性兩個(gè)影響因素決定。通過(guò)對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果中化學(xué)鏈起始反應(yīng)和主要吸放熱反應(yīng)的分析，得到了影響熄滅極限的關(guān)鍵基元為OH，結(jié)合理論研究定量的比較了OH生成速率對(duì)拉伸熄滅極限的影響。提出估算拉伸熄滅

6、極限的方法，對(duì)拉伸熄滅曲線隨氧化劑溫度的變化進(jìn)行了合理的解釋。
　　對(duì)高溫助燃空氣旋流和平行射流兩種流動(dòng)模式下CH4射流火焰燃燒特性進(jìn)行了比較。研究表明兩種高溫空氣流動(dòng)模式下射流火焰燃燒特性截然不同，采用高溫空氣旋流可以穩(wěn)定射流火焰，并有效的降低NO生成。在此基礎(chǔ)上研究了燃燒室外采用空氣對(duì)流換熱和水對(duì)流換熱條件下甲烷在旋流高溫空氣中燃燒特性。研究表明當(dāng)燃燒室外采用空氣對(duì)流換熱條件時(shí)，隨著助燃空氣溫度增加，燃燒室氣體溫度升高，壁面平