滞止流场非均相燃烧系统及颗粒流着火特性研究

Fuel particles, especially pulverized coal, usually react in a strained flow circumstances. Exploring the ignition characteristics of uniform mono-dispersed particle-laden flow in a strained flow is highly useful to the developing of industrial combustion process, as well as the research of aerospace propulsion. This work is aimed at the experimental solution and a theoretical model which can give the detailed mechanism of this question. Based on the one-dimensional counterflow jet system, a new-style mono-dispersed particle generator will be developed, and a high-speed camera together with an ICCD camera will be used to capture and characterize the ignition process of the particle-laden flow. Then a series of experiments focused on ignition of pulverized coal will be carried out to find the regular pattern. Based on the data, a new transient ignition model considering the modification of diffusion term caused by strain rate will be developed to explain and forecast the ignition characteristics of particle-laden flows in stagnation flow.

燃料颗粒特别是煤粉的实际反应大都发生在有拉伸流场中，探索均匀单分散颗粒流在有拉伸流场中的着火特性和机理，对推动工业燃烧和污染物减排研究、发展推进技术乃至国防科技均有重要作用。本课题基于对冲射流纯一维特性及拉伸率可控的优点，通过研制均匀单分散颗粒流的产生及输运方法和装置、建立新型对冲颗粒流非均相反应可视化平台，能够精确测量和控制流场拉伸率、颗粒数浓度及质量流率，并以准稳态的来流加热条件测量颗粒着火温度，基于高速摄像技术获得颗粒着火的瞬态特性，基于像增强技术和图像统计算法获得颗粒着火的平均特性。进而以煤粉为研究对象，分别考察拉伸率对单颗粒煤及煤粉云着火特性的影响，建立拉伸流场中颗粒着火特性评价指标和方法、分析影响机理并开展模型预报。从而为改良煤粉燃烧器、提高颗粒流的稳燃性和燃烧效率提供新的视角和理论支持。

探索均匀单分散颗粒流在有拉伸流场中的着火特性和机理，对推动工业燃烧和污染物减排研究、发展推进技术乃至国防科技均有重要作用。研究发现，在有拉伸的流场中，可燃固体颗粒与气相间的非均相反应和流动扩散存在竞争作用，可使其着火特性（包括着火温度、着火模式等）相对于无拉伸流场中的情况发生重要改变。同时流场中颗粒的化学物理性质、质量流率以及数浓度对着火特性均存在重要影响。本课题基于对冲射流纯一维特性及拉伸率可控的优点，研制均匀单分散颗粒流的产生及输运方法和装置、建立新型对冲颗粒流非均相反应可视化平台，并开展了相应的实验和理论计算研究，主要成果如下：.第一是实现了具有单分散特性的固体颗粒原料制备方法。在“碰撞解聚”式颗粒发生器的基础上，采用特殊设计的旋风分离装置对解聚后的含颗粒气流进行多级连续的二次筛分遴选，开发出高效的单分散颗粒制备方法。第二是解决了对冲射流结构中煤粉云的均相引入和表征。全新设计了一种适用于含颗粒气流非均相反应的射流喷嘴，通过内部的高速旋叶碰撞弥散和薄壁均流板的流场重整作用，产生均匀弥散的含颗粒气流射流。对于射流滞止面核心区内的煤粉云，通过激光测量方法表征颗粒的粒径和数浓度分布、确定了实验工况。第三是开展了煤粉云着火实验研究，以准稳态的来流加热条件测量颗粒着火温度。第四是初步建立对冲流场中煤粉云着火的预报模型，对煤粉云在滞止流场内运动、传热和着火行为进行分析。