采用多孔介质电极的小型燃烧器内乙醇荷电雾化及对冲燃烧特性研究

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随着人类社会的发展,对化石燃料的需求日益增加,由此造成的能源危机以及化石燃料燃烧带来的环境污染日渐加剧,探索化石燃料的替代燃料及其高效清洁的燃烧方式是人类发展的必经之路。近年来,随着荷电雾化技术的发展,其小流量、粒径小且分布均匀等特点,使得荷电喷雾燃烧成为微尺度燃烧器的新型燃烧方式,然而目前荷电雾化燃烧仍处于发展阶段,荷电雾化燃烧的机制及影响因素还需进一步研究。本文设计了金属毛细管-多孔介质的电极结构,并将之与对冲燃烧器结合,解决了乙醇荷电雾化在较大流量下,乙醇蒸发慢而造成液滴聚集在地极结构上影响火焰燃烧,以及火焰面不平整的问题。首先,在开放空间下实验分析了电极距离和电压对乙醇荷电雾化的影响以及液滴穿过多孔介质的情况。其次,实验研究了乙醇的荷电雾化在对冲燃烧器内的燃烧规律,分别从火焰形态、火焰无量纲直径和火焰温度等方面分析火焰特性,并对影响火焰特性的因素进行了讨论。最后,采用一维对冲扩散火焰模型和光学薄辐射模型对乙醇对冲扩散火焰进行模拟,分析了乙醇浓度和应变率对扩散火焰特性的影响。结果表明,随着电压的升高,在较大的质量分数下,火焰由形态Ⅰ转变为形态Ⅱ再转变为形态Ⅲ;由于热态下温度对喷雾的影响,使得一些工况下的形态Ⅲ转变为形态Ⅱ;在很小的质量分数下,火焰保持形态Ⅳ不变;由于电极距离减小导致雾滴穿过多孔介质,液滴爆燃,使得火焰由形态Ⅲ转变为形态Ⅴ。当量比对火焰形态的转变不敏感,随着电压的升高,处于富氧燃烧下的火焰温度整体上先轻微升高后降低,而处于厌氧燃烧下的火焰温度整体上先降低后升高。电压保持不变时,随着燃料质量分数的降低,火焰温度整体上先升高后降低,但在质量分数为0.045处火焰温度轻微的升高(温升幅度约50 K),接着急剧下降(温降幅度超过200 K);随着电极距离的减小,火焰无量纲直径和火焰温度先降低后升高,且在电极距离为5 mm处取得最大值。随着乙醇浓度的增加,CO和H2反应区域向燃料侧移动,火焰区域变宽,火焰温度峰值逐渐升高,升高趋势渐缓,中间产物和CO对温度敏感性的影响减弱;随着应变率的增加,自由基和CO增多,中间产物减少,组分的分布区域和火焰区域变窄,火焰温度峰值逐渐降低,中间产物和CO对温度敏感性的影响逐渐增强。
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