热伴流稀释液雾射流燃烧的实验和理论研究

This research project is aimed to study the reaction zone's characteristics and the main influencing factors and regulations of the MILD combustion of liquid fuels by means of experiment and numerical calculation, based on spray jet combustion in a diluted hot coflow. The PDA and PIV method will be used to measuring the size distribution and velocity distribution of jet droplet, and the regulations of fuel jet atomization parameters in coflow with different working parameters and coflow parameters will be also studied, and the result will be used as the boundry condition of numerical simulation in the further research. The flame lifting height, concentration of main component and temperature distribution will be measured by Raman-Rayleigh scattering and NO-LIF measurements, the gas velocity field and coupled space distribution of flame components will be measured by PIV and OH-LIF to study the flame structure and its mainly influencing factors with the combination of theoretical analysis and numerical calculation. The main factors affecting the flame lift-off height of liquid fuel will be analyzed and the relationship of criterions established. Besides, the jet atomization parameters, coflow components, the spatial distribution of temperature and speed, and pollutant formation will be discussed to build the two-phase turbulent liquid spray burning flamelet model by numerical simulation. Thus, all the results will promote the basic and applied research on MILD combustion of liquid fuels, and support the industrial applications of flameless combustion of liquid fuels.

以液体燃料MILD燃烧为研究目标，以热伴流稀释液雾射流燃烧为研究平台，通过实验和数值计算等手段对其反应区特征及其主要影响因素和规律进行研究。采用PDA和PIV测量射流液滴的粒径分布和速度分布，研究热伴流中燃料射流的雾化特性参数随射流工况参数和伴流参数的变化规律，构建理论模型，将其作为后续研究的边界条件。采用拉曼－瑞利散射及NO-LIF测量火焰的抬举高度、主要组分的浓度及温度分布，采用PIV及OH-PLIF测量气相速度场和火焰组分耦合的空间分布，结合理论分析和数值计算，研究火焰结构及其主要影响因素。分析影响液体燃料射流火焰的抬举高度的主要因素，建立准则关系。分析射流雾化参数、伴流组分、温度和速度对空间温度分布、NOx等污染物生成的影响规律，通过对实验进行数值模拟，发展湍流液雾两相燃烧火焰面模型。以此带动液体燃料MILD的相关基础及应用研究，为液体燃料无焰燃烧技术的工业应用提供科技支撑。

本项目通过实验与理论分析并结合数值计算，研究了热伴流稀释液雾射流燃烧反应区特征参数的变化规律及主要影响因素。系统地实验研究了影响液体燃料射流雾化特性的主要因素及其作用规律，构建了液体燃料射流破碎和雾化的理论模型。进一步开展了热伴流液体燃料射流火焰结构的实验研究，分析了射流雾化参数、伴流参数对火焰结构特征影响的规律。围绕热伴流射流燃烧实验工况开展大涡模拟研究，从而完善和发展湍流液雾两相流燃烧火焰面模型。本项目完成了稀释热伴流中液体燃料射流的火焰结构、稳定与着火机制的科学研究，探索主要影响因素和规律，完善和发展了新的数学模型。针对伴流参数、射流雾化参数、主要组分平均浓度、混合物分数及方差、平均速度以及雷诺应力等在射流火焰不同截面上的分布特性对射流着火及燃烧过程的影响及其规律进行了深入探讨，并由此建立系统的实验数据表。通过对热伴流液雾射流火焰特征演变过程中的机理进行详细研究分析，以此为基础总结出实现液体燃料无焰燃烧所需的技术要求和方法手段等，并且对无焰燃烧机理进一步分析与总结，以此带动液体燃料MILD燃烧的相关基础及应用研究，为液体燃料无焰燃烧技术的工业应用提供科学指导和支撑。