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天然气组分燃料层流燃烧特性模拟研究

蔡奕  
【摘要】:天然气作为替代燃料的一种,受到了广泛的关注。以天然气为燃料能够减少对石油基液体燃料的依赖,同时降低污染物的排放。天然气是一种复杂的混合物,其主要包含甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等组分。对于天然气及其组分燃料的预混层流燃烧特性,国内外已经开展了一些研究,但研究中所使用的天然气具有一定的地域特性,各组分燃料预混层流燃烧特性之间的差异也缺乏深入的对比和分析。因此,本文以天然气及其组分燃料为研究对象,利用化学动力学机理对其预混层流燃烧特性进行数值模拟研究。首先,本文利用化学动力学软件CHEMKIN PRO模拟了天然气组分燃料的一维平面火焰,详细研究了初始条件对天然气组分燃料预混层流燃烧速度的影响规律,并对天然气组分燃料的火焰结构、层流燃烧速度敏感性以及反应路径进行了分析;接着,根据天然气组分燃料的层流燃烧特性,本文初步构造了一种天然气替代物模型燃料,并对其预混层流燃烧特性进行了研究;最后,在上述模拟计算的基础上,本文对天然气组分燃料的火焰不稳定性进行了分析。本文得到的主要结论如下:(1)天然气组分燃料中,甲烷的层流燃烧速度最低,乙烷的层流燃烧速度最高,丙烷和丁烷的层流燃烧速度介于甲烷和乙烷之间。结合化学动力学分析,可以看出主要活性基(H、O和OH)浓度之和的最大值与层流燃烧速度之间具有一定的关联性;燃烧过程中的绝热火焰温度对层流燃烧速度也起到一定的控制作用;根据反应路径分析,可以看出低碳烷烃的燃烧过程中伴随有比其碳原子数高的烷烃生成。(2)基于天然气组分燃料的层流燃烧特性,本文初步构造的天然气替代物模型燃料具体成分为甲烷90%、乙烷4.5%、丙烷3%和丁烷2.5%。该模型燃料能够较好地反映出实际天然气的预混层流燃烧特性。(3)在相同条件下,甲烷火焰的流体动力学不稳定性最低,乙烷火焰的流体动力学不稳定性最高;通过热扩散不稳定性评价参数的对比可以发现,甲烷火焰的热扩散不稳定性随着当量比的增加不断降低,乙烷、丙烷和丁烷火焰的热扩散不稳定性随着当量比的提高不断增强;马克斯坦长度的变化趋势也证明了这一现象。


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