【摘 要】
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湍流预混燃烧是能源动力系统广泛采用的低污染燃烧技术。碳氢燃料的火焰速度对燃烧稳定性和可靠性至关重要。本文利用定压球形火焰实验结合理论和数值分析,对层流预混火焰速度这一重要物理量开展了外推不确定度降低研究,并研究了低碳排放氨气/甲烷混合燃料的燃烧特性。在此基础上测量了不同湍流强度下的湍流火焰速度,并开展了湍流火焰速度标度律的研究。首先,对于火焰结构较厚、不稳定性强的层流球形火焰,本文提出了考虑有限火
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湍流预混燃烧是能源动力系统广泛采用的低污染燃烧技术。碳氢燃料的火焰速度对燃烧稳定性和可靠性至关重要。本文利用定压球形火焰实验结合理论和数值分析,对层流预混火焰速度这一重要物理量开展了外推不确定度降低研究,并研究了低碳排放氨气/甲烷混合燃料的燃烧特性。在此基础上测量了不同湍流强度下的湍流火焰速度,并开展了湍流火焰速度标度律的研究。首先,对于火焰结构较厚、不稳定性强的层流球形火焰,本文提出了考虑有限火焰结构的修正外推模型。通过实验和数值验证,修正后的模型在层流火焰速度和马可斯坦因长度的外推准确性上有较大提升。其次,对于不稳定性弱、火焰速度慢的层流球形火焰,本文提出了考虑浮力导致火焰形变的修正外推方法。改进后的方法对不同马可斯坦因长度、外推数据范围和形变程度的火焰都表现出较高的层流火焰速度外推准确性和鲁棒性。然后,将改进后的方法应用于测量低碳排放混合燃料氨气/甲烷火焰的层流火焰速度,发现其与甲烷含量之间存在线性关系。进一步通过实验测量了混合燃料的可燃极限,发现其可燃极限上限和下限在1个（5个）大气压时,与甲烷体积分数在0.1到0.7（0.1到0.9）范围内呈线性关系。接着对混合燃料进行火焰化学分析。发现（H,OH）和（H,OH,CH3）自由基分别在贫燃和富燃条件下起主导作用。对甲烷体积分数30%～70%、压力为1～15个大气压、初始温度298～448 K的氨气/甲烷/空气层流预混火焰,在贫燃/富燃工况下,层流火焰速度与自由基浓度（H+OH）/（[H][O2]–[H][CH3]）最大值存在线性关系。最后,针对湍流预混火焰,首先用PIV粒子图像测速系统对定压球形火焰实验装置内冷态流场进行了标定和流场特性研究。结果显示,湍流场是近似均匀且各向同性的,湍流脉动速度变化范围为0.70～1.77 m/s,与风扇转速成线性关系。湍流积分尺度大约为10 mm,基本不随风扇转速变化。接着分别在29～2706和69～2560的湍流雷诺数（?）范围内测量了乙烯/空气和氨气/甲烷/空气湍流火焰速度,并提出了适用于皱褶火焰面区和薄反应区的改进湍流火焰速度标度律模型。该模型考虑了湍流与火焰相互作用的几何和记忆效应。对于乙烯/空气和氨气/甲烷/空气湍流火焰速度,实验值与模型预测值之间的平均相对误差分别为7.8%和8.5%,与已有的其他标度律模型相比具有更高的准确性。
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