气体燃料缸内预混燃烧火焰稳定性的基础研究项目摘要

本项目采用理论分析、数值模拟和实验研究等方法开展气体燃料缸内预混火焰稳定性的基础研究工作。通过建立气体燃料缸内预混湍流火焰分析模型，分析着火过程点火区域附近的湍流特征参数对初期火焰形成与发展的稳定性影响，研究火焰传播过程中缸内湍流的涡团结构分布对火焰面的作用，开展甲烷及掺混非烃气体成分的混合燃气在缸内预混燃烧的基础研究，通过实验分析获得不同初始条件下的火焰稳定性表征参量和火焰面结构，建立气体燃料预混火焰内在不稳定性分析模型，联合实验和数值计算揭示热膨胀、能量优先扩散、浮力等火焰内在不稳定影响因素以及湍流扰动对气体燃料着火初期火焰形态及结构的内在联系。在此基础上阐明氢组分对变组分气体燃料预混燃烧火焰稳定性的影响规律。本研究对深入认识内燃机缸内火焰燃烧特性和稳定性规律具有重要的学术意义。

本项目采用理论分析、数值模拟和实验研究等方法开展气体燃料缸内预混火焰稳定性的基础研究工作。通过建立气体燃料稳定性的理论分析模型，获得了不同Lewis数、活化温度和膨胀比下的色散关系，得到了临界波数和不稳定性波数随不同初始参数的变化规律，提出了描述气体燃料层流预混火焰不稳定性的修正色散关系表达式。耦合详细化学反应机理和无发射边界条件，建立了低热值气体燃料掺氢平面层流火焰的直接数值模拟模型，通过模拟分析获得了不同稳定性作用下火焰的动力学形态变化及产生机理，研究了燃料中非烃组分和氢组分对火焰面演变形态、组分分布的影响，并研究了流体动力学不稳定性和热-质扩散不稳定性作用下火焰的传播速度与位移速度的变化。开发了高温高压定容燃烧弹测试系统，基于该测试系统开展了不同燃空当量比、初始压力和初始温度、非烃气体组分比例和掺氢比下低热值气体燃料掺氢燃烧时层流燃烧速度和火焰稳定性的试验研究，分析了不同初始条件下火焰的传播特性，不稳定性机理占主导作用时胞状火焰的结构特点，并研究了不稳定火焰的自加速特性。建立了低热值气体燃料掺氢发动机缸内湍流预混火焰分析模型，开展了着火阶段点火区域附近的湍流特征参数对初期火焰形成与发展的稳定性影响，获得了不同发动机转速和点火时刻下缸内全局与点火位置局部流场参数的变动规律，研究了缸内初始火核形成过程中火核半径等参数的变化历程，开展了火焰传播过程中缸内湍流的涡团结构分布特性的研究，阐明了低热值气体燃料掺氢发动机缸内湍流-火焰相互作用的主要机理,并研究了低热值气体掺氢混合燃气的组分分配比对火焰面结构的影响。 2100433B

1、燃烧器可分为：预混烧嘴，内混烧嘴和部分预混烧嘴

2、预混系统的作用：在烧嘴和点火点之前完成一次空气和气体燃料的混合。

也就是说，空气和燃气在进入烧嘴之前已经混合成为可燃气体。

3、预混合气的流量应考虑以下因素：

a.可燃性气体与空气混合物的着火极限

b.火焰传播速度

c.混合压力

d.调节比

4、保证完全预混式燃烧的条件：

燃气和空气在着火前预先按照化学当量比混合均匀设置专门的火道，使燃烧区内保持稳定的高温在以上条件下，燃气-空气混合物到达燃烧区后能在瞬间燃烧完毕。火焰很短，甚至看不到，所以又称为无焰燃烧。

5、预混系统的优点：

形成短火焰，火焰温度高，延展性好，使用集中的预混合系统可简化燃烧系统的管路。

6、预混系统的缺点：

存在回火的可能性，调节比有限，空气/燃料比受限，难于应用在燃油烧嘴上。2100433B

预混可燃气体的燃烧是典型的预混燃烧。预混可燃气体由着火开始进一步发展，使化学反应加剧，并出现火焰，该火焰首先发生在局部，然后向其余未燃气体中传播，直到燃烧结束，其传播速度称为火焰传播速度，也称为预混可燃气体的燃烧速度。因此，预混可燃气体的燃烧火焰处于运动传播之中，只有满足一定条件时，火焰才处于稳定平衡状态(动态平衡)。当流动达到湍流时，燃烧火焰表现的特点与层流火焰不同，其火焰锋不再平滑有序，属于湍流预混火焰。

由于燃料和空气未预混，故允许将两者预热至较高的温度 (不受着火温度限制)，以便充分利用废气余热，并可 使低发热量燃料也能达到较高的燃烧温度。

非预混燃烧具有稳定燃烧范围(指燃料空气比的变化范围) 宽和不会产生回火等优点，因此在燃烧设备中常采用非预混燃烧。

非预混燃烧具有以下两个特点：(1)由于是边混合边燃烧，故燃烧火焰长度较长；(2)在空气供应不足或与燃 料混合欠佳时，一些尚未进入火焰前锋的燃料因受热会分解产生碳粒和难于燃烧的重质碳氢化合物，这将造成不完全燃烧。此外，常把气体燃料的非预混燃烧称作“有焰燃烧”。

而预混燃烧在充满预混合气的燃烧设备内，通常是在某一局部区域首先着火，接着形成一层相当薄的高温燃烧区，靠它帮助使邻近的预混合气引燃，逐渐把燃烧扩展到整个混合气范围。这层高温燃烧区如同一个分界面，把燃烧完的已燃气体（燃烧产物）和尚未进行燃烧的未燃混合气分隔开来。在它的前方是未燃的混合气，而在它的后方是已燃的燃烧产物。随时间推移，火焰面在预混合气中不断向前扩展，呈现出火焰传播的现象

在着火以后随着温度增加，燃烧速率猛烈增加，并大大超过了可燃混合气的形成速率。此后，由于滞燃期内形成的可燃混合气耗尽，燃烧速率迅速下降，形成一个锐峰，不易辨认其与后继燃烧阶段的分界。