煤油及其裂解产物自点火现象的初步实验研究

【摘要】： 本文目的是研究煤油气溶胶及其裂解产物的点火延时和自点火现象。在新研制的两相激波管中,利用反射激波后气流,以瞬态压力和高分辨率发射或荧光测量为主,测量了点火延时并研究了自点火现象。主要内容如下: (1)第一章简要介绍了本文研究背景和相关的国内外研究进展、主要内容等。 (2)第二章主要介绍了两相激波管研制和实验状态调试。包括激波管部件设计和安装、煤油雾化方法、煤油粒径Mie散射测量,给出了缝合接触面运行状态的计算和调试结果,并确认了实验时间。 (3)基于压力和OH基自发光信号测量结果,第三章给出了煤油及其裂解产物点火延时测量结果。 ●考察了温度T、压力p和当量比φ对点火延时τ_(ig)的影响。对于T=1163K～1653K、p=0.1、0.3和0.6MPa、φ=1煤油/空气溶胶,τ_(ig)约为0.10ms～6.36ms。当T相同,τ_(ig)随p升高而减小,拟合得到τ_(ig)=4.75×10~(-7)p~(-1.16)exp(17360/T),其中,τ_(ig)、p、T的单位分别为ms、MPa、K。对p=0.1MPa、T=1348K～1940K、φ=0.5、1和2的煤油裂解产物/空气混合物,τ_(ig)约为0.07ms～5.04ms。当丁相同,τ_(ig)随φ增大而减小。拟合得到τ_(ig)=1.45×10~(-7)φ~(1.85)exp(24950/T)。对不同压力和当量比的点火延时数据进行归一化处理,ln(τ_(ig))和温度T均满足线性分布,这为比较不同条件的点火延时数据提供了途径。 ●对不同p的煤油/空气,p越大,发生爆燃对应的临界温度越低。对不同φ的煤油裂解产物/空气,φ越大,发生爆燃对应的临界温度越高。比较煤油及其裂解产物点火延时数据后发现,爆燃对应的点火延时均小于1ms。 (4)针对不同压力、当量比的煤油及其裂解产物,第四章给出了自点火瞬态流场自发光成像、OH-PLIF、CH/OH基发射光谱测量结果,表征了火焰产生、传播特征和火焰内部结构。 ●当p=0.1MPa、0.3MPa、0.6MPa和φ=1,测量了煤油/空气溶胶自点火燃烧流场自发光成像,给出不同温度的自点火流场火焰结构和特征,显示了不同的高、低温点火机理。对于低温点火,在点火起始阶段,诱导区出现多个随机分布的火核,火核扩展、融合形成火焰面,并向反射端面传播。对于高温点火,在点火起始阶段,靠近反射端面形成了火核。当点火温度T＞1600K时,点火直接自从反射端面开始。 ●对相同φ、不同T的煤油裂解产物/空气,其自点火图像与煤油类似。当φ=0.5,火焰区图像表明:当T=1536K～1568K,仍为弱点火模式。当T=1700K,点火起始阶段为爆燃,火焰在传播过程中追赶反射激波,并在观察窗内赶上反射激波形成爆轰。当T=1850K,点火起始阶段在反射端面就形成了爆轰,火焰呈狭窄的带状。 ●针对激光器(YAG+DYE)预热后再起动,定性地测量了首次脉冲激光能量,确定了达到激光能量稳定的最大间隔时间,解决了OH-PLIF系统和激波管运行的时间同步控制问题,给出了煤油裂解产物自点火流场OH-PLIF测量结果,确认了湍流火焰内部的三维结构。 ●测量了自点火流场CH基(CH_4/空气、波长431nm)、OH基(H_2/O_2、波长308nm)自发辐射的瞬态光谱特征谱线,与LIFbase计算结果进行了比较,给出了拟合的辐射温度。 (5)第五章给出了全文总结和下一步研究工作建议。 本文主要特色和创新为: (1)提出“管外预混”和“循环进气”思想,研制了两相激波管、配套的雾化燃料形成和进气系统,保证了煤油气溶胶在低压段进气和静置的均匀性,为低饱和蒸汽压的液态碳氢燃料两相点火提供了新的途径。激波管所模拟低温点火的压力、温度等均和超燃发动机燃烧室参数接近。 (2)测量了煤油/空气溶胶、煤油裂解产物/空气混合物的点火延时,为超燃发动机燃烧室设计提供了基础性的数据。 (3)结合点火延时和点火燃烧流场自发光图像,揭示了煤油气溶胶及其裂解产物高、低温的不同点火机理。 (4)将PLIF方法用于自点火燃烧流场诊断,较好地解决了激波管运行、PLIF系统的时间同步控制难题,获得了火焰内部时间、空间高分辨率的自由基荧光图像,为探索点火阶段的火焰结构和湍流燃烧机理提供了新方法,也为点火燃烧流场在线诊断应用先进光谱成像方法提供了基础。 (5)本文得到的点火延时数据和自点火流场光谱图像,对于化学动力学机理验证和煤油超燃发动机(scramjet)和脉冲爆轰发动机(PDE)燃烧室设计有意义。 【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TE626.22

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激波管研究—氯化碘高温气相分解反应动力学    张荣耀,沙国河,韩登龙,王逸民,张存浩

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创新,锻造坚固盾牌    刘德胜　　特约记者 刘逢安

科技铸造“打赢”之盾    本报特约记者孙现富梁兆君

来自科研一线的报告    熊学莉刘胜江 范炬炜

测一测玻璃有多结实    张雪 苏志明 张瑜

伊通国税局2006年组织收入创历史新高    通讯员 张新春

学生制止污染被殴打    记者　 胡早

3·15不是歌功颂德日    朱慧松

阳曲县无视环保法规被通报    记者　张隽波

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用守恒型跟踪算法数值模拟流体中的介质界面    Mohammed Aman Ullah（阿曼）

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高速流动精细数值模拟、实验研究及其在气动光学中的应用    冯定华

煤油点火延时特性及其污染效应的激波管研究    梁金虎

激波管内正庚烷点火延时的实验研究    程卿

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