本文關(guān)鍵詞：合成氣預(yù)混層流燃燒特性的研究

  更多相關(guān)文章： 合成氣 層流燃燒速度 火焰不穩(wěn)定性 化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)

【摘要】：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(yīng)用前景,可廣泛應(yīng)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(fù)雜,其基礎(chǔ)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(chǔ)燃燒特性,對建立健全合成氣預(yù)混燃燒數(shù)理模型,提供仿真計(jì)算的基礎(chǔ)燃燒數(shù)據(jù)有重要意義,同時還能指導(dǎo)燃燒設(shè)備的設(shè)計(jì),具有重要的理論意義和實(shí)用價值。首先建立了定容燃燒彈實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由定容燃燒彈、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)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(xué)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有良好的準(zhǔn)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(dāng)H2比例小于50%時,火焰的拉伸行為是由氫氣和一氧化碳共同主導(dǎo)；當(dāng)H2比例大于50%時,火焰的拉伸行為由H2所主導(dǎo)。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(kuò)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(dǎo)因素。通過Chemkin軟件研究了基元反應(yīng)對H2比例增大導(dǎo)致層流燃燒速度非線性升高的影響機(jī)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(guān)系,發(fā)現(xiàn)層流燃燒速度和(H+OH)濃度最大值之間有很好的線性關(guān)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(C02、N2)稀釋下層流燃燒速度,針對本實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了N2和C02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(shí)驗(yàn)結(jié)果之間有很好的一致性。通過Chemkin軟件分析了N2和C02兩種氣體稀釋下對H2/CO混合氣層流燃燒速度差別的作用機(jī)制,明確了熱效應(yīng)、輸運(yùn)效應(yīng)、化學(xué)動力學(xué)效應(yīng)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(yīng)和化學(xué)動力學(xué)效應(yīng)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(yīng)影響權(quán)重大于化學(xué)動力學(xué)效應(yīng)的影響權(quán)重；直接化學(xué)反應(yīng)的影響權(quán)重遠(yuǎn)大于三體反應(yīng)的影響權(quán)重；輸運(yùn)效應(yīng)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(yīng)反應(yīng)速率分析,明確了重要基元反應(yīng)對三組元燃料層流燃燒速度復(fù)雜變化的影響機(jī)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��；H2比例固定時,基元反應(yīng)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(guān)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(guān)系；加入H2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(guān)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(yù)混火焰?zhèn)鞑ミ^程中的熱質(zhì)擴(kuò)散不穩(wěn)定性、流體力學(xué)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(dāng)量比對火焰胞狀不穩(wěn)定現(xiàn)象的影響,發(fā)現(xiàn)了當(dāng)量比變化導(dǎo)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(dāng)量比的升高會抑制火焰的胞狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生,H2比例較低時,當(dāng)量比的升高會加強(qiáng)火焰的胞狀不穩(wěn)定現(xiàn)象；明確了稀釋氣體(N2、CO2)稀釋對火焰胞狀不穩(wěn)定現(xiàn)象的作用規(guī)律和H2比例有直接關(guān)系,H2比例較低時,稀釋氣體的稀釋會減弱火焰的胞狀不穩(wěn)定現(xiàn)象,H2比例較高時,稀釋氣體的稀釋會加強(qiáng)火焰的胞狀不穩(wěn)定現(xiàn)象。明確了流體力學(xué)不穩(wěn)定以及熱質(zhì)擴(kuò)散不穩(wěn)定性對火焰胞狀不穩(wěn)定現(xiàn)象的影響機(jī)制,發(fā)現(xiàn)了浮力不穩(wěn)定性對火焰胞狀結(jié)構(gòu)的作用。
【關(guān)鍵詞】：合成氣 層流燃燒速度 火焰不穩(wěn)定性 化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TK16
【目錄】：

• 致謝5-6
• 中文摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 1. 引言14-36
• 1.1 研究背景及意義14-15
• 1.2 合成氣預(yù)混層流燃燒速度的研究現(xiàn)狀15-28
• 1.2.1 層流燃燒速度研究的意義及方法15-17
• 1.2.2 氫氣/一氧化碳/空氣層流燃燒速度的研究現(xiàn)狀17-22
• 1.2.3 稀釋氣體對氫氣/一氧化碳/空氣層流燃燒速度影響的研究現(xiàn)狀22-27
• 1.2.4 氫氣/一氧化碳/甲烷/空氣混合氣層流燃燒速度的研究現(xiàn)狀27-28
• 1.3 合成氣預(yù)混火焰固有不穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀28-33
• 1.3.1 預(yù)混層流火焰的三種固有不穩(wěn)定性28-31
• 1.3.2 合成氣預(yù)混層流火焰固有不穩(wěn)定性的研究現(xiàn)狀31-33
• 1.4 當(dāng)前合成氣層流燃燒特性研究中存在的不足33-34
• 1.5 本文的主要研究內(nèi)容34-36
• 2. 定容燃燒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證36-46
• 2.1 定容燃燒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立36-41
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體構(gòu)成36-38
• 2.1.2 預(yù)混氣配氣系統(tǒng)38-39
• 2.1.3 點(diǎn)火系統(tǒng)39-40
• 2.1.4 紋影及高速攝影系統(tǒng)40-41
• 2.1.5 數(shù)據(jù)采集及同步控制系統(tǒng)41
• 2.2 數(shù)據(jù)處理方法41-43
• 2.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的驗(yàn)證43-44
• 2.4 本章小結(jié)44-46
• 3. 氫氣/一氧化碳/空氣混合氣層流燃燒速度的影響機(jī)制研究46-66
• 3.1 火焰拉伸作用對氫氣/一氧化碳/空氣火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響46-50
• 3.1.1 火焰拉伸作用對氫氣/一氧化碳/空氣拉伸火焰速度的影響46-50
• 3.1.2 氫氣比例對氫氣/一氧化碳/空氣預(yù)混火焰馬克斯坦長度的影響50
• 3.2 氫氣/一氧化碳/空氣混合氣預(yù)混層流燃燒速度50-55
• 3.2.1 氫氣比例對氫氣/一氧化碳/空氣混合氣層流燃燒速度的影響50-54
• 3.2.2 初始壓力對氫氣/一氧化碳/空氣混合氣層流燃燒速度的影響54-55
• 3.3 氫氣/一氧化碳/空氣混合氣燃燒化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)分析55-64
• 3.3.1 不同氫氣比例下氫氣/一氧化碳/空氣燃燒化學(xué)反應(yīng)敏感性分析55-56
• 3.3.2 不同氫氣比例下氫氣/一氧化碳/空氣燃燒基元反應(yīng)速率分析56-62
• 3.3.3 氫氣/一氧化碳/空氣混合氣層流燃燒速度和自由基濃度相關(guān)性研究62-64
• 3.4 本章小結(jié)64-66
• 4. 稀釋氣體對氫氣/一氧化碳/空氣混合氣層流燃燒速度的影響機(jī)制研究66-98
• 4.1 稀釋氣體對氫氣/一氧化碳/空氣混合氣層流燃燒速度的影響66-80
• 4.1.1 氮?dú)獾南♂寣錃?一氧化碳/空氣混合氣層流燃燒速度的影響66-72
• 4.1.2 二氧化碳的稀釋對氫氣/一氧化碳/空氣混合氣層流燃燒速度的影響72-79
• 4.1.3 不同稀釋氣體對氫氣/一氧化碳/空氣層流燃燒速度影響對比分析79-80
• 4.2 稀釋氣體對氫氣/一氧化碳/空氣混合氣絕熱火焰溫度及熱擴(kuò)散系數(shù)的影響80-87
• 4.2.1 氫氣/一氧化碳/空氣/氮?dú)饣旌蠚獾慕^熱火焰溫度及熱擴(kuò)散系數(shù)81-83
• 4.2.2 氫氣/一氧化碳/空氣/二氧化碳混合氣絕熱火焰溫度及熱擴(kuò)散系數(shù)83-87
• 4.3 稀釋氣體的熱效應(yīng)、化學(xué)動力學(xué)及擴(kuò)散效應(yīng)對層流燃燒速度的影響87-95
• 4.3.1 氫氣/一氧化碳/空氣/二氧化碳混合氣燃燒化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)分析87-91
• 4.3.2 氮?dú)夂投趸枷♂屜氯N效應(yīng)對層流燃燒速度差別影響權(quán)重分析91-95
• 4.4 本章小結(jié)95-98
• 5. 氫氣/一氧化碳/甲烷/空氣燃料組分比例變動對層流燃燒速度影響研究98-118
• 5.1 組分比例對氫氣/一氧化碳/甲烷/空氣層流燃燒速度的影響98-104
• 5.1.1 氫氣/一氧化碳/甲烷中兩組分比例同時增大對層流燃燒速度影響98-100
• 5.1.2 氫氣比例為定值時甲烷比例的增大對層流燃燒速度的影響100-101
• 5.1.3 一氧化碳比例為定值時氫氣比例的增大對層流燃燒速度的影響101-102
• 5.1.4 甲烷比例為定值時氫氣比例的增大對層流燃燒速度的影響102-104
• 5.2 氫氣/一氧化碳/甲烷/空氣燃燒化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)分析104-115
• 5.2.1 氫氣/一氧化碳/甲烷/空氣燃燒化學(xué)反應(yīng)敏感性分析104-106
• 5.2.2 氫氣/一氧化碳/甲烷/空氣燃燒基元反應(yīng)速率分析106-112
• 5.2.3 氫氣/一氧化碳/甲烷/空氣混合氣層流燃燒速度和自由基濃度相關(guān)性研究112-115
• 5.3 本章小結(jié)115-118
• 6. 合成氣預(yù)混層流火焰固有不穩(wěn)定性的研究118-138
• 6.1 氫氣/一氧化碳/空氣火焰流體力學(xué)不穩(wěn)定性及熱質(zhì)擴(kuò)散不穩(wěn)定性的研究118-128
• 6.1.1 流體力學(xué)不穩(wěn)定性和熱質(zhì)擴(kuò)散不穩(wěn)定性表征參數(shù)118-120
• 6.1.2 初始壓力對氫氣/一氧化碳/空氣預(yù)混火焰不穩(wěn)定性的影響120-123
• 6.1.3 氫氣比例對氫氣/一氧化碳/空氣預(yù)混火焰不穩(wěn)定性的影響123-125
• 6.1.4 當(dāng)量比對氫氣/一氧化碳/空氣預(yù)混火焰不穩(wěn)定性的影響125-128
• 6.2 稀釋氣對氫氣/一氧化碳/空氣火焰流體力學(xué)不穩(wěn)定性及熱質(zhì)擴(kuò)散不穩(wěn)定性的影響128-133
• 6.2.1 稀釋氣比例對氫氣/一氧化碳/空氣預(yù)混火焰不穩(wěn)定性的影響128-131
• 6.2.2 當(dāng)量比對稀釋氣稀釋下的氫氣/一氧化碳/空氣預(yù)混火焰不穩(wěn)定性的影響131-133
• 6.3 火焰浮力不穩(wěn)定性對火焰胞狀結(jié)構(gòu)的作用133-135
• 6.4 本章小結(jié)135-138
• 7. 總結(jié)與展望138-146
• 7.1 論文主要工作及結(jié)論138-143
• 7.2 主要創(chuàng)新點(diǎn)143-144
• 7.3 后續(xù)研究展望144-146
• 參考文獻(xiàn)146-156
• 附錄156-162
• 作者簡歷162-166
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集166

，

本文編號：1027749