2024年, 第30卷, 第03期　
刊出日期：2024-06-25

  

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  基于高速摄像和激光吸收光谱的固体推进剂交变应变燃烧研究

  欧阳鉴锋, 史晓鸣, 侯凯宇, 顾明明, 周忠岳, 齐飞

  燃烧科学与技术. 2024, 30(03): 213-219.

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  针对固体推进剂燃烧特性容易受到机械应变的作用，设计开发了一套附带光学视窗的固体推进剂燃烧测量系统，并基于高速摄像以及激光吸收光谱方法，研究了机械应变对AP-HTPB固体推进剂燃速、CO_2浓度以及燃烧温度的影响.结果表明：对于静态应变条件，在-10%～10%的机械应变范围内，推进剂燃速、温度和CO_2浓度随应变量的增加而增加．其中，燃速变化范围为1.72～2.1 mm/s，推进剂燃烧温度变化范围为1 490～1 680 K,CO_2空间积分浓度变化范围为0.138～0.165 cm．对于交变应变条件，推进剂燃速变化呈现分阶段特征，即在燃烧前中期(0～1 500 ms)，平均燃速为1.926 ms左右，而在燃烧后半段(1 500～2 200 ms)，测量燃速达到5 ms左右，造成该现象的原因可能是燃烧后期推进剂在交变应变的作用下发生了整体解体．另一方面，在燃烧前半段，推进剂燃烧温度和CO_2浓度呈现周期性变化，且变化频率与交变应变相同．
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  杂化化学方法“单分子燃料”热物性参数预估方法

  张鹏勃, 沈位, 李世龙, 宋业城, 陈东平, 王昆

  燃烧科学与技术. 2024, 30(03): 220-228.

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  杂化化学方法是当前燃烧化学反应动力学建模新方法，尤其用于表征和预测多组分、复杂、真实液态燃料的基础燃烧化学特性．该建模方法主要特征之一是将实际多组分复杂燃料集总为一个“单分子燃料”(其化学式用燃料混合物的平均分子式表示)，极大简化了模型规模并提高了预测精度．然而对该类“单分子燃料”热物性参数(包括焓、熵、热容等)的准确预估及其对模型预测精度的影响尚无研究．本文采用3种预估方法，即直接替代燃料法、修正替代法和化学官能团贡献法，获得了我国航空燃料RP-3“单分子燃料”热物性参数预估数据，并讨论燃料替代组分、平均分子式等对热物性参数预估的影响，进而考察了以上方法预估的物性参数对模型预测燃料宏观燃烧特性(点火延迟时间和层流火焰燃烧速率)的影响．
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  基于共焦辐射和光学层析技术重建火焰温度场

  刘兆宇, 刘石, 张耀方

  燃烧科学与技术. 2024, 30(03): 229-238.

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  针对实际测量中设备观察口有限、对于特定位置或受背景辐射影响较大位置的温度测量问题，设计了一种共焦辐射微孔相机，将共焦技术与光学层析技术相结合，利用格林函数的双调和算子插值算法重建全场火焰温度．首先，介绍了共焦辐射微孔相机测温的基本原理，对该相机的聚焦位置及聚焦系数进行了实验标定，并用黑体炉标定了共焦辐射微孔相机的测量信号与火焰辐射强度之间的关系；最后通过层析算法和格林函数双调和插值算法对火焰温度场进行重建．结果表明：共焦辐射微孔相机测量重建结果与燃烧温度场的分布趋势大致相同，重建误差不高于10%，具有较好的灵活性和良好的抗噪性．
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  有机固体废弃物热解气掺氨预混旋流火焰结构研究

  郭怡君, 陈达南, 李兴, 李军, 赖诗妮, 黄宏宇, 小林敬幸

  燃烧科学与技术. 2024, 30(03): 239-247.

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  由于有机固废热解产生的热解气热值较低，在一些燃烧器中无法燃烧，故采用旋流和掺混无碳燃料氨气的燃烧方式，以增强热解气燃烧的稳定性并减少碳排放．采用化学发光法对火焰结构进行了实验研究，基于CCD摄像系统，获得了不同当量比和掺氨比下热解气/氨气/空气预混旋流火焰中OH*的化学发光分布．结果表明，不同类型热解气的旋流火焰形态结构差异较大；当量比增加到φ≥1时，OH*辐射强度增强；掺氨使得热解气燃烧极限范围变窄，氨气的添加不仅会抑制OH*自由基的产生，且会对火焰结构产生影响．
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  空心与实心热颗粒点燃松针燃料床实验研究

  张春寅, 王凯锋, 王苏盼

  燃烧科学与技术. 2024, 30(03): 248-254.

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  飞火颗粒点燃森林可燃物或建筑结构是导致森林大火及森林-城镇交界域大火发生的重要潜在蔓延途径．本文通过实验探究了不同粒径及不同温度下空心和实心的惰性热颗粒对松针燃料床的点火行为，得到了不同粒径实心和空心金属颗粒在不同温度下的点燃概率，并量化了与颗粒温度、直径、能量及空心率相关的点火极限．通过对颗粒有效能量的计算，探究了能量对于点燃现象的影响．本研究有助于对飞火颗粒点火机理进一步完善，对寻找影响点火行为的参数变化、构建相关理论模型、预测临界点火条件等工作具有重要意义．
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  同轴离心式喷嘴火焰结构的转变和迟滞

  杨尚荣, 李娜, 吴林龙, 王勇, 杨宝娥, 连俊凯

  燃烧科学与技术. 2024, 30(03): 255-264.

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  针对气体中心液体离心式同轴(GCLSC)喷嘴(简称为同轴离心式喷嘴)的燃烧动力学特性，开展富氧气/煤油蒸气同轴离心式单喷嘴实验研究．通过改变氧化剂喷射速度，分别获得了稳定和自发激励条件下的火焰结构、相互转变和迟滞过程．利用高速相机拍摄了火焰的CH~*自发光图像，通过离散傅里叶变换(DFT)和动力学模态分解(DMD)方法分析了燃烧流场的空间结构．研究发现：稳定燃烧时，火焰长度较长，CH~*自发光紧贴喷嘴出口，火焰结构受反应混合层流动不稳定控制．迟滞区域内，火焰出现抬升，CH~*自发光强度沿流向存在两个峰值，主导的不稳定频率较高．不稳定燃烧时，火焰长度显著缩短，且在横向扩展，沿喷嘴周向有部分火焰紧贴喷嘴出口．3种燃烧状态下，DFT和DMD方法得到的空间模态均很相近．发现了螺旋形结构的低频火焰模态，某些工况下会发生对流形式的燃烧不稳定．一阶切向不稳定的火焰模态表现为速度耦合产生的螺旋形不稳定涡结构，二阶切向不稳定的火焰模态表现为压力耦合产生的对称涡结构．
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  混氢管道小孔泄漏气体的扩散与自燃过程分析

  朱红钧, 陈泉宇, 陈俊文, 刘红叶, 李佳男

  燃烧科学与技术. 2024, 30(03): 265-276.

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  混氢天然气管道的气体泄漏扩散有别于纯天然气管道，因氢气逆焦耳-汤姆逊效应及气体泄压膨胀过程中前导激波面对空气的压缩加热作用，混氢天然气泄漏后易出现自燃现象，其扩散自燃过程与混氢浓度密切相关．利用AnsysFluent软件数值模拟了混氢天然气的泄漏扩散与自燃过程，通过对比纯氢气的泄漏扩散实验和泄漏自燃模拟结果验证了模拟的准确性．结果表明，当氢气体积分数超过30%时，泄漏气体出现剧烈的氧化还原反应并触发自燃，泄漏过程经历了膨胀增大、起旋卷曲和浮升扩散3个典型阶段．随着氢气体积分数的增大，触发自燃的空间高度、时间和温度均明显降低，高管输压力更是加快了泄漏气体的扩散与自燃进程．
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  氨气/甲烷无焰燃烧污染物生成特性的实验研究

  王志超, 谭厚章, 李宇航, 周上坤, 张波, 崔保崇, 晋中华

  燃烧科学与技术. 2024, 30(03): 277-286.

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  为了深入了解氨气/甲烷无焰燃烧的污染物生成特性，本文在改进的旋风无焰燃烧炉中通过实验研究了氨气/甲烷燃料组成、当量比(φ)、热负荷(P)以及空气预热温度(T_(in))对炉膛温度以及污染物排放的影响．研究结果表明：随着氨气热值比例的升高，炉膛温度和NO_x排放均是先升高后降低，并在中等掺氨比附近取得温度和排放的峰值．在相同条件下，纯氨和氨气/甲烷无焰燃烧都在理想当量比附近时取得最低排放．热负荷和预热温度的升高会提高炉膛温度造成NO_x排放的升高，热负荷的升高不利于控制氨逃逸，但预热温度的升高有利于降低氨逃逸．
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  障碍物长度对两相爆震起爆特性影响的研究

  王云, 于涛, 袁泽建, 张一帆, 范玮

  燃烧科学与技术. 2024, 30(03): 287-294.

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  为了探究障碍物长度对气液两相爆震起爆特性的影响，以汽油和富氧空气作为燃料和氧化剂，在使用不同长度障碍物的爆震管中进行了工作频率为20 Hz的无阀式多循环实验研究．研究结果表明，障碍物长度为管径4倍至8倍的孔板、Shchelkin螺旋、环形凹槽和螺旋凹槽均可实现爆震的起爆；增加障碍物长度可以缩短DDT距离和DDT时间；气液两相DDT过程中，火焰加速至产物声速左右，可能会马上起爆，也可能维持在产物声速左右继续传播一段距离后再起爆；在火焰达到产物声速左右的位置下游布置障碍物可以增加爆震马上起爆的概率．
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  喷嘴几何结构对涡线空化特性影响的数值模拟研究

  白天阳, 郭根苗, 管伟, 李琛, 何志霞, 王谦

  燃烧科学与技术. 2024, 30(03): 295-301.

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  为弄清喷嘴内燃油流动特性与涡线空化形态间的关系，阐明旋涡流动对涡线空化初生、发展的影响机制．本研究基于RSM湍流模型结合VOF多相流模型和修正的Zwart-Gerber-Belamri空化模型开展了不同针阀升程与喷孔高度下喷嘴内涡线空化特性数值模拟研究．结果表明：不同针阀升程下喷嘴内均产生了强烈的涡线空化，当针阀升程较低时，小尺度相干涡团加剧了喷孔内纵向涡核心区的不稳定性，影响了涡线空化形态的连续性．随着针阀升程增大，旋流区直接贯穿两个喷孔，小尺度相干涡团被抑制，喷孔内形成了稳定的强纵向涡核结构．此外，随着喷孔高度减小，喷嘴sac腔内的强烈单涡核旋流逐渐变弱，且逐步演变为反向双涡核弱旋流．
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  甲基肼-四氧化二氮气相燃烧反应机理构建及反应特性研究

  余鹏, 赵婷, 李剑锐, 施伟, 吴凌峰

  燃烧科学与技术. 2024, 30(03): 302-310.

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  基于层级结构思路构建了包含24组分和25步基元反应的自燃MMH-NTO简化燃烧反应机理Mech25.Mech25机理中MMH-NTO燃烧反应过程包括冷反应(积累热量和自由基)、着火反应(快速放热)、高温燃烧反应(反应平衡)3个阶段.反应机理包含了CH_3NHNH_2逐步脱氢反应、HONO分解反应、小分子及自由基反应与高温分解反应等.温度敏感性分析表明燃烧温度对CH_3NHNH_2与CH_3NNH脱氢反应最为敏感；热释放速率分析表明CH_3NNH与HCO的氧化反应对热释放贡献最大，而HONO分解反应吸热效应最显著，H2_O分解反应促使反应由快速放热转为平衡反应；着火延迟敏感性分析表明其对R2反应最为敏感，反应(R2)活化能值对能否发生自着火至关重要；氧燃比影响分析表明，终产物H_2O与N_2非同步达峰在近当量燃烧区域产生了温度对氧燃比变化不敏感的平台区.与已有简化机理相比，Mech25机理对MMH-NTO反应终态温度预测最为准确，其值与详细机理偏差仅为0.2%.
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  反向和同向旋流滑动弧等离子体点火助燃头部的燃烧特性

  刘磊, 胡长淮, 陈一, 屈美娇, 王宇, 许书英

  燃烧科学与技术. 2024, 30(03): 311-322.

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  非平衡态等离子体点火助燃技术是新型的燃烧调控技术．面对航空发动机燃烧室稳定燃烧的迫切需求，为发挥滑动弧等离子体技术在改善雾化、提高燃烧效率等方面的优势，搭建了航空发动机燃烧室实验平台，并开展了不同旋流方向下滑动弧放电等离子体的燃烧特性实验．实验通过采集燃烧过程OH*化学发光强度图像，着重分析了不同旋流方向滑动弧等离子体对燃烧室燃烧强度、温度分布以及燃烧效率的影响．研究表明，施加等离子体助燃后，燃烧室内的平均已燃区相对强度明显提升，且反向旋流等离子体助燃的提升效果更加明显；反向旋流滑动弧助燃的径向温度分布相较于同向旋流滑动弧助燃均匀性提升，当余气系数为2.0时，反向旋流等离子体助燃的径向温度分布系数为0.302 2，同向旋流等离子体助燃的径向温度分布系数为0.322 3；反向旋流滑动弧助燃的燃烧效率高于同向旋流滑动弧放电的燃烧效率，当余气系数为2.0时，反向旋流等离子体助燃的燃烧效率为89.56%，同向旋流等离子体助燃的燃烧效率为83.41%.