【摘 要】
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随着能源需求量的提高及环境问题的日益突出,为了有效降低NOx的排放水平,具有高效、低污染的贫预混燃烧技术受到青睐,但在实现过程中容易产生一个严重的问题,即诱发燃烧自激振荡,其造成的直接危害是烟气中热力型NOx含量增加和引发设备结构振动,有时甚至可能导致毁灭性的后果,严重威胁系统的安全运行,因此燃烧的自激振荡问题是贫预混燃烧技术发展中急需解决的一个关键问题。本文在实验研究的基础上针对开放空间条件下的
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随着能源需求量的提高及环境问题的日益突出,为了有效降低NOx的排放水平,具有高效、低污染的贫预混燃烧技术受到青睐,但在实现过程中容易产生一个严重的问题,即诱发燃烧自激振荡,其造成的直接危害是烟气中热力型NOx含量增加和引发设备结构振动,有时甚至可能导致毁灭性的后果,严重威胁系统的安全运行,因此燃烧的自激振荡问题是贫预混燃烧技术发展中急需解决的一个关键问题。本文在实验研究的基础上针对开放空间条件下的甲烷预混火焰热声不稳定性问题进行较为系统的研究,对燃烧自激振荡特性和驱动机理进行较为详细的分析,其主要研究成果如下:（1）针对火焰瞬态热释放率无法直接测量的特点,利用基于恒定阈值强度算法的火焰锋面程序对高速相机拍摄的图像进行火焰锋面边缘识别分析,不仅消除了火焰中的冲击噪音而且使火焰锋面与背景得到有效分割,利用形态学理论对火焰锋面面积做进一步优化处理最终得到无量纲火焰锋面面积,通过与光电倍增管测量结果进行对比,充分证实了此方法的可行性,为实现热释放率脉动的快速测量提供了一种计算方法。（2）对具有类似于亥姆霍兹谐振器行为特性的燃烧器进行热声耦合自激振荡分析,在推导过程中考虑了容器实际形状、内部气体质量以及外部气体对特征频率的影响,完善了燃烧器特征频率的计算方法,通过与特征频率经典方程进行对比后发现两者具有一定差异。针对发生燃烧自激振荡时相关参数之间的相位关系进行理论分析和实验验证,利用瑞利准则和能量平衡关系建立不稳定燃烧理论模型,结合燃烧器声学特性和火焰传递函数分析燃烧状态,理论预测与实验结果一致,验证了理论模型的正确性以及联合分析方法的可行性。（3）对具有类似于风琴管行为特性的燃烧器进行热声耦合自激振荡分析,结果显示:孔深和孔径显著影响燃烧状态,较大的孔深有较宽的能够实现稳定燃烧的谐振腔长度;孔径越大,稳定燃烧区间越大且燃烧噪音越小。通过改变流体和燃烧器头部参数研究了火焰传递函数,结果显示:相同激励频率下,平均速度越高火焰传递函数的振幅越大;当量比越接近熄火极限越容易发生燃烧振荡;孔径越大,火焰传递函数振幅的阻尼效应越强,燃烧系统抗干扰能力也越强;孔距越大,相邻火焰之间的相互作用愈弱,其振幅随频率有更快的衰减速度,火焰的低通滤波行为特性越强。根据分析结果可为燃烧器的设计和实现稳定燃烧提供参考。（4）利用类比电路法建立不稳定燃烧理论模型,结合火焰传递函数相位得到不同燃烧器头部燃烧自激振荡的频率范围。结果显示,较大孔深和孔径的燃烧器头部具有较窄的导致燃烧振荡频率区间,并相应的提出两种能够实现稳定燃烧的被动控制方法;分析了极限循环时的能量平衡关系,结合实验工况给出了计算实例,基本实现了方程封闭,揭示了能量平衡是燃烧振荡达到极限循环的原因。
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