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微细圆管内火焰传播过程的数值研究

丁敏  
【摘要】: 为了研制微小型化学推进系统,需要对其中管道内的火焰传播过程进行研究。本文用多种不同模型对微细圆管中的传播中预混火焰进行了数值模拟,并做了实验以验证。全文包括个方面的工作:热传导—组分扩散模型的数值模拟和微细圆管中火焰的理论分析,包括了N-S方程的准稳态模型的数值模拟,分析Lewis数对准稳态模型的影响,以及相关的实验工作。 理论分析微细圆管中火焰的传播得到:燃烧速率与大约下降到绝热壁面圆管内传播中火焰数值的0.6时,濒临熄火;圆管中火焰熄火时的壁面散热系数只有同尺寸二维槽道的1/2。用热传导—组分扩散模型对微细圆管中火焰传播过程进行数值模拟的研究,可证实理论分析的大部分结论,并给出了火焰传播速度和燃烧速率随预混气初始运动、壁面散热的变化关系。初步揭示了在散热方面的微尺度效应的重要作用。 采用准稳态的模型对传播中火焰进行模拟可以节约计算机时,加入了N-S方程以后得到的计算结果才具有预测实验、工程实际的意义。这个模型表明壁面散热对于火焰形状的作用十分重要,而预混气流量差异造成的影响则不明显。根据此模型预测了火焰面的形状、火焰传播速度和燃烧速率,并揭示了当量比变化对火焰各项参数的影响。描绘出火焰面与圆管内火焰传播速度随当量比变化的曲线。化学当量比等于1附近的时候,火焰面的弯曲程度达到最大,但要取得其准确值,需确定真实的Lewis数。 Lewis数的问题主要与自由基浓度有关,而自由基浓度的变化对传播中的火焰具有多方面的影响。自由基的扩散改变了火焰的结构,随着其扩散系数的不同起着不同的作用:H自由基具有极强的扩散能力因而具有加速火焰传播的作用,OH自由基对温度敏感所以在熄火方面有重要作用。就其分布来看,H自由基在径向上梯度总是很小,而OH自由基在火焰面附近壁面处的径向梯度很大。采用真实Lewis数的模型给出的计算结果与实验数值接近,因此真正具备了工程上的实用性。 运用工业摄像机与微距镜头对平行放置的微细石英玻璃管中的火焰传播进行观测。实验证实了关于熄火临界状况的火焰面特征的计算结果,同时发现在气体预混方面的一些困难。


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