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氢气/气体燃料层流燃烧特性及液滴碰撞动力学基础研究

汤成龙  
【摘要】:本学位论文包括两部分内容。第一部分是掺氢对气体燃料层流燃烧特性的影响*,第二部分是液滴碰撞动力学?。 第一部分是作者在西安交通大学燃烧实验室完成的工作。从实际应用讲,丙烷和丁烷是液化石油气(LPG)的主要组分,LPG以其优越的特性如挥发性能良好、燃烧完全、可燃极限范围宽、抗爆性能优良、存储和运输方便等被广泛应用于民用供热和机车动力。但LPG燃烧速率低,理论空燃比下混合气热值低,导致发动机功率比汽油机有所降低。氢气是一种清洁燃料,燃烧产物只有水,有着燃烧速率高,点火能量低,稀燃能力强的特点,但纯氢燃烧时绝热火焰温度高,化学反应剧烈而不易控制,会产生较多的NOX排放,并且其理论空燃比燃烧时压力升高率大,有潜在的爆震危险。所以对于烷烃掺混氢气的研究在实际应用上有融合两种燃料优点的潜能。从基本燃烧物理角度讲,对于给定当量比混合气的燃烧,碳3及以上的烃类与氢气的最大不同是热质扩散的不对等性,两者火焰内燃烧物种扩散和热扩散的竞争结果相反,火焰表面局部燃烧速率对火焰拉伸的响应相反,从而导致火焰表面的稳定性表现也相反。这种相反的热质扩散不对等特性对火焰表面湍流形变(turbulent distortion)的影响至关重要,是湍流模型必须加以考虑的问题之一。从燃烧化学上讲,烷烃和氢气的化学反应机理不同,化学反应机理控制着反应速率、燃烧反应路径和产物,而这些反应伴随着物质输运和能量输运等。燃烧是一个热力学、流体力学和化学动力学等控制的非线性过程,因而两种燃料混合之后的任何燃烧特性不应该是各自燃料特性的简单叠加。基于这些认知,本论文利用实验手段研究了不同环境压力和温度下添加氢气对丙烷/空气混合气体燃料的层流燃烧特性的影响。主要结论表明氢气对丙烷/空气混合气层流燃烧特性的影响如下:层流燃烧速率随着掺氢比例的增加而增加,且在掺氢百分比小于40%时层流燃烧速率随氢气掺混而变化的效果不明显,当掺氢比例高于60%时,混合气体层流燃烧速率急剧增加。对于稀混合气,掺氢后全局Markstein数降低,火焰稳定性降低,对于浓混合气,掺氢后Markstein数增加,火焰稳定性增强。本研究还探讨了压力影响层流燃烧速率的内在化学动力学原因,探讨了氢气掺混对火焰厚度,热膨胀比以及火焰表面稳定性表现等受到包括热力学参数如绝热火焰温度,流体力学输运参数(如Lewis数)以及化学动力学参数(如一步总包反应活化能)等的影响;随后,本论文还利用实验测量和数值计算手段研究了氢气掺混丁烷/空气混合气后对基础层流燃烧特性的影响。由于氢气和碳氢气体燃料理论燃空比差别较大,文中定义了一个更为合理的氢气掺混程度参数RH,结果表明,随着RH的增加,混合气体的层流燃烧速率几乎呈线性增加,并且线性关系的斜率在理论当量比时最为平缓,表明氢气掺混对层流燃烧速率的增强作用在理论当量比时最弱。从基础燃烧理论上分析讨论了氢气掺混后对混合气燃烧过程的化学动力学、热力学以及输运特性的影响,通过敏感性分析发现氢气掺混后对化学动力学影响最大,其次是在热力学,最后是输运特性。此研究通过数值计算方法推广到其他气体燃料发现层流燃烧速率与RH的线性关系是对所研究的所有碳氢气体燃料的普适性关系。 第二部分是作者在普林斯顿大学Law教授燃烧小组两年的访学期间完成的,研究工作是液滴碰撞动力学。液滴碰撞在自然现象和工业过程中十分普遍,如雨水形成和工业喷雾场景。在燃油喷射式发动机中,液滴碰撞现象发生频繁,不同的碰撞参数会产生不同的碰撞结果,影响着液滴的数量密度、速度分布及尺寸分布等,而这些对喷雾雾化和燃烧起着决定性作用。液滴碰撞过程是一个复杂的两相多尺度非稳态过程,伴随着的物理过程有气液两相流动、稀薄气体流动、分子间作用力、界面破坏、粘性耗散、表面变形、表面能与动能的转化等。研究动机是基于自行着火火箭推进燃料的可靠着火,认为液滴的直径比对可靠的自行着火可能的影响至少有两个。第一,液滴的直径比可能会影响碰撞结果区域,如果液滴的碰撞结果为聚合,则有利于燃料和氧化剂的混合及随后的反应着火。碰撞后液滴弹开,或者暂时聚合而很快分离都不利于可靠着火;第二,即使两个液滴碰撞后总是聚合,液滴直径不同时更有利于液滴的混合,因为直径的不相等打破了碰撞的对称性,使得一个液滴有可能进入另外一个,从而促进混合及随后反应着火。论文作者利用实验和理论分析手段研究了不同液滴尺寸和碰撞惯性下的碰撞结果,并将碰撞结果组织在Weber数—尺寸比坐标图上,找到了不同碰撞结果的临界线。结果表明,从弹开到聚合碰撞结果的临界Weber数WeB-C受液滴尺寸比影响不明显,然而从聚合到分离碰撞结果的临界Weber数WeC-S随着液滴尺寸比的增加而显著增加。同时建立了相应的物理模型,从求解能量守恒方程得到对临界线WeC-S的预测,预测结果与实验结果吻合良好。对模型进行敏感性分析的结果表明液滴碰撞变形的第二阶段粘性耗散是影响WeC-S对液滴直径比强烈依赖关系的主要能量项。


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