2,5-二甲基呋喃/空气层流预混燃烧特性实验研究

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2,5-二甲基呋喃作为一种可再生能源相较于乙醇具有能量密度高、沸点高和不溶于水等优点,而且近年来由于制备技术的突破,使其制备成本大大降低。2,5-二甲基呋喃作为一种可替代汽油的生物质燃料具有非常广阔的应用前景。本文自主设计和搭建了2,5-二甲基呋喃/空气液体定容燃烧弹实验系统,开展了不同当量比、初始温度和初始压力下2,5-二甲基呋喃/空气层流预混燃烧实验。研究了2,5-二甲基呋喃/空气层流预混火焰传播特性、火焰锋面结构演变规律、不稳定性和加速特性。同时还为化学反应机理研究提供了所需的基础燃烧数据。首先自主设计和搭建了液体定容燃烧弹实验系统,该系统主要包括:燃烧弹和预混罐主体、进排气系统、加热及保温系统、点火系统和数据采集系统。实验初始温度可达250℃,初始压力可达2MPa,可以进行多种液体燃料的燃烧实验。并且通过将实验数据整理计算得到的2,5-二甲基呋喃/空气层流燃烧速度与之前学者的层流燃烧速度数据对比,发现一致性很好,验证了实验系统的可靠性。结合纹影系统和高速相机开展了不同当量比、不同初始温度和不同初始压力的2,5-二甲基呋喃/空气层流预混燃烧实验。使用MATLAB程序对火焰图像关键信息进行提取,得到火焰半径、面积和轮廓周长等主要信息。使用CHEMKIN软件计算得到火焰燃烧前后的密度。计算得到拉伸传播速度、无拉伸传播速度、层流燃烧速度和层流质量燃烧流量等参数。研究了当量比、初始温度和初始压力对2,5-二甲基呋喃/空气层流预混火焰拉伸传播速度、无拉伸传播速度、层流燃烧速度和层流质量燃烧流量的影响规律。研究了2,5-二甲基呋喃/空气层流预混火焰在发展传播过程中锋面结构的演变规律和不稳定性。研究发现,随着当量比、初始温度和初始压力的增加,火焰锋面裂纹和胞状结构逐渐增多。对比发现,在实验测量范围(R=6~25mm)内,火焰锋面出现胞状结构主要集中在高当量比、高温和高压实验条件下。还研究了不同当量比、初始温度和初始压力条件下,马克斯坦长度、密度比、火焰厚度和临界半径对2,5-二甲基呋喃/空气层流预混火焰稳定性的影响。研究了2,5-二甲基呋喃/空气层流预混火焰加速特性。研究发现,加速现象发生时刻往往处于火焰锋面已经分裂出许多裂纹,但还未形成均匀胞状结构的时刻,加速开始对应半径要小于临界半径。通过加速指数和分形超量对加速特性进行了定量分析。结果显示,当量比越大、初始温度越高及初始压力越高,加速指数和分形超量越大,火焰的加速特性越强。
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