水雾作用下甲烷/空气层流预混火焰燃烧特性研究

【摘要】：细水雾具有良好的液滴分散性、高热容、易蒸发等特性，因此作为卤代烷烃灭火剂的替代物，细水雾灭火技术己得到了广泛的研究与应用。在可燃气云惰化以及爆炸火焰抑制等方面，细水雾技术也得到人们的普遍关注，利用细水雾进行可燃气云惰化、抑爆的相关研究也已大量开展。可燃气云爆炸是处于爆炸极限范围内的预混气、燃料液滴群急剧燃烧，火焰加速传播的过程。细水雾对可燃气云惰化、抑爆技术的核心和技术基础就是细水雾与预混火焰的相互作用。本文通过对水雾作用下甲烷／空气预混火焰燃烧特性的实验研究，揭示水雾对预混火焰稳定燃烧的影响以及水雾的惰化、抑制机理和条件。本文的主要工作与研究成果包括： 1．设计、建造了新颖的大口径(15mm)水雾协流管式燃烧器实验台。 利用该实验台可在开放空间内，对具有较大粒径分布的细水雾(雾滴直径范围30μm～150μm)与甲烷／空气预混火焰之间的相互作用过程进行实验研究。与目前传统的管式燃烧器以及Fuss等人研制的出口直径5.4mm，雾滴直径小于10μm的管式燃烧器相比，本实验台研究适用范围更宽广。 在对燃烧器设计思路理论分析的基础上，对实验系统进行了校准与误差分析；利用LDV／APV系统对管式燃烧器出口气体协流水雾特性进行测量，分析混合气体流量对管式燃烧器烧嘴出口处水雾特性的影响，并运用两相流理论分析了燃烧管烧嘴出口处水雾与协流气体之间的相互作用； 2．利用高速纹影实验系统对水雾协流作用下的甲烷／空气层流预混火焰燃烧特性进行研究，揭示了水雾协流作用过程中甲烷预混火焰的熄火模式与规律。通过分析水雾对层流火焰稳定性、火焰拉伸、燃烧速度以及火焰化学发光特性的影响，研究水雾作用过程中的火焰熄火、抑制模式的产生过程与机理；利用水雾协流管式燃烧器，通过实验的方法得到了惰化与抑制甲烷／空气层流预混火焰所需的水雾条件。 3．在不同的水雾协流条件下，对甲烷／空气层流预混火焰拉伸现象及火焰拉伸率的变化规律进行研究，分析水雾液滴蒸发与扰动对锥形预混火焰面拉 【关键词】：气云火焰 协流 水雾 惰化 抑制 火焰发射光谱
【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】：2006
【分类号】：TK16
【目录】：

• 摘要7-9
• ABSTRACT9-12
• 致谢12-13
• 符号说明13-16
• 图例目录16-18
• 第一章 引言18-34
• 1.1 研究背景18-19
• 1.2 研究现状19-26
• 1.2.1 水雾对气体火焰抑制作用机理研究19-24
• 1.2.2 预混火焰化学发光特性与火焰光谱研究24-26
• 1.3 研究目的26
• 1.4 研究内容和技术路线26-27
• 1.5 论文结构安排27-28
• 参考文献28-34
• 第二章 实验装置与实验方法34-58
• 2.1 引言34
• 2.2 水雾协流管式燃烧器的研制34-43
• 2.2.1 水雾协流管式燃烧器设计原理34-41
• 2.2.2 管式燃烧器主要设计参数41-43
• 2.3 实验系统构成43-48
• 2.3.1 管式燃烧器实验台43-44
• 2.3.2 实验测试系统44-48
• 2.4 实验系统误差分析与校准48-52
• 2.4.1 误差分析48-50
• 2.4.2 实验系统校准50-52
• 2.5 实验研究方法52-54
• 2.5.1 火焰唯象分析方法52-53
• 2.5.2 火焰发射光谱分析法53
• 2.5.3 实验研究步骤53-54
• 2.6 小结54-55
• 参考文献55-58
• 第三章 甲烷/空气层流预混火焰燃烧特性58-80
• 3.1 引言58-59
• 3.1.1 前人研究工作58-59
• 3.1.2 本文研究特点59
• 3.2 管式燃烧器火焰稳定条件及影响因素59-63
• 3.2.1 火焰稳定条件59-61
• 3.2.2 回火与吹脱61-63
• 3.2.3 火焰稳定范围及影响因素63
• 3.3 层流预混火焰燃烧速度测量63-69
• 3.3.1 燃烧速度测量方法64-66
• 3.3.2 火焰阵面位置的确定66
• 3.3.3 燃烧速度测定66-68
• 3.3.4 讨论与分析68-69
• 3.4 管式燃烧器层流预混火焰燃烧特性69-74
• 3.4.1 稳定火焰阵面发光区特性69-70
• 3.4.2 火焰阵面厚度与火焰高度特性70-72
• 3.4.3 火焰拉伸与火焰稳定性72-74
• 3.5 小结74-76
• 参考文献76-80
• 第四章 水雾协流作用下层流预混火焰稳定性80-120
• 4.1 引言80
• 4.2 管式燃烧器气体协流水雾特性研究80-95
• 4.2.1 雾场特性测试原理及方法81-84
• 4.2.2 实验结果与分析84-91
• 4.2.3 气体协流水雾两相流过程分析91-95
• 4.3 实验现象95-104
• 4.3.1 水雾作用下火焰拉伸规律95-98
• 4.3.2 水雾对火焰阵面发光区的影响98-100
• 4.3.3 水雾作用下预混火焰熄火模式100-104
• 4.4 水雾作用时火焰拉伸特性对火焰稳定性影响104-109
• 4.4.1 水雾协流与火焰拉伸规律104-106
• 4.4.2 水雾协流作用下的火焰稳定性106-109
• 4.5 协流水雾条件与预混火焰惰化、抑制规律研究109-116
• 4.5.1 协流水雾特性对预混火焰的影响109-111
• 4.5.2 甲烷预混火焰水雾惰化与抑制111-116
• 4.6 小结116-118
• 参考文献118-120
• 第五章 协流水雾对预混火焰燃烧速度的影响120-132
• 5.1 引言120
• 5.2 火焰拉伸对预混火焰燃烧速度的影响120-122
• 5.2.1 Markstein数与预混火焰燃烧速度121
• 5.2.2 管式燃烧器火焰拉伸时的燃烧速度121-122
• 5.3 水雾协流作用下的预混火焰燃烧速度122-130
• 5.3.1 水雾条件下火焰拉伸时的燃烧速度122-124
• 5.3.2 水雾作用下燃烧速度测量结果与讨论124-130
• 5.4 小结130-131
• 参考文献131-132
• 第六章 水雾作用下甲烷层流预混火焰光谱特性研究132-160
• 6.1 引言132
• 6.2 火焰发射光谱测量132-136
• 6.2.1 Echell中阶梯光栅光谱仪结构与测量原理133-134
• 6.2.2 火焰发射光谱与化学发光134-135
• 6.2.3 火焰发射光谱测量方法与应用135-136
• 6.3 甲烷预混火焰发射光谱特性136-143
• 6.3.1 甲烷预混火焰化学动力学机理与化学发光特性136-138
• 6.3.2 锥形预混火焰结构与火焰发射光谱138-142
• 6.3.3 火焰发射光谱测量的影响因素142-143
• 6.4 水雾作用下火焰化学发光特性与火焰光谱分析143-156
• 6.4.1 水雾作用下火焰化学发光特性143-144
• 6.4.2 水雾中杂质离子对火焰发射光谱的影响144-148
• 6.4.3 水雾作用下火焰发射光谱测量结果148-152
• 6.4.4 讨论与分析152-156
• 6.5 小结156-158
• 参考文献158-160
• 第七章 结论与展望160-166
• 7.1 论文主要研究内容与结论160-163
• 7.2 论文创新点163
• 7.3 下一步工作展望163-166
• 在学科研与学术论文166-167

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