合成气湍流预混火焰传播特性及其稳定性研究

Study on propagation characteristic and flame stability of syngas turbulent premixed flames will be performed by using theoretical analysis, numerical simulation and experimental measurement. With the turbulent combustion experimental system established by our research group, this study will use high-speed photography and Schlieren system to analyze the effect of turbulence intensity and turbulence scale on turbulent combustion speed. The effects of chemical reaction kinetics and diffusive-thermal instability on turbulent combustion speed under different hydrogen fractions will be analyzed. The linear instability will be used to analyze the flame surface wave instability; the experimental and direct numerical simulation research will be used to study the coupled effects of turbulence, diffusive-thermal instability and D-L instability on the cellular structure development on flame surface. The coupled effects of turbulence and flame intrinsic instability on flame acceleration will the investigated used experimental method. The study of effect of turbulence and flame instability on syngas/air turbulent premixed flame propagation will be of help to improve our understanding of combustion theory, provide guidance for the cleaner and more effective utilization of syngas.

本项目采用理论分析、仿真计算和实验研究相结合的方法，开展合成气湍流预混火焰传播特性及其稳定性研究。借助定容湍流燃烧实验系统，采用高速摄影和纹影系统，研究湍流流动对合成气湍流燃烧速度的影响，揭示合成气在不同的氢气比例下，化学反应动力学作用和热质扩散不稳定作用对湍流燃烧速度的影响机制。采用线性稳定性理论，分析合成气预混火焰表面波失稳特性；通过直接数值模拟研究结合实验研究，研究湍流流动、D-L不稳定和热质扩散不稳定的耦合作用对火焰表面胞状结构演化过程的影响。采用实验研究湍流流动和火焰固有不稳定性的耦合作用对火焰加速过程的影响，探讨湍流流动和火焰固有不稳定性对火焰加速的增强幅度以及作用规律。开展不同氢气比例下，湍流流动和火焰固有不稳定性对合成气湍流预混火焰传播的影响研究对完善燃烧理论具有重要的科学意义，对实现合成气清洁高效的利用具有重要的指导意义。

合成气组分比例变化大，湍流环境下合成气预混火焰传播过程问题复杂，涉及到湍流流动和火焰固有不稳定等多因素耦合作用，本项目开展了合成气湍流预混火焰传播特性及其稳定性研究。获得了层流环境下合成气预混火焰两阶段自加速的影响规律，火焰固有不稳定性能够促使过渡阶段的比重降低、加速指数增大。明确了火焰固有不稳定性与过渡阶段加速指数的相关性，当当量比（初始压力）的变化引起热扩散不稳定性（流体力学不稳定性）发生显著变化时，加速指数随有效刘易斯数（火焰厚度）的增大而降低。明确了合成气湍流预混火焰锋面褶皱的演变规律，随着火焰的发展火焰锋面褶皱的面积非线性增长，褶皱区域在火焰锋面中所占的比重趋于稳定。揭示了合成气湍流预混火焰锋面局部褶皱均匀性变差、平均面积波动式增长是由湍流和火焰固有不稳定性引起的火焰锋面局部曲率的变化引起的。采用小波分析对合成气湍流预混火焰锋面结构进行分解，明确了不同尺度扰动对火焰锋面结构的影响规律，不同尺度扰动能量均波动式增长，小尺度扰动能量的波动程度明显强于大尺度扰动。揭示了湍流对火焰锋面结构的影响机制，湍流对大尺度扰动的促进作用相较于小尺度扰动更加明显。明确了合成气湍流预混火焰传播特性，发现合成气湍流预混火焰在传播过程中存在一定程度的相似性，随着当量比（氢气比例）的增大，无量纲湍流火焰传播速度对湍流火焰雷诺数的指数依赖降低。研究了合成气湍流燃烧速度的影响机制，无量纲湍流燃烧速度随着湍流强度的增大而增大、随着当量比（氢气比例）的增大而降低，无量纲湍流燃烧速度与Re和Da分别呈正相关和负相关。开展了湍流对合成气预混火焰锋面局部传播特性和局部结构特性时空分布的影响规律研究，揭示了火焰锋面局部结构特性对局部速度特性的影响机制，火焰固有不稳定性的影响权重是影响湍流预混火焰局部结构特性和局部传播特性相关性的重要因素。