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煤层气空气预混层流火焰特性试验

煤层气空气预混层流火焰特性试验

农业机械.学报2009生

图1试验系统示意图

Fig.1Experimentalset-up

1.高压气瓶组2.减压阀3.高精密数字压力表4.火花塞

5.电荷放大器6.数据采集器7.计算机8.高速摄影仪

9.时序同步电路10.点火系统11.压力传感器12.定容燃

烧弹

大MRELGroupofCompanies生产的TSHRCS型

高速摄影仪,最高拍摄速度为100000fps。燃烧压力

采集系统由KISTLER的6117BFDl7型压电传感

器和DEWE2010型高速数据采集器组成。煤层气一

空气混合气由甲烷、二氧化碳、氮气和氧气4种气体

配制,利用数字压力表测量每种气体的分压,根据气

体的分压定律配制不同燃空当量比的混合气。主要

试验条件如表1所示。

表1主要试验条件

Tab.1Mainexperimentalconditions

参数数值

当量燃空比口

初始压力po/kPa

初始温度1’o/K

煤层气0组分(简称:CBM0)煤层气1组分(简称:CBMl)煤层气2组分(简称:CBM2)

0.8~1.2

300~600

298

100%CH<

70%CH+。10%C02,20%N250%CH4,20%C02,30%N2

2计算方法

根据采集的数字图像可得出火焰半径,由于已知拍摄每帧照片的时间间隔,而摄影仪上的起始帧即为电极跳火时刻,这样就可以求得火焰半径与时间的关系,进而得到火焰传播速度与时间以及与火焰半径的关系。

火焰传播速度为。一.’

s;=警(1)式中R——火焰半径f——时间

层流燃烧速度S。的表达式为[8】

s6='p(2)式中氏——未燃气密度舶——已燃气密度

m由混合气初始状态决定,即可由燃烧系统的准维双区燃烧模型[9]计算获得。3试验结果与分析

3.1燃空当量比对煤层气燃烧的影响

图2是初始压力为300kPa、燃空当量比为1时,CBMl一空气层流火焰传播过程。从第一张照片中可以清晰看到点火电极,刚开始电极周围形成绿色离散的光团,这就是跳火瞬间,然后光团凝聚,颜色变亮,可认为此刻燃料着火,随着火焰的传播,光团呈近似球形逐渐向外扩大,大约在50ms时,火焰几乎圆满地占据了整个定容弹,此时火焰中段呈大面积亮白色,边界呈黄色,最外层呈红色,清晰的表征了火焰温度梯度场。由此可见,煤层气具有良好的可燃性。

图2CBMI一空气层流火焰发展过程Fig.2FlamedevelopmentprocessofCBMl一airmixture图3是初始压力为300kPa,不同燃空当量比时,CBMl~空气混合气的燃烧压力变化曲线。由图可知:①=1.1时,燃烧最高压力值最大,这是因为此时为燃料稍浓时,化学反应存在不完全性以及燃烧产物的离解和二次反应等因素,导致偏富氧时燃烧速度快。垂=1和西=0.9时,燃烧最高压力值略低,并且二者燃烧压力较接近。西=1.2和西=0.8时,即浓混合气和稀混合气时最高燃烧压力较低,这是因为稀混合气单位容积内可燃混合气量减少,化学反应速率降低所致,而浓混合气是由于单位容积内氧气量减少,化学反应速率降低所致。

2Ioo

臭2000

.R

攫1900

皤1800

图3最高燃烧压力随燃空当量比变化曲线“Fig.3Variations

ofmaximumcombustionpressure

withdifferentequivalenceratios

图4是初始压力为300kPa,不同燃空当量比时,火焰传播速度随火焰半径的变化曲线。可以看出:在点火初期不管燃料与空气配比如何,其火焰传播速度相差都不大,燃烧情况比较接近,但随着火焰半径的增大,燃空当量比与化学当量较接近时,火焰传播速度较大。①=1.1时火焰传播速度最大;而混

煤层气空气预混层流火焰特性试验

合气过浓或过稀时火焰传播速度明显降低,这是因

第8期部斌等:煤层气一空气预混层流火焰特性试验

为无论是过剩的空气还是过剩的燃料都不能再继续燃烧。反而在升温时要吸收热量,从而降低了火焰的传播速度。

O.8O.91.01.11.2

煤层气空气预混层流火焰特性试验

火焰半径/mm

图4不同燃空当量比时火焰传播速度

随火焰半径的变化曲线

Fig.4

Variationsof

laminarflamespreadvelocitywithflameradius

at

variousequivalenceratios

图5是初始压力为300kPa,不同燃空当量比时,层流燃烧速度随火焰半径的变化曲线。由图可知:燃空当量比与化学当量较接近时,火焰传播速度较大,西=1.1时层流燃烧速度最大;而混合气过浓或过稀时层流燃烧速度明显降低。对一定燃空当量比的混合气,其层流燃烧速度随火焰半径的增加而缓慢增加,但当接近其最大火焰半径时,层流燃烧速度会迅速降低。这是因为随着火焰半径的增加,已燃混合气质量增加,未燃混合气受已燃混合气的压缩后,其压力和温度逐渐增加,未燃混合气压力增加使层流燃烧速度减小,而未燃混合气温度升高使层流燃烧速度增大,在未燃混合气压力和温度变化两者的共同作用和影响下,使得层流燃烧速度表现出缓慢增加但变化不大的趋势。但当火焰半径增加至接近定容弹壁面时,燃料已基本燃烧完,同时已燃区传给壁面的热量增加很快,因而已燃区温度下降很快,所以燃烧速度也由原来的缓慢上升趋势变为迅速下降趋势。

3.2初始压力对煤层气燃烧的影响

图6是初始压力为400kPa,燃空当量比为1时,CBMl一空气层流火焰传播过程。刚开始电极周围形成淡绿色离散的光团,然后光团凝聚,颜色变

燃空当鼍比0.8

燃空当量比0.9燃空、’量比1.0燃空、’量比1.1

燃窄当量比1.2

火焰中径_/mm

图5不同燃空当量比时层流燃烧速度

随火焰半径的变化曲线

Fig.5

Variations

oflaminarburningvelocitywithflame

radius

at

variousequivalenceratios

亮,随着火焰的传播,光团呈近似球形逐渐向外扩大,大约在40ms时,火焰几乎圆满地占据了整个定容弹,此时火焰中段呈大面积亮白色,边界呈黄色,最外层呈红色。清晰的表征了火焰的温度梯度场。与初始压力为300kPa时对比可得,随着初始压力增加,煤层气的燃烧更剧烈,火焰性能也随之增加。

图6CBMl一空气层流火焰发展过程

Fig.6

FlamedevelopmentprocessofCBMl-airmixture

图7是燃空当量比为0.8,不同初始压力时,CBMl的最高燃烧压力变化曲线。结果表明,混合气的初始压力对最高燃烧压力影响很大,随初始压力的增大,最高燃烧压力显著增加。

重R

出璎蓑姆皤

初始压力/kPa

图7最高燃烧压力随初始压力的变化曲线

Fig.7

Variations

of

maximumcombustion

pressure

withdifferentinitial

pressures

图8和图9是燃空当量比为0.8,不同初始压力时,CBMl的火焰传播速度和层流燃烧速度随火焰半径的变化曲线。结果表明:火焰半径小于

40

mm时,随着初始压力增加,相应的火焰传播速度

和层流燃烧速度反而减小,这是因为压力增加,离解作用减少,较少的离解作用导致活性根的减少,使层流燃烧速度下降。当火焰半径大于40mm后,层流

火焰半径,mm

图8不同初始压力时火焰传播速度随

火焰半径的变化曲线

Fig.8

Variationsoflaminarflamespreadvelocity

with

flameradius

at

variousinitial

pressures

0864

2O

lO0OO趟磺爨啦磐≮

0OOO

煤层气空气预混层流火焰特性试验

煤层气空气预混层流火焰特性试验

煤层气空气预混层流火焰特性试验

煤层气-空气预混层流火焰特性试验

作者:郑斌, 刘永启, 李萍, 刘瑞祥, 高振强, Zheng Bin, Liu Yongqi, Li Ping, Liu Ruixiang, Gao Zhenqiang

作者单位:山东理工大学交通与车辆工程学院,淄博,255049

刊名:

煤层气空气预混层流火焰特性试验

煤层气空气预混层流火焰特性试验

农业机械学报

英文刊名:TRANSACTIONS OF THE CHINESE SOCIETY FOR AGRICULTURAL MACHINERY

年,卷(期):2009,40(8)

引用次数:0次

参考文献(9条)

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http://www.wendangku.net/doc/cc574cd084254b35eefd345f.htmlw C K.Kwon O C Effects of hydrocarbon substitution on atmospheric hydrogen-air flame propagation 2004(8)

9.廖世勇.井明科.程前.黄佐华.蒋德明乙醇-空气预混层流火焰特性的试验研究[期刊论文]-内燃机学报 2007(5)相似文献(0条)

本文链接:http://www.wendangku.net/doc/cc574cd084254b35eefd345f.html/Periodical_nyjxxb200908005.aspx

下载时间:2010年4月20日