O2/CO2气氛下燃烧诱发热声不稳定的机理研究

CO2 capture, transport and storage is an important research topic in the current energy utilization technology. The project intends to adopt the experimental study and numerical simulation method to study the mechanism of combustion induced thermoacoustic instability under O2/CO2 atmosphere, which is one of the important research contents of oxy-fuel combustion technology. The transfer function of the resonance frequency and the amplitude of the ripple of combustion induced thermoacoustic instability, f(ξO2, ξCO2, P, Sw, ε) and p(ξO2, ξCO2, P, Sw, ε), would be investigated by systematic experimental study from the concentration of O2 ξO2, the concentration of CO2 ξCO2, combustion power P, swirling intensity Sw and primary air ratio ε. At the same time, a combustion model of fully consider the higher concentration of CO2 radiation characteristics would be developed through the combining the complex chemical reaction mechanism and large eddy simulation and the improvement of traditional sub-grid-scale stress model to effectively capture fast pulse pressure wave, to reveal the internal physical chemistry mechanism of combustion induced thermoacoustic instability be excited and maintained under O2/CO2 atmosphere and ascertain the thermoacoustic instability excitation source and sustained energy transmission chain. The research results would help control the combustion induced thermoacoustic instability effectively for the theory under O2/CO2 atmosphere, at the same time provide reference to create the oxy-fuel combustion technology of China's independent intellectual property rights.

CO2的捕获、运输与存储是当前能源利用技术的一个重要研究热点。本项目采用实验研究和数值模拟相结合的方法研究O2/CO2气氛下燃烧诱发热声不稳定的机理，通过系统实验研究获得O2浓度ξO2、CO2浓度ξCO2、燃烧功率P、旋流强度Sw、一次风率ε对燃烧诱发的热声不稳定的共振频率f和脉动振幅p的传递函数f(ξO2, ξCO2, P, Sw, ε )和p(ξO2, ξCO2, P, Sw, ε )。同时将复杂的化学反应机理与大涡模拟相结合，发展一个能充分考虑高浓度CO2辐射特性的燃烧模型，改进传统的亚格子应力模型以有效捕捉快速脉动的压力波，深入揭示O2/CO2气氛下燃烧诱发热声不稳定得以激发和维持的内在物理化学机理，探明热声不稳定的激发源头和得以持续的能量传递链。研究结果对有效控制O2/CO2气氛下燃烧诱发的热声不稳定提供理论支持，同时对形成我国自主知识产权的富氧燃烧技术提供参考。

CO2的捕获、运输与存储是当前能源利用技术的一个重要研究热点。本项目采用实验研究和数值模拟相结合的方法研究O2/CO2气氛下燃烧诱发热声不稳定的机理，通过系统实验研究获得O2浓度ξO2、CO2浓度ξCO2、燃烧功率P、旋流强度Sw、一次风率ε对燃烧诱发的热声不稳定的共振频率f和脉动振幅p的传递函数f(ξO2, ξCO2, P, Sw, ε )和p(ξO2, ξCO2, P, Sw, ε )。研究结果对有效控制O2/CO2气氛下燃烧诱发的热声不稳定提供理论支持，同时对形成我国自主知识产权的富氧燃烧技术提供参考。.为研究CO2/O2气氛下旋流燃烧器的热声不稳定机理，搭建了可调型旋流燃烧器热声不稳定试验台架。旋流燃烧器采用燃料风、直流二次风、旋流二次风和高动量三次风的配风结构。试验测量了旋流燃烧器脉动压力，发现旋流燃烧器热声不稳定的脉动压力有效值可达101 Pa。化学当量比对旋流燃烧器热声不稳定的压力幅值具有一定影响，随着化学当量比的增加，脉动压力的强烈程度不断下降。而化学当量比对共振频率稍有影响，但是影响不大。此外，还考察了旋流强度、燃烧效率和系统污染物排放特性对热声不稳定特性的影响。.从甲烷燃烧反应的化学反应动力学机理出发，利用CHEMKIN软件对富氧燃烧机理进行了研究。采用计算流体力学方法研究了CO2/O2气氛下燃烧诱发热声不稳定。模拟结果较好的符合了实验结果。.燃烧不稳定是不稳定燃烧和声波扰动之间的耦合。本工作研究了物理声学扰动和不稳定燃烧之间的动态耦合，并给出了热源释热和声波扰动之间的相互作用函数。火焰的释热不稳定被假定为是由其表面面积的变化导致，而这种变化来源于火焰流速的波动。本项目采用了经典的G方程用来实时追踪火焰锋面的变化，然后采用二阶有限差分法（FD）扩展了火焰模型，最终成功获得了火焰表面扭曲的时间演化函数。线性传递函数分析表明火焰对低频声干扰有较强的响应，更为敏感。当声波扰动的振幅较大时，应使用非线性传递函数——Hammerstein–Wiener (HW)模型。得到的线性和非线性传递函数模型可以被有效的用来研究火焰与声波扰动的动态响应，从而预测这种自激振荡。为了量化这种火焰与声音扰动的动态响应函数，本项目对两者的线性和非线性火焰传递函数进行了系统辨识，并与实验结果获得了良好的符合。此外，本项目还考察了热声不稳定的控制策略。