近熄火极限条件下基于基元反应与热质扩散耦合诱导的振荡熄火机理研究

The near-extinction-limit flame oscillation induced by the coupling of multi-timescale elementary reactions and thermal/mass diffusions is an important inducement for extinction. However, insufficient cognition about the oscillatory extinction mechanism restricts deep enough understanding of the extinction process, as well as the development of stable and efficient combustion facilities. This project is intended to study the oscillatory extinction mechanism of the spherical diffusion flame, by experiments, CFD numerical modeling, and computational flame diagnostics. First, on the basis of CFD modeling results of the spherical diffusion flame, the Computational Singular Perturbation (CSP) computational diagnostic method will be used to make the “oscillatory mode” decoupled from the complex coupling system. Then, the “oscillatory mode” will be analyzed to reveal the controlling physicochemical processes of elementary reactions and thermal/mass diffusions underlying the “oscillatory mode”. Next, the oscillatory extinction mechanism of the spherical diffusion flame will be clarified by analyzing the coupling relationship of the controlling physicochemical processes, on the basis of CSP analysis and unsteady CFD simulation results. This study is expected to make a contribution to the extinction theory. In addition, this study would also be valuable in terms of theoretical reference for the developments of safe, efficient, and low-emission combustion facilities, as well as studies of extinction control and fire safety technologies.

近熄火极限条件下由多时间尺度的基元反应与热质扩散耦合作用所诱导的火焰振荡，是导致熄火的一种重要诱因，但是，对振荡诱导熄火机理认知的缺乏制约了人们对熄火过程完整深入的认识，以及稳定、高效燃烧设备的开发。本项目拟以球形扩散火焰为切入点，采用实验、CFD仿真和燃烧数值诊断分析相结合的方法，对振荡熄火机理开展研究。首先，在球形扩散火焰CFD仿真数值解的基础上，拟采用计算奇异摄动(CSP)数值诊断方法，将“振荡模式”从复杂的耦合系统中解耦出来，并对“振荡模式”进行诊断分析，以揭示控制“振荡模式”的关键基元反应和热质扩散等物理化学过程。然后，再结合CSP方法和瞬态CFD仿真结果，对关键物理化学过程之间的耦合关系进行分析，最终阐明球形扩散火焰振荡熄火的形成机理。研究成果有望丰富和完善熄火理论，并且，对于发展安全、高效和低排放的燃烧装置，以及熄火控制与火灾安全技术的研究，均具有很好的理论参考价值。

振荡熄火是由于基元反应与热质扩散过程在一定的频率、相位耦合作用下，火焰经周期性增幅振荡演变至熄火的现象，它存在于内燃机、燃气轮机与航空发动机等各类燃烧动力装置中，是导致熄火的重要诱因，因此研究振荡熄火机理对于全面认识燃烧过程的熄火特征、以寻求高效可靠的燃烧稳定手段，具有重要意义。传统研究认为熄火是由稳定燃烧向熄灭突变的过程，而实际熄火过程应是一个动态振荡的变化过程，并且振荡可能会导致实际火焰在临界稳态熄火点之前演变至熄火，这与传统认知有显著差异。因此，只有从振荡的角度出发，才能更好地揭示实际熄火过程的机理及控制因素。. 本项目以球形扩散火焰为切入点，通过实验与CFD方法系统地研究了近熄火极限条件下的振荡行为特性；并且，基于计算奇异摄动(CSP)理论，构建了化学爆炸模式分析(CEMA)与振荡模式分析(OMA)方法，较好地解决了以下两个关键科学问题：(1)基于“爆炸因子EI”、“分岔因子BI”等，定量表征了各变量以及各基元反应和热质扩散过程对振荡熄火的重要性，从而确定出起控制作用的关键过程；(2)对关键基元反应与热质扩散过程之间的频率、相位耦合关系进行分析，深入阐明了振荡熄火的形成机理。. 研究发现：冷焰具有比热焰更复杂的火焰结构、更宽的熄火极限、更复杂的动力学特性；化学爆炸(CEM)模式的出现，可作为判断局部熄火位置的严格判据；近熄火极限条件下CEM模式的特征值为虚数，表明普遍存在着燃烧振荡现象；热焰的振荡熄火具有单频特征，而冷焰振荡具有双频特征；热焰的振荡熄火由混合传输与化学反应之间的耦合作用所致，而冷焰的振荡熄火由低温链分支与终断反应之间的竞争关系所致；热焰与冷焰熄火极限的主导控制因素截然不同。. 本研究揭示了振荡熄火机理，丰富、完善了熄火理论；研究成果对于燃烧系统的熄火控制与稳定运行，发展安全、高效和低排放的燃烧装置，以及火灾防治等均具有较好的理论参考价值，应用前景广阔。