英语原文共 15 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
通过测量火焰指数及
其统计特性来理解部分预混合湍流燃烧过程
摘 要
这项工作解决了部分预混合燃烧领域的一些基本问题 —哪些参数控制预混合的小火焰部分（相对于非预混合），以及预混合（与非预混合）燃烧的概率高的位置是什么？为了回答这些问题，需要测量火焰指数（n）及其统计特性，并且此信息以前尚未提供。火焰指数为 1，则其中存在预混火焰，在非预混小火焰位置为1。开发出一种测量火焰指数的新方法，将NO2添加到空气中; 丙酮被用作燃料的一个组分。激光诱导的荧光图像表明小火焰的位置以及燃料和O2的梯度方向是否相同。在DLR设计的燃气轮机模型燃烧器中测量了火焰指数，这是部分预混合燃烧的一个好例子。
测量结果显示平均火焰指数如何在空间中变化; 在燃料喷射器附近，燃烧是50％未预混和50％预混合，而下游的火焰燃烧主要是预先混合的。 这种趋势与两种旋流火焰的数值模拟是一致的。 然而，对于简单的提升喷流火焰，预混火焰不会延伸到下游。 发现控制预混合的小火焰部分的一个参数是燃料喷射速度与空气速度的比率。 增加这个比率会增加预混合的小火焰部分，因为它增加了燃料流穿入更强烈混合区域的距离。 良好的信噪比为24（对于丙酮）和13（对于NO2），并且基于校准实验提出了不确定性分析。
- 引 言
最近在部分预混湍流燃烧领域引起了相当大的兴趣。 术语“部分预混合”表示预混合火焰在某一时间点出现，而其他时间在该同一点存在非预混火焰。 部分预混燃烧不应与分层预混合燃烧混淆; 后者发生在燃料 - 空气混合比在空间上不均匀的情况下发生，但它总是保持在可燃性极限内，因此没有任何小火焰是未预先混合的。 部分预混合的一个例子是提升的（最初未预混的）喷射火焰的底部区域[1-6]。 混合发生在剥离区域，混合可能通过添加协流气流，横流气流或旋转空气来辅助[7-9]。由于反应区通常从用于汽车，燃气轮机和火箭发动机的燃料喷射器中提起，所以大量实际装置在部分预混合模式下燃烧燃料。
关于部分预混合燃烧的重要问题是：预混合的小部分火焰，控制该部分的部分以及预混火焰的概率高的部位是什么？ 例如，Mizobuchi等人的直接数值模拟（Direct Numerical Simulation，DNS）在靠近喷射火焰的底部附近。 [2]确定了预混燃烧的许多区域，而在下游位置，燃烧主要是非预混合的。 他们认为预混合燃烧是由在升空区域内的剪切层中发生的燃料 - 空气混合引起的。 蔡等人。 [10]解释另一个部分预混燃烧的例子是桑迪亚喷射火焰D [10]的上游区域，它被预混火焰包围。 典型的燃气轮机燃烧器通常包含相对较短，紧凑且提升的火焰，预计该火焰具有部分预混的区域。
为了理解和模拟部分预混燃烧，一个有用的参数是Takeno火焰指数（n）。 它由Yamashita等人定义。 [1]为燃料和氧化剂质量分数（YF; YO）梯度的归一化点积：
考虑与薄的皱纹小火焰垂直的方向。燃料质量分数的梯度近似为高斯形函数，其最大值maxTHORN;大约出现在层的中间。公式中的分母（1）是标量点积的绝对值。对于预混合情况，燃料和氧化剂梯度是对齐的，因此火焰指数是1。对于非预混的情况，如果一侧有燃料而另一侧有空气，火焰指数为？1。如果在某个位置不存在火焰，那么该位置的火焰指数被定义为零。作为一个例子，假设有一个测量误差导致公式的分子。 （1）比实际瞬时值大20％。这不应该改变火焰指数的值，因为分母总是分子的大小。因此，如果存在小火焰，火焰指数只能取值为1或1。如果测量误差太大而导致测量的n符号与实际符号相反，则会出现火焰指数瞬时值的误差。这很少发生，正如下面介绍的不确定性分析所讨论的那样。
预混合的小火焰的全球分数（beta;）被定义为：
其中A和C是火焰指数的概率密度函数（PDF）Pr（n）的组成部分，括号表示在整个火焰上进行空间平均。 Pr（n）由三个三角函数组成，位于n = 1;-1和0，所以：
其中sigma;是狄拉克三角函数。 A是非预混火焰出现的概率，因为如果n = -1，方程 （3）变成Asigma;（0），Asigma; （0）dn的积分为A. B是无火焰的概率，C是预混火焰的概率。 平均火焰指数n是nPr（n）dn在n的所有值上的积分，即C-A。 总和（A C）是发生小火焰的概率，因此小火焰预混的概率是C =C/（A C）。
已报道火焰指数值的以前的研究仅限于直接数值模拟（DNS）和大涡流模拟（LES）。 Mizobuchi等人的DNS [2]和Domingo等人。 [5]表明，提升喷流火焰的基部包含许多尖形区域，每个区域的n值为1或1。 Grout等人报道了一种类似的DNS结果，用于交叉流中的提升喷流火焰。[8]。 罗等人。 [9]描述了当漩涡被添加到流中时n的DNS计算。 这些DNS结果表明，提升的基区具有预混结构和非预混结构，如同三重火焰[11,12]。
为了模拟高于雷诺数的部分预混燃烧，需要使用大涡模拟（LES）。 对于一些LES子模型，首先确定火焰指数Prd（n）的概率密度函数。 然后如Bray等人所述，将不同的子模型应用于预混和非预混燃烧。 [13]，Domingo等。 [14]，克努森和皮奇[15,16]，帕特尔和梅农[17]。 例如，计算单元中的氢气（H 2）的平均体积反应速率可以设定为等于：
其中A和C是火焰指数的PDF的组成部分，（3）。 预混合燃烧子模型模拟预混反应速率ƜH2;预混合非预混燃烧子模型模拟ƜH2;非预混合燃烧子模型。 所提出的概率A和C的子网格模型[13-16]与标量耗散率的子网格模型相似。 解析度量标量梯度首先根据网格点上确定的值计算，并且该模型假定子网格标量梯度与该解析度量梯度成比例。 例如，Domingo等人 [14]假设大小为D的单元中的平均火焰指数为：
子网格标量耗散率Xz以标准方式建模为D2 dZ2/t，其中D是单元尺寸，dZ是解析尺度混合分数梯度的大小，t是时间不变。参考。 [14]提供了加权函数FZ和Fc，反应度耗散率Xc和时间常数t的关系。 Knudsen和Pitsch [16]提出了一个类似的模型; 他们还将火焰指数与混合比例和反应度的梯度联系起来，但与Domingo等人的方法不同。[14]。 不同的LES方法是Pierce和Moin [18]，Ihme和See [19]以及Ihme和Pitsch [20]的进度变量（PV）方法。 通过求解两个独立变量（混合分数和进度变量）的火焰方程来生成小火焰库。 其他一些相关的模拟也有报道[21-25]。 由于缺乏对火焰指数的测量，因此没有对各种子模型进行评估。
虽然以前没有报道过火焰指数的测量结果，但许多实验研究已经加入丙酮（CH3COCH3）来单独追踪燃料浓度。最近Stouml;hr等人。 [26]添加丙酮追踪DLR燃气涡轮模型燃烧室（GTMC）中旋涡火焰中的燃料摩尔分数，同时通过记录OH平面激光诱导荧光（PLIF）信号追踪火焰边界。然而，他们没有办法跟踪氧气（O2），因此他们无法测量火焰指数或当地燃空比。他们确实表明，丙酮标记是一个很好的指标，即火焰表面前方的燃料摩尔分数变化很大。他们无法确定混合物是否处于可燃范围内。他们的散点图显示瞬时温度不是预混合燃烧所预期的双峰。对于纯净的非预混火焰，它们的散点图也不是预期的。他们得出结论：“结果表明燃料和空气的混合很快，但火焰不能被认为是均匀预混合的，而应该被分类为部分预混合的。”在一项相关的研究中，Meier等人[27]表明存在小火焰，因为他们在CH PLIF图像中观察到薄层，但他们无法确定哪些层是预混合的。
- 目 标
以前没有测量火焰指数n，因为在本项目之前没有开发出合适的诊断方法。 拉曼散射并未证明是测量方程式中出现的燃料和O2质量分数梯度方向的可行方法。（1）。 二维图像是必需的，并且没有报道过的燃料和O2的同时二维拉曼图像具有足够的空间分辨率来解决剧烈湍流中的小火焰。 唯一可行的方法是从适当的示踪气体记录平面激光诱导荧光（PLIF）。
因此，第一个目标是选择两种示踪气体并运行CHEMKIN，以便计算燃料质量分数的最大梯度，O2质量分数和示踪气体信号的符号。第3节描述了计算所选择的三种火焰类型：层流预混，层流D.A.罗森伯格等人。燃烧和火焰162（2015）2808-2822 2809非预混，层状部分预混。第二个目标是操作4.3节中描述的层状火焰校准实验。测量火焰指数，并且在层流预混校准火焰中存在火焰的每个位置处已知先验值为 1。沿着非预混校准火焰的每个点都是？1。因此任何与已知值的偏差都代表不确定性。然后使用校准火焰数据进行不确定度分析，结果见4.3节。最后，第5节报告了由Meier及其同事在DLR设计的燃气轮机模型燃烧器中的火焰指数测量。他们以前报告了这种配置的许多特性，但没有测量火焰指数。
- 基于CHEMKIN计算的示踪气体的选择
最初被考虑但被拒绝的示踪气体包括一氧化氮（NO），甲醛（CH2O）和一氧化碳（CO）。 CHEMKIN结果表明，这些物质的浓度分布的梯度在反应区内发生方向变化，因为这些物质都形成并消耗。 因此，它们的梯度方向分别与O2和燃料的梯度方向不同，因此不考虑这些示踪气体。
决定使用由79％丙烷（C3H8）和21％丙酮（CH3COCH3）按体积组成的燃料。氧化剂选择为加入5000ppm二氧化氮（NO 2）的空气。选择燃料混合物是因为丙烷具有与丙酮几乎相同的分子扩散系数。选择大摩尔分数的丙酮以使荧光信号最大化。没有人认为这是一种有少量播种的丙烷 - 空气火焰;它是丙烷 - 丙酮 - 空气-NO2火焰。当用266nm和532nm光片分别激发时，丙酮和NO2分别具有优异的荧光产量[28-42]。 Thurber和Hanson [28]，Shultz和Sick [31]，Chong和Hochgreb [32]以及Bryant等人已经使用丙酮来追踪火焰中的燃料浓度。 [33,34]。在这些研究中，人们认识到丙酮荧光消失的位置与燃料消失的位置之间可能存在一个小的距离（0.5-1 mm），但是这种空间不确定性被认为对结论没有影响。卡托利卡等[37-40,43,44]在反应和非反应流中使用NO2荧光来跟踪冷流混合，并标记未燃反应物和燃烧产物之间的反应界面。但是，NO2从未被用于标记O2梯度。可以认为，在O2和NO2消失的位置上的0.5-1mm的小差异将不会影响NO2作为O2梯度指示剂的有效性。
图1显示了由CHEMKIN计算的两种示踪气体的荧光信号的曲线。 表1显示了丙烷和O2质量分数的梯度，以及来自CHEMKIN分布的丙酮和NO2 LIF信号的梯度。 CHEMKIN的GRI-Mech化学增强了Chong和Hochgreb的丙酮机制[32]。 为了计算，丙酮（0.21）和NO2（5000ppm）的摩尔分数与实验中使用的值相同。
对于预混合和非预混合情况下的CHEMKIN计算，应变速率从160s -1到550s -1变化。 该应变速率范围与下一节中介绍的GTMC实验的预期范围相符。 那就是，r.m.s. 基于Stouml;hr等人的数据，我们的流速预计速度波动可达2 m / s。 [26]，所以这两个应变率对应于4毫米和12毫米的漩涡尺寸，这是实验的合理值。
使用摩尔分数的CHEMKIN值以及玻尔兹曼分数和碰撞猝灭项的公开关系计算丙酮和NO2信号分布。
图一：CHEMKIN计算表明实际火焰指数（方程（1））等于三种层状情况下的测量火焰指数（方程（8））：预混合，非预混合和部分预混合。 部分预混壳（c）在一侧上具有75％的燃料和25％的空气; 它有97％的空气，3％的燃料在另一边。
对于丙酮，使用的校准关系是Thurber和Hanson [28]报道的：
荧光量子产率因子包括碰撞猝灭项。 丙酮的吸收截面，r包括玻尔兹曼分数项。 Thurber和Hanson报道了方程式中方括号内数量的广泛测量。（6）。
图1中的NO2信号是用Hanson等人描述的标准荧光方程计算的。[36]; 它与Eq。 （6），但它是用下面的符号写成的：
归一化的玻尔兹曼分数（f /f ref）是气体温度和NO2分子转动惯量的函数，这在Hertzberg的教科书中给出[45]。 已知爱因斯坦系数Ajk在大气压下对于Q而言是小的，但它被包括在内。 淬火因子Q与基于已知的N2，O2，CO2，H2O，CH4和C3H8截面以及它们的CHEMKIN摩尔分数的总淬火截面成比例。
图1是三种情况下得到的曲线图：完全预混合的小火焰，完全未预混合的小火焰（在纯燃料和纯净空气之间）和部分预混火焰。 后者在富含燃料的一侧有25％的空气与75％的燃料混合。 燃油方面有3％的燃料与97％的空气混合。 这两种混合物不易燃，所以使用CHEMKIN扩散火焰解算器计算部分预混合的情况。 如果任一侧的混合物进入易燃状态，则产生预混火焰。
首先要注意的是，目标不是要预期图1中的荧光信号的幅度将与每个位置处的燃料（或O2）质量分数的幅度相匹配，因为信号的幅度不用于任何部分 的火焰指数的测量。 只有最大梯度的符号很重要（即，梯度符号是正值还是负值）。 也就是说，等式 （1），因为分子的大小被归一化，所以得到的火焰指数是一个数，或者是 1; -1，或者是零。 重要的是，示踪剂信号的梯度符号与相应质量分数梯度的符号相匹配。 因此，目标是评估做出以下近似的准确性：
有两个重要问题; 由于方程的左边。 （8）对于一个给定的小火焰只有 1;-1或零值，所以希望右侧具有相同的值。 第二个问题是，例如，左侧为 1的空间位置可能与右侧占据该值的位置不同。
首先考虑图1a-c中的CHEMKIN配置文件。 在所有三个图中，丙酮质量分数的分布直接位于丙烷质量分数分
全文共16932字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[9535]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
