甲烷在高溫氧化劑中燃燒特性研究.pdf

1、采用當前燃燒領(lǐng)域較完善的研究手段，對甲烷(CH4)在高溫氧化劑中著火、拉伸熄滅及燃燒特性進行了研究。
　　采用確定溫度邊界微型反應(yīng)器，對CH4/air和CH4/O2/CO2(XO2/XCO2=0.62)混合物的著火和燃燒特性進行研究。實驗結(jié)果表明來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），來流速度在中間區(qū)域時對應(yīng)一種動態(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，弱火焰的位置受來流速度影響不大。CH4/air和CH4/O2/CO2（XO2/XCO2=0.62）混合物弱火焰對應(yīng)著火溫度非常接近。采用一維穩(wěn)態(tài)計算程序和詳細化學(xué)反應(yīng)機理，對確定溫度邊界微型反應(yīng)器內(nèi)火焰燃燒和著火特性進行了計算，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

3、算結(jié)果和實驗結(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)過程，并對CO2和N2對常態(tài)火焰和弱火焰內(nèi)CH4反應(yīng)過程的影響進行了詳細的討論。
　　利用對沖火焰結(jié)構(gòu)研究了氧化劑溫度對非預(yù)混對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)對沖火焰和CH4/CO2與O2/CO2對沖火焰，其中CH4/CO2與O2/CO2對沖火焰氧化劑中氧摩爾分數(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)討論了輻射散熱對拉伸熄滅極限的影響，研究結(jié)果表明燃料濃度較高時輻射散熱對兩種對沖火焰拉伸熄滅極限的影響不大。氧化劑溫度為常溫時(300K)，氧化劑中氧摩爾分數(shù)為0.35的CH4/CO2與O2/CO2對沖火焰的熄滅曲線靠近CH4/N2與air(O2/N2)對沖火焰的熄滅曲線

5、。而當氧化劑溫度較高時(1000K)，CH4/N2與air(O2/N2)對沖火焰的熄滅曲線靠近氧化劑中氧摩爾分數(shù)為0.40的CH4/CO2與O2/CO2對沖火焰的熄滅曲線。對影響拉伸熄滅的參數(shù)進行了理論研究，分析表明拉伸熄滅極限主要由焓流密度和動力學(xué)特性兩個影響因素決定。通過對數(shù)值計算結(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生成速率對拉伸熄滅極限的影響。提出估算拉伸熄滅

6、極限的方法，對拉伸熄滅曲線隨氧化劑溫度的變化進行了合理的解釋。
　　對高溫助燃空氣旋流和平行射流兩種流動模式下CH4射流火焰燃燒特性進行了比較。研究表明兩種高溫空氣流動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流換熱和水對流換熱條件下甲烷在旋流高溫空氣中燃燒特性。研究表明當燃燒室外采用空氣對流換熱條件時，隨著助燃空氣溫度增加，燃燒室氣體溫度升高，壁面平