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《沈阳航空航天大学》 2018年
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生物质气层流燃烧特性的试验与数值研究

李玮薇  
【摘要】:城市日常生活中会产生大量的固体废弃物(生活垃圾),生活垃圾的处理方式一般为填埋。由于这些生活垃圾一般具有易腐性与高含水率的特征,会快速降解,从而产生大量的生物质气,使垃圾填埋场蕴藏着巨大的资源化潜力。垃圾填埋气(生物质气)为一种含有气态可燃成份(CH_4、N_2和CO_2等)的可燃混合气体,热值约为4600kcal/m~3。如果采用生物质气为燃料进行发电,既能回收资源,又能减少污染气体排放,产生的经济与社会效益非常显著。目前,燃气轮机的设计燃料基本为天然气或轻柴油。以生物质气为燃料的燃气轮机,在将燃料由天然气改为生物质气时,燃料成份发生变化,热值降低,且需要满足环境保护和燃气轮机可靠性、经济性要求。同时,由于多种因素的影响,各地产生的生物质气成份也不尽相同,其对生物质气的热值、着火特性与燃烧特性也会产生较大影响。因此,需在充分了解生物质气燃烧特性(燃烧稳定性及层流燃烧特性)的基础上对燃气轮机的燃烧室结构和运行参数进行相应调整与改进。本文在定容燃烧弹中对当量比范围为0.7-1.4、初始压力范围为0.1-0.5MPa、初始温度范围为290-380K、甲烷含量范围为47-59%条件下生物质气的火焰传播特性进行了试验测试,并分析了当量比、初始压力、初始温度以及生物质气组成成份对火焰传播特性、火焰稳定性与层流燃烧速度的影响规律。研究结果表明:(1)当量比、初始压力、组成成份对生物质气火焰传播特性的影响较为显著,但初始温度影响不明显。在大部分工况下,火焰前锋面始终呈准球形向外发展,且火焰前锋面较为光滑;但是,在某些工况下,火焰在传播过程出现了优先扩散与浮力不稳定性,火焰前锋面逐渐出现裂纹与火焰突起,火焰向上漂浮的现象较为明显。(2)在各工况下火焰半径随着火时刻的变化趋势基本都呈线性增长关系。随着当量比的升高,火焰半径增长速度呈现先增加后降低的趋势,在当量比为1.1时达到最大;随着初始压力的降低与生物质气中甲烷含量的增加,火焰半径的增长速度逐渐加快;初始温度对火焰半径增长速度的影响不明显。在各工况下拉伸火焰传播速度随火焰半径的增加基本呈现增长趋势;拉伸火焰传播速度随拉伸率的变化呈准线性关系。同时,随着拉伸率的增加,拉伸火焰传播速度基本呈下降趋势。(3)随着当量比的增加及甲烷含量增加、初始压力的降低,马克斯坦长度逐渐增大,火焰的不稳定性逐渐减弱,火焰趋向于稳定;初始温度对马克斯坦长度的影响不确定。生物质气的无拉伸火焰传播速度与层流燃烧速度随当量比的增加均呈现先升高后降低的趋势,当当量比为1.1时达到最大值;随着初始压力的升高、初始温度的降低与甲烷含量的降低,无拉伸火焰传播速度与层流燃烧速逐渐降低。(4)在大部分工况下采用Gri_Mech 3.0燃烧反应机理计算得到的生物质气层流燃烧速度与相应工况下的试验值吻合良好。
【学位授予单位】:沈阳航空航天大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:X799.3;TK6

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