热回流-流体回流协同作用对火焰动力学的作用机制

Heat recirculation which can increase the unburned mixture temperature and flow recirculation which can generate fluid recirculation zone have significant effect on the flame dynamics, such as the propagation characteristics and generation mechanisms of the flame behaviors. Many researchers mainly focus on the effects of heat recirculation and flow recirculation on the flame dynamics, respectively, and the combination effect of the two above effects on the flame dynamics is rarely studied. A novel combustor with a plate flame holder and preheating channels which combines the advantages of heat recirculation and flow recirculation and can expand flammable limits is developed. The present project mainly focuses on investigating the physical chemistry impact mechanism and pathway of the combination effect of heat recirculation and flow recirculation on flame dynamics (such as the flame stability, change of flame behavior and the flame flashback and blow-off mechanisms) through experiment and numerical simulation, and the productive and propagating mechanisms of the novel dynamic flame behaviors will also be clearly stated. Based on understanding the combination effect of heat recirculation and flow recirculation, we will study the effect of the ratio of heat recirculation and flow recirculation on their combination effect and then investigate the impact of combination effect on the flame dynamics via changing the geometrical size of plane flame holder and other parameters. These works not only can give theoretical basis for regulating flame dynamic characteristics, but also can give targeted suggestion and guideline for improving combustor structure and operating conditions.

热回流(可提高未燃燃料温度)和流体回流(可产生回流区)能显著改变火焰传播特性和多种火焰形态产生机制等火焰动力学特性。目前国内外主要是单独研究热回流或流体回流对火焰动力学特性的影响，对两者的协同作用机制涉及较少。本课题提出一种新颖带平板稳燃器的热回流燃烧器(有机结合了热回流和流体回流效应)，可显著拓宽火焰可燃范围。结合实验研究和数值模拟，本项目重点关注热回流-流体回流协同作用对火焰动力学特性(火焰稳定性、火焰形态转变特性、回火及熄火机理等)的物理化学作用机制，揭示该协同作用对火焰动力学的作用途径，详细阐述各种新颖动态火焰的产生及传播机制。在对热回流-流体回流协同作用机制理解的基础上，研究预热通道和平板稳燃器的几何尺寸等参数对热回流和流体回流效应的比重变化、及对两者协同作用下火焰动力学特性的影响。本项目将为调控火焰动力学特性提供理论基础，也能为优化燃烧室结构和燃烧条件提供针对性指导。

热回流-流体回流协同作用广泛存在于航空发动机等大型动力装置燃烧室内，其对火焰动力学特性有重要影响。系统阐明这一协同作用下的火焰动力学特性对于进一步提升航空发动机等动力装置燃烧室内的火焰稳定性和实现极端条件下的可控燃烧具有重要意义，这正是本项目拟解决的关键科学问题。本项目借助自主设计的带平板稳燃器的热回流燃烧器对热回流-流体回流协同作用下的甲烷/空气预混火焰动力学特性进行了较为系统的考察。研究内容包括：深入考察热回流与流体回流的协同作用机制，并研究其对火焰稳定性的影响，定量考察极端条件下的火焰形态及其形态转变特性，系统阐明极端条件下（极贫燃和极富燃）的火焰可燃极限等动力学特性，深入揭示极贫燃下的火焰稳燃与吹熄机理。结果表明此燃烧器内的火焰在极端氛围下（当量比最小值可达0.41，最大值可达1.85）依然可以保持较好稳定性。极贫燃下，火焰在吹熄之前都可保持稳定对称形态，在刘易斯数为1下发现了火焰反常移动和反常吹熄现象；极富燃下，雷诺数较大时火焰在吹熄之前会出现震荡火焰，雷诺数较小时火焰一直保持稳定直至吹熄，此时不仅发现了火焰反常移动和反常吹熄现象外，还发现了一种新的火焰吹熄模式--即火焰低速吹熄。另外，我们发现火焰根部和顶部的锚定机制不同，火焰根部的锚定主要归因于稳燃器后的较高当量比（较好的混合条件）和回流区/低速区（较好的驻留区域），而火焰顶部的锚定主要归因于燃烧室内壁面附近的低速区和火焰-壁面耦合作用。此外，我们通过实验和数值模拟对极贫燃下的火焰吹熄机理进行了研究，结果表明雷诺数较大时（≥100），左右两侧火焰锋面先相互靠近并发生夹断现象，夹断后生成的下游部分火焰被吹出燃烧室，上游部分火焰向上游移动并最终在火焰稳燃器附近熄灭。当雷诺数较小时（<100），火焰吹熄前会发生较长时间的上下震荡，最终火焰根部向下游移动，而火焰顶部基本保持不变，最后火焰越来越小在燃烧室内熄灭。分析表明这主要是由局部火焰燃烧速度与来流速度的不匹配导致的。这些结果拓宽和加深了我们对极端条件下火焰动力学的认知，对调控极端条件下的火焰燃烧特性提供了理论基础。相关结果在国际一流SCI期刊上发表论文12篇，其中在Combustion and Flame上发表2篇，在Physics of Fluids上发表1篇（并被选为亮点文章）；在中文核心期刊《燃烧科学与技术》上发表论文1篇。