Rijke管丙烷非预混脉动燃烧火焰结构及稳定性

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微燃烧器是微型机电系统的核心部件,但现有微燃烧器都是基于连续燃烧方式,在微尺度效应的作用下,燃烧器内易出现工作不稳定、燃烧不完全、燃烧效率和热效率低、污染物排放浓度高等问题。脉动燃烧具有燃烧效率高、燃烧强度大、传热效率高和污染物排放少等优点,或可克服现有微燃烧技术难题。在此背景下,课题组提出了一种微脉动燃烧技术概念,并通过实验验证微脉动燃烧的可行性。目前脉动燃烧器的研究多基于常规尺寸,对小/微管径脉动燃烧器运行特性认识不足。本文对直径10-25mm的小/微管径石英Rijke管进行了不同工况下的丙烷脉动燃烧实验,通过脉动声波和火焰图像高频采集的方法分析了小/微管径下Rijke型脉动燃烧的运行特性、稳定性和火焰特性。本课题的主要结论有:1、在脉动燃烧运行特性方面,内径为12.7mm的石英管烧嘴高度为60mm时,脉动燃烧运行工况可以分为低频稳定区、高频区、高次谐波区和湍动区四个区域,脉动过程中前三者能稳定持续运行,湍动区容易熄火;该管径脉动燃烧器运行过程中存在频率跳跃现象,跳频过程以“低频衰减、高频增强、频率替代”的模式完成;Rijke管脉动时高温区域集中在火焰位置,并且沿轴向温度梯度较大。2、在稳定性研究方面,绘制了不同管径不同热源高度下关于空气流量和丙烷流量的脉动燃烧稳定性运行图谱;小/微管径Rijke管内的非预混脉动火焰相位符合“瑞利准则”;小/微管径中的脉动燃烧火焰存在逆向传播、“振熄”和火焰飘离等现象。3、在非预混脉动火焰特性研究方面,Rijke型非预混脉动燃烧火焰是正弦波动的,火焰波动参数与空气流量和丙烷流量成线性关系;热源高度增加导致脉动燃烧振动强度减小。4、在外径为9.9mm的石英管中能实现脉动频率分别为360.5Hz和996.4Hz的微型预混型脉动燃烧,其能量密度可达500kW/m2。
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