管道内合成气-空气预混火焰传播不稳定性的动力学机制研究

Syngas is the main product of coal gasification as a clean technology. And it has extensive applications in industry. But as one kind of flammable gas, it is prone to cause fire and explosion. The duct is precisely the area where accident always occurs. However, the mechanism of flame propagation of syngas in the duct is still not clear, which brings great difficulty to the development of relevant safety technology. Accordingly, we intend to use syngas-air mixtures to investigate the propagation instability of flame in the duct, especially the transformation conditions and critical characteristics of two types of tulip structures. Then the following deformation and movement of tulip structures will be observed, which can extend the knowledge of multiple stages and features of early flame propagation. In the meantime, the coupling effects of hydrodynamic instability and diffusive-thermal instability on flame behavior will be scrutinized quantitatively with different flame thickness and global Lewis numbers by changing the initial pressure or adding helium/argon in the mixtures. Additionally, the chemical kinetics will also be emphasized. The important interaction between chemical reaction, flame, flame-induced flow and pressure wave will be explored. Based on above work, finally a prediction model of premixed syngas-air flame propagating in the duct will be established. And the dynamic mechanism and critical criterion of instability during flame propagation will be revealed and elucidated. This work can provide scientific details to promote the safe utilization of syngas.

合成气是洁净煤技术中煤气化的主要产物，在工业生产上具有重要的用途；但它是可燃气体，容易引发火灾和爆炸。管道就是其事故高发区域。但目前合成气预混火焰在管道内的传播机理尚不清晰，给相关安全防控技术的开发带来困难。本项目首先研究管道内合成气-空气预混火焰不稳定行为，特别是两种郁金香结构相互转化的条件及临界特征，并进一步考察郁金香结构继续变形和传播规律，拓展对火焰传播初期阶段及其特征现象的认识。同时，通过控制初始压力或氦气/氩气稀释的方法，改变火焰面厚度和体系路易斯数，定量研究水力学和热-扩散不稳定性对火焰形变及传播行为的耦合作用机理；并引入化学反应动力学这一重要影响因素，剖析火焰化学反应过程及其与火焰、火焰诱导流场和压力波运动的相互作用机制。最后，基于上述研究建立管道内合成气-空气预混火焰传播预测模型，揭示火焰传播不稳定性的动力学机制和临界判据。本项目研究成果可以为合成气安全利用提供科学指导。

合成气是洁净煤技术中煤气化的主要产物，在工业生产上具有重要的用途；但它是可燃气体，容易引发火灾和爆炸。管道就是其事故高发区域。本项目首先研究了狭长封闭管道内的预混火焰传播过程，发现除了经典郁金香结构和变形郁金香以外，还存在新的火焰发展阶段，包括拉伸郁金香火焰、T型火焰、二次指尖火焰和平面火焰等，并伴随着剧烈的速度和压力脉动。在当量比接近1的合成气-空气火焰后期还会形成云状火焰或胞格火焰等特征结构。合成气中氢气含量越高，火焰传播过程越剧烈。在不同的初始压力范围，火焰呈现出三种不同的超压动力学机制。通过理论计算可获得指尖型火焰触壁时所产生压力波的运动轨迹，从而掌握压力波与火焰相遇的时刻和位置，结果证实，压力波并不是郁金香火焰形成的主导因素，但压力波与火焰相遇会显著改变火焰及其诱导流场结构，加速火焰传播，增强反应热释放。通过计算Froude数掌握了浮力效应对火焰传播的影响机制和临界判据。热-扩散不稳定性随着合成气中氢气含量的升高而增强，有助于形成胞格火焰等复杂结构。随着当量比趋近于1.0，火焰面厚度会明显下降，水力学不稳定性随之增强。添加氮气和二氧化碳等抑制剂的实验进一步表明，增加火焰面厚度能够提高火焰稳定性，抑制火焰形变、传播和超压变化。进一步完善了高压反应动力学模型HP Mech，从而明晰了合成气-空气火焰的主控基元反应，并计算了层流火焰速度、点火延迟时间和组分浓度分布等关键参量。从燃烧反应动力学以及热力学的角度，剖析了氮气和二氧化碳对火焰的抑制机理。在上述基础上，建立了耦合HP Mech及增厚火焰模型的火焰传播及突变CFD数值模型。数值模拟可以较准确地还原火焰传播过程的形态变化，包括本研究发现的新阶段；也能较好地反映管道内的超压脉动。最终利用该CFD模型，对火焰传播过程及机理进行了深入的分析，进一步明确了压力波与火焰的作用机制，并与上述实验和理论分析结合，提出瑞丽泰勒不稳定性是火焰特征现象背后的内在动力，获得了火焰突变的临界参数。