利用OH-PLIF探测CH4%2fH2%2fair预混湍流火焰前锋面结构.pdfVIP

利用OH-PLIF 探测CH /H /air 预混湍流火焰前 4 2 锋面结构 张猛，王金华*，谢永亮，黄佐华 （西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室, 陕西 西安 710049） 摘要：为了研究掺氢对天然气预混湍流火焰与流场的耦合作用，利用平面激光诱导荧光（OH-PLIF ）探测了CH /H /air 4 2 预混湍流火焰前锋面结构。采用不同孔径和开孔比的湍流发生板产生不同的湍流流场并定量测量了湍流流场的特征尺 度，计算了实验条件下的层流火焰特征参数，分析了掺氢比和湍流强度、湍流尺度对CH /H /air 混合气预混湍流火焰中 4 2 流场与火焰相互作用的影响。结果表明，湍流燃烧速度随湍流强度的增加而明显增大，掺氢可以增大湍流燃烧速度。火 焰面密度呈对称分布并且约在c=0.5 处达到最大值，掺氢引起火焰面密度增大。平均火焰体积随湍流强度增加明显增 加，掺氢对火焰体积影响不明显。火焰高度随掺氢比的增加而略有降低，随湍流强度增大而增加。 关键词：OH-PLIF ；预混湍流火焰；火焰前锋面结构；掺氢 随着能源需求的增长和日益严峻的环境问题， 形理论[8] 。这些参数对于研究湍流燃烧速度，理解 清洁高效燃烧技术的研究引起越来越广泛的关注 流动与火焰耦合作用规律具有十分重要的意义。同 [1]。天然气作为清洁燃料大量应用在燃气轮机、内 时火焰前锋面参数也是建立湍流燃烧模型和高强 燃机和锅炉上。由于天然气的主要成分甲烷（CH ） 度燃烧器设计和优化的重要参数。 4 中 C-H 键能较大，导致天然气火焰传播速率低， 本文采用不同孔径和开孔比的湍流发生板，产 稀燃时燃烧不完全，失火率高，燃烧不稳定。氢气 生不同湍流强度和尺度下稳定的预混湍流火焰，利 是一种清洁可再生燃料，燃烧速率快，通过向天然 用OH-PLIF （Planar Laser Induced Fluorescence，平 气中掺混少量氢气可以提高天然气混合气的燃烧 面激光诱导荧光）技术[9]探测了CH /H /air预混湍 4 2 速率，同时提高天然气稀燃稳定性。由于氢气制备 流火焰，通过处理500张瞬时火焰结构图片得到了 成本和基础设施方面的原因，掺氢碳氢燃料是未来 湍流燃烧速度，火焰面密度和火焰体积。定量测量 氢能经济的最有潜力的过渡技术。 了流场参数，结合层流火焰参数，分析了掺氢和湍 作者所在课题组系统开展了天然气掺氢混合 流强度对火焰前锋面结构的影响，以及流动与火焰 燃料燃烧特性基础研究，包括发动机实验研究 耦合作用的影响规律。 [2-3]、层流燃烧特性基础研究和化学反应动力学机 1 OH-PLIF 实验系统和预混湍流燃烧本生灯 理研究[4] 。结果表明，掺混少量氢气会提高发动机 OH-PLIF 测量系统如图 1 所示，整个系统分为 燃烧效率，降低排放。掺氢对天然气层流火焰特性 燃料空气供应系统、PLIF 系统和预混湍流燃烧本 有非线性的影响。掺氢会扩展天然气稀燃极限和提 生灯。燃料空气供应系统包括气瓶、管路、调节阀、 高天然气稀燃稳定性。众所周知，实际燃烧器是湍 质量流量计和混合器。PLIF