低速过滤燃烧火焰锋面倾斜和热斑的非稳定性和动力学研究

在低速过滤燃烧过程中，火焰出现倾斜和热斑是两种常见的非稳定现象，也是严重阻碍过滤燃烧技术在工业中广泛应用的瓶颈问题。采用高速摄影与传统测试相结合的实验研究，通过二维双温模型和与层流火焰理论类比的理论分析，并进行倾斜和热斑的多维数值模拟，研究火焰倾斜和热斑的非稳定性和动力学特征，揭示火焰倾斜和热斑的动态形成过程、演化规律，探明热斑与多孔介质填充床非均匀性的依存关系，阐明工作参数，如流速、当量比，多孔材料的性质和规格，以及燃烧器的宏观尺寸对倾斜和热斑的影响，建立倾斜和热斑的准则数，形成比较系统的低速过滤燃烧火焰倾斜和热斑的非稳定性和动力学理论，为实现预混气体多孔介质中稳定燃烧和抑制火焰失稳变形奠定理论基础。

利用高速摄像机和传统的测试技术，通过二维双温模型，研究了低速过滤燃烧火焰的不稳定性和动力学行为。. 搭建了低速过滤燃烧实验台，对甲烷/空气的预混气体和氢气/空气的预混气体在多孔介质中燃烧的火焰面不稳定特性进行研究。对火焰面的形状和发展，以及细微动态演化过程进行了详细的观测和记录，同时，对燃烧器内的温度分布,烟气和污染物排放做了分析。结果表明，当量比、气体入口流速和小球直径等对火焰面的特性有很大的影响。对甲烷/空气预混气体，在内径为61mm的石英玻璃管内，在气体入口流速为0.42m/s和当量比为0.42-0.48的范围内，观测到初始对称的平火焰，逐渐出现了小的倾斜角度，其倾斜角度不断增大，直到出现裂口，并且最终分裂为两个部分。同时，实验中观测到了熄火、S形的火焰。对丙烷/空气预混气体，在当量比为0.2-0.5的范围内，观测了火焰的非稳定性。通过实验氧化铝小球堆积床内贫氢气/空气预混气体过滤燃烧不稳定性，这些不稳定性包括顺流式过滤燃烧波火焰面倾斜，随机分布的热斑，以及逆流式过滤燃烧波跳跃式传播不稳定性。实验结果还扩充了文献中热斑不稳定性现象发生的实验参数范围。. 为了理论分析火焰面的倾斜演变，并从温度场、气体流速场、压力场三个方面对火焰面出现倾斜演变的现象进行分析。另外，运用热质交换理论分析了生成热斑的机理，这表明传统的体积平均处理的数学模型不能再解释热斑现象。. 建立了多维双温模型，对低速过滤燃烧火焰面倾斜不稳定性动力学因素进行数值预测，研究了实验工况参数(如当量比，入口过滤速度)对火焰面倾斜不稳定性发展规律的影响，另外，确认多孔介质内局部孔隙率结构的不均匀性、初始预热段预热不均匀性等因素对燃烧波产生的扰动能够导致火焰面倾斜不稳定性的发生。模型成功地预测了火焰的演变，形态和特征倾斜。