聲作用下渦與火焰耦合影響NOx生成的實驗與模型研究.pdf

1、不同聲場作用下甲烷/空氣部分預(yù)混火焰NOx生成特性尚未獲得系統(tǒng)的研究和認(rèn)識，基于渦與火焰耦合作用，分析聲參數(shù)、流場參數(shù)對部分預(yù)混火焰EINOx生成具有重要的工程價值和學(xué)術(shù)意義。
　　為了探索不同聲作用下EINOx生成特性與機理，搭建了揚聲器激勵下火焰NOx生成與動力學(xué)研究實驗系統(tǒng)，通過熱電偶測溫、火焰圖像采集與處理、PIV速度場測試、NOx測量等實驗手段，系統(tǒng)給出了流場參數(shù)、聲參數(shù)對部分預(yù)混火焰EINOx生成的影響規(guī)律，從渦的角度

2、細致地分析了影響的機理，基于渦運動理論與對流波理論構(gòu)建了聲作用下部分預(yù)混火焰EINOx生成的動力學(xué)模型。本文的主要工作和成果如下:
　　1.聲參數(shù)、流場參數(shù)對聲作用下部分預(yù)混火焰NOx生成的作用規(guī)律
　　細致分析了當(dāng)量比、二次風(fēng)流速、射流Re數(shù)等流場參數(shù)和頻率、振幅等聲場參數(shù)對聲作用下部分預(yù)混火焰EINOx生成的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn):①當(dāng)量比對EINOx的作用在4出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，當(dāng)量比小于4時，EINOx隨當(dāng)量比的增加而降低;當(dāng)量比大于

3、4時，隨當(dāng)量比的增加而趨于平穩(wěn);②二次風(fēng)流速增加使得火焰長度減小，EINOx降低;③預(yù)混氣Re數(shù)增加，使渦的作用向火焰下游轉(zhuǎn)移，對火焰影響減弱，使得EINOx增大;④頻率對EINOx的影響存在臨界頻率fc∈[170,190]，當(dāng)小于fc時，隨頻率增大，渦作用逐漸向火焰上游轉(zhuǎn)移，EINOx增大，且EINOx∝kf+b，k∈[0.01，0.03]，b∈[0.4，0.5];當(dāng)大于fc時，隨頻率增加EINOx變化規(guī)律不明顯;⑤振幅對EINOx影

4、響也存在一致的臨界頻率，當(dāng)小于fc時，隨振幅增加，渦作用逐漸增強，火焰長度明顯減小，EINOx隨之減小，且EINOx∝kA+b，k∈[-0.009，-0.003]，b∈[1，5];當(dāng)大于fc，EINOx隨振幅增加逐漸增加。
　　2.聲作用下渦與擴散火焰耦合降低NOx生成的作用規(guī)律
　　在給出聲場參數(shù)與流場參數(shù)對擴散火焰EINOx影響規(guī)律的同時，通過對流場中渦結(jié)構(gòu)的分析，細致分析了聲作用下擴散火焰內(nèi)聲與渦、渦與EINOx的關(guān)系

5、:①隨燃氣 Re數(shù)的增加，火焰長度增大，EINOx增加;②二次風(fēng)流速增加，氧化劑逐漸由足量過度至過量，反而降低火焰溫度，EINOx反應(yīng)速率加快，總量先增大后減小;③頻率對聲作用下擴散火焰EINOx的影響也存在fc的同時，還存在共振頻率，在共振頻率下火焰發(fā)生彎曲與褶皺，火焰被壓縮入燃燒器內(nèi)，EINOx明顯減小;④頻率小于fc時，EINOx隨振幅增加而減小，且滿足線性方程;但大于fc時，EINOx隨振幅增加而增大;⑤聲作用下擴散火焰EINO

6、x與火焰流場內(nèi)渦直徑和渦作用高度成正比，與渦的生命周期成反比;⑥聲振幅與渦直徑、渦作用高度和渦生命周期均成反比，且存在確定的線性關(guān)系;⑦聲場頻率與渦生命周期成正比。
　　3.聲作用下渦與部分預(yù)混火焰耦合作用降低NOx生成的動力學(xué)模型
　　基于渦運動理論，分析了聲作用下擴散火焰鋒面EINOx與渦結(jié)構(gòu)和渦運動參數(shù)的關(guān)系，并形成對應(yīng)的現(xiàn)象學(xué)模型:①隨渦直徑增大，渦旋轉(zhuǎn)速度減小，渦作用減小，EINOx增大，且EINOx∝(35dwo

7、rlex-108)/100;②隨渦作用高度的增加，渦向下游轉(zhuǎn)移，對火焰影響減小，EINOx增大，且EINOx∝(S+7)/10;③渦生命周期與EINOx成正比，隨生命周期增加，火焰停留時間增加，EINOx增大;④隨聲作用下擴散火焰投影面積、火焰表面積、火焰體積增加，NOx生成空間區(qū)域增加，EINOx增大，且100EINOx∝10Af1/2-108，EINOx∝0.076As1/2-1.08，EINOx∝0.091Vf1/3-1.08;⑤

8、通過實驗數(shù)據(jù)對上述關(guān)系模型進行驗證，誤差小于10％。
　　基于對流波理論，分析了聲作用下預(yù)混火焰鋒面EINOx生成與對流波波長和脈動振幅的關(guān)系，并形成了EINOx生成的動力學(xué)模型:①隨對流波波長增加，NOx生成的空間條件被強化，EINOx增大;②脈動位移和火焰St數(shù)與EINOx生成成反比，且EINOx∝0.3λ，EINOx∝-0.005ξ'A·St+4;③基于實驗數(shù)據(jù)對模型進行驗證，符合模型準(zhǔn)確性的要求。
　　通過比例方法耦