卧式柴油机喷雾燃烧器的燃烧特征基于多元相关分析低压室

文摘

目前,低功率燃烧器的燃烧问题广泛用于紧急和炉子加热高原逐渐吸引了人们的注意力。燃油喷射压力、进气流量、空气分布调节系数,分别考虑和环境压力,然后是四个因素和六个级别的一个统一的试验研究与可调低压室进行了大气压力。火焰形态、火焰温度,没有排放了,和每个独立变量的相关性进行了分析。此外,燃烧的液滴群与ANSYS的模拟数值计算获得流利。结果表明,低压环境有一个负相关的最大宽度和位置的火焰,火焰上升的特点,没有发射。风量确定火焰的长度,和大气压力和燃油喷射压力确定火焰的最大宽度。水平喷射火焰的形状在高原环境中更依赖于调节风量。为了减少不排放在高原环境下,可能需要维持一个大型空气供给数量和适当降低燃油喷射压力。在微观层面上的液滴燃烧,改变宏观机制在不同sub-atmosphere火焰形状进行了分析。火焰形态变化的机制在高原环境中增加液滴燃烧的时间和路径。 The adjustment of flame under sub-atmospheric pressure through the change of operating parameters is essential to improve the burning rate of droplets.

1。介绍

低功率燃油燃烧器广泛应用于各种化学加热和传热设备(1,2]。目前,总有一些问题,如燃烧不足、高污染物排放和低效率的应用高原环境。特别是在中国,青藏高原,世界上最大的高原。我们都知道,主要变化在高原环境中大气压力下降(3]。在大气压力降低,氧含量减少相应的(4),这将导致燃料燃烧的化学反应机理的变化在低压和低氧环境中,并最终导致火焰形态的变化(5),火焰温度(6),和污染物排放7]。燃烧器的操作参数的影响和大气压力变化在高原环境对小型柴油燃烧器的燃烧特性很复杂,尤其是对不同大气压力在不同的海拔。

长期以来,学者们一直深入研究垂直喷射的火焰气体燃料在低大气压力(8- - - - - -12]。液体燃料燃烧行为在大气压力降低,大气压力的影响在池火灾的扩散特征首先是调查(13]。发现大气压力低于0.08 MPa时,火焰温度的最高价值是远离燃烧器出口的减少压力。标准的液体燃料燃烧实验完成后通过小型直升机携带的移动实验室(14]。燃烧室尺寸是6米(L)×2.8米(W)×2.1米(H)米,高度是400米的范围内(97 kPa) 3000 (71 kPa)。实验结果表明,该燃烧率下降而减少环境压力。学者进行了一个类似油盘火燃烧实验比较在高海拔15,16),实验结果验证了液体燃料的火焰高度增加而增加的高度。对火焰温度,大多数学者认为,低压条件将导致气温上升在一些火焰地区(17- - - - - -19),这也将导致污染物在一定程度上的增加。一些学者还发现,火焰的温度n庚烷在4250米的高度略高于低海拔(20.]。对于燃料燃烧器,其操作参数主要包括燃油喷射压力(21),风量(22),空气分布条件系数(23)等有重要影响火焰的燃烧特性。然而,这些操作的影响参数对火焰的燃烧特性在低压环境中已经很少报道。此外,在低压环境中,污染物的排放也需要专注。在低压环境中,由于大气压力减少氧含量可能最终会导致不合格的污染物排放(24]。

本文实验研究了不同操作参数和大气压力。分析了火焰形态图像处理方法和污染物排放被烟气分析仪取样。火焰轨迹上的温度分布测量的热电偶和热像仪。主要和次要的操作参数对燃烧的影响在高原环境中。喷射火焰的燃烧机理,在高原环境下从液滴燃烧的角度解释。具有重要意义的控制燃烧器的火焰温度和在高海拔环境中。

2。实验装置和方法

2.1。实验设备

低压室已成为主要手段模拟不同sub-atmospheric压力环境(25,26]。摘要燃烧实验都是在低压室进行。比较与当地大气压力(昆明,中国,0.08 MPa)表明,低压室是可行的。整个实验装置的原理图如图1。

实验中,意大利利雅路40-G5型燃烧器是固定的实验箱,放置在一个低压室(3米(长度)×2.5米(高度)×3 m(宽度))。图2展示了主要的三维配置燃油燃烧器。这个低压室可调压力范围是0.045 - -0.10 MPa。图像是广泛用于火焰形态的观察27]。高清摄像头用来记录火焰在低压室。0柴油用于燃烧。为了监测污染物排放,烟气分析仪的探针插入烟气出口,和数据传输到数据采集系统。这些仪器和设备的实物照片外室图所示3(一个)。此外,我们利用称重法监测燃料消耗。热电偶是固定在开幕式后侧壁的实验箱。和热电偶的位置可以上下调整根据实验情况,测试火焰的温度轨迹。

录像,选择索尼HDR-CX360E摄像机和ThermaCAMTMS65,位于1.2米远的地方,火焰中心轴,如图3。相机记录每秒25帧大小为1920×1080像素像素。Therma-CAM记录50帧每秒,精度±2°C。6热电偶组成的热电偶树(K类型)的直径0.5毫米沿着轴向中心线安装,用于热像仪的标定。热电偶校准后也使用。

2.2。实验设计与分析

风量的调整通过控制阻尼器的风扇,和空气分布的比例是通过调整空气分布的系数调整。因此,本文中的均匀实验设计有四个因素:燃油喷射压力,节气门打开,空气分布调节系数,和大气压力。由于大量实验的因素和水平,采用均匀实验设计方法。均匀设计实验是实验设计方法只考虑统一色散测试范围内的测试点(28]。如果有4因素在这个实验中,6水平为每一个因素,总共6⁴(1296)实验需要安排。然而,均匀实验设计只需要这6组实验。均匀实验设计如表所示1。

均匀设计的实验方案,准确地说,只有少数的实验需要获取每个因素对因变量的影响程度。然而,统一的实验的数据处理过程是比这更复杂的综合性实验和正交实验,这就需要相关和多元回归分析29日]。

皮尔森相关系数是用来分析各自变量与因变量之间的相关性。皮尔逊相关系数越接近1或−1,相关性越强,和相关系数越接近0,较弱的相关性。通过估计协方差和标准偏差的样本,皮尔森系数( )的样本可以获得:

在哪里指的是独立的变量, 指的是因变量,指数 代表了样本数量。

2.3。数值方法

火焰变化的宏观法律可以从实验数据获得。然而,这并不足以解释变化的机制简单地通过实验。所以,数值计算的调查是必要的。虽然大多数的其他方法依赖于持续的欧拉公式和拉格朗日描述的拉格朗日)(分散阶段,假设概率密度函数(PDF)方法是基于Lagrangian-Lagrangian描述。棱纹平布等。30.- - - - - -32]研究了湍流扩散火焰的一个假定的PDF模型在一个封闭的cyclone-chemical互动,发现这个模型有一定程度的准确性。PDF燃烧模型不同于有限速率模型;它不解决传输方程为每个组件。但表面火焰法(即。,mixing model that is burning), or to chemical equilibrium calculation process, it has limited advantages over rate model. This model uses a mixed fraction (Mixture Fraction) theory, to simplify the problem of mixing problems, to avoid blocking, understand the difficulties of nonlinear equations of reaction rate, and reduce the computational expense.

在这篇文章中,没有必要分析火焰漩涡的精细结构,但要解释的宏观变化火焰喷在高原环境下从液滴群的角度燃烧。因此,基于跑湍流燃烧的计算进行了方法和非预混气体平衡化学反应。

对于两相燃烧不稳定,控制方程的液滴表面应该如下:

在上面的公式中,是水滴的垂直速度;是温度;是压力;是密度;是质量分数;扩散系数;液滴半径;动态粘滞度;热导率;液滴汽化潜热。其中下标:指液体;是指蒸汽;和分别指的是法线方向和边缘方向;是氧化剂;是燃料;指的是球面的液体滴。

可以考虑在瞬变流动相间耦合计算。在每个迭代中时间步,选择连续阶段和离散相进行耦合计算每40步骤。本文中的数值计算的组件将会被简化成一个单一的轻柴油燃料组件C₁₂H₂₃。为了考虑粒子的随机波动的影响,采用随机轨道模型。为了确保液滴轨迹的随机性,总共有3600个粒子360°范围内均匀分布。

此外,解释变化的机制,通过数值模拟方法,这种喷雾燃烧的喷雾粒径分布范围应该调查。意大利利雅路G5型燃烧器的雾化粒度测试与Winner318A Mastersizer [33]。通过喷雾粒径分布的测试实验,结果表明,燃烧器的喷雾粒径分布在20∼60微米的范围。水滴在这个尺寸范围内选择进行分析。实际测量喷雾粒径范围应用于数值模拟,然后火焰在低压环境的变化机制可以解释从液滴燃烧的角度。

3所示。结果与讨论

与气体燃烧或在正常压力相比, - - - - - -庚烷燃料燃烧过程更为复杂,尤其是sub-atmospheric压力。火焰形状,尤其是火焰上升的特点,对工程设计具有重要意义的燃烧器和加热器。燃烧的火焰温度决定了质量和热量,利用和排放没有决定性的标准是否可以使用整个燃烧器的高原,因为必须达到国家污染物排放标准。所有这些关键特征讨论了伟大的现实意义燃烧器的设计和使用的高原。得到了统一的实验结果和相关分析,并在低压喷雾燃烧从液滴微观结构的角度来解释。

3.1。火焰形状

火焰形状是最重要的和直观的特点,燃烧特征(34]。火焰视频记录在低压室与灰度处理和二值化35,36]。阈值的选择是火焰二值化的关键工作。大津法是广泛应用于火焰图像处理(37,38]。通过火焰的二进制处理视频,火焰形态的概率分布轮廓的概率计算获得的亮点出现在火焰的连续序列图像(39]。工作条件4作为一个例子,火焰形状参数定义如图4,在那里火焰长度和吗是最大的火焰宽度。此外,喷嘴的位置和终端火焰的位置也显示。坡代表水平火焰上升的大小。火焰轨迹的定义是广泛使用在这种火焰向上弯曲,这里的定义方法在文献中是一样的(40]。

图5被火焰图像处理得到概率分布从实验例1 - 6。通过直接观察,我们可以看到火焰形态变化相对较小的1 - 3在实验条件。在实验条件下4和6,终端火焰呈现出强劲水平上升的特点。这主要是由于风量减少和大气压力。在不同的环境压力,空气密度的变化会引起强烈的火焰上升的特点。然而,实验案例5表明,火焰宽度明显突出的中间区域。这应该是由于空气分布的调整系数。因此,调整空气分布比例低的大气压力是一种有效的方法。具体的影响因素还需要回归分析,将在以下部分计算。

3.2。轨道轴向温度分布

火焰的温度分布测量轨迹均匀的六组实验图所示6。此外,无量纲温度分布的分析是必要的,因为空气密度的变化。由此产生的转换图所示7。在这个过程中,胡等人采用的无量纲分析方法(41),温度上升作为因变量,和空气密度被带进的无因次权力术语规范化。根据谢et al .三区的理论水平喷射火焰的42),可以看出,连续火焰区域的温度价值仍基本相同除了例6。由于不同的操作参数和大气压力,不同程度的温度上升浮力羽流火焰中观察到的地区。

轴向温度分布通常是按比例缩小的(43),介绍了作为火焰特征长度垂直缩放(44]。水平喷射火焰(45,46和浮力式火焰47,48),我们总是关注轨道轴向的温度分布(49]。包括轴向温度、压力效应分析的轨迹特征水平长度应该进一步的建议 ,即 。身体上,使用虚拟原点占不同的浮力通量源。摘要虚拟起源是指喷嘴出口的位置。与会计的虚拟原点(41),那么轨道轴向温度分布测量数据可以非规范化维度的相关:

3.3。没有发射

有害污染物的测量和控制燃烧设备中燃烧过程的重要特征之一。产生的氮氧化物在轻柴油的燃烧反应主要是没有的。没有排放数据的实验情况下1 - 6所示图8。喷雾燃烧,一般情况下,燃油喷射压力的增加不会导致污染物排放的增加。实验4 - 6,排放浓度没有显著增加,这可能是直接分析的结果减少环境压力。此外,我们注意到,实验条件4中的挡板开度很小,这意味着此时风量很小,此时和风量不能保证燃料充分燃烧,这是最集中的原因之一。此外,没有主要热型,主要是与燃烧温度有关。一般来说,燃烧温度越高,没有浓度越高。为了减少不排放燃烧的高原环境,温度在二级火焰的高温反应区应该被控制。

3.4。相关和回归分析

根据图像中像素的比例在前一节中实际大小,火焰长度,火焰宽度、最大火焰宽度位置,火焰的斜率上升高度可以计算每个实验条件的特征。数据如表所示2。

在本节中,我们进行了相关分析和多元回归分析火焰长度,火焰宽度,火焰最大宽度位置,火焰上升的斜率特性和没有发射,分别。

每一个因变量的相关分析表和四个独立变量计算最终表所示3。可以看到,风量主要影响火焰长度和没有发射。风量下降,火焰长度就变长,没有排放大大增加。除了被风量影响最大,不发射也积极与燃油喷射压力和大气压力呈负相关,分别。最大火焰宽度和位置是积极的和消极的分别与燃油喷射压力和大气压力。此外,火焰的斜率上升高度特征密切相关的操作参数和大气压力,主要和次要因素之间的区别并不是显而易见的。

相关区域的温度水平喷火焰不同的独立变量。很明显,大气压力主要影响气温上升在连续火焰区域和浮力羽流区域。火焰温度循环地区最受空气分布的影响。燃油喷射压力与大气压力的影响在连续火焰区域的温度是最重要的。然而,浮力火焰区域的温度几乎是同样由各种因素的影响,这意味着浮力火焰区域的温升机理非常复杂。

特别是对于大气压力,每一个火焰的特征参数呈负相关。也就是说,在高原环境中,火焰的长度和宽度水平喷雾燃烧燃料燃烧器变长,火焰有明显的上升的特点,没有排放的增加。这可能主要是由于上升的效果在终端火焰区燃烧温度的增加造成的低密度的气氛。此外,温度的增加将导致热没有明显的增加,最终导致没有排放的增加。

最后,下面的回归方程通过这些因变量的回归计算获得。自从在火焰温度测量值只是一个点轨迹,其回归方程不是具有重要意义,不列在这里。

方程(9)- (13)的多元线性回归方程火焰长度、最大火焰宽度、最大火焰宽度位置,火焰的斜率上升高度特性,分别,没有发射。

在那里,燃油喷射压力,节气门打开,空气分布条件下,大气压力,是相关系数。

工程实验,鉴于是0.1(即。,90% confidence level). Regression equation tests were carried out for the Equations (9)- (13),分别和测试结果都显著,表明上述回归方程是有意义的。得到以下结论测试是否每个回归方程中的变量有显著影响的回归方程。火焰的长度主要受燃油喷射压力,阀门开度和大气压力。在方程(9),火焰长度的回归方程是显著影响燃油喷射压力、节流口和大气压力。也就是说,火焰长度主要是由他们决定,不与空气分布条件系数密切相关。在方程(10)和(11),四个因变量产生重大影响的最大宽度和位置的火焰。火焰上升特性的方程(12),燃油喷射压力和大气压力对它最重要的影响。在方程(13),没有排放主要受燃油喷射压力、风门洞和大气压力。

3.5。分析液滴燃烧

3.5.1。液滴燃烧时间

图9(一个)显示了液滴的燃烧时间与不同粒径在不同环境压力。液滴燃烧时间的总体趋势在不同大气压力大约是相同的。给定大小的水滴,压力越低,液滴燃烧的时间越长。此外,与液滴尺寸的增加,液滴的燃烧时间大大增加,基本上符合看到的。平均无量纲燃烧时间的液滴在不同大气压力计算,如图9 (b)。在这里,大气压力。是水滴的平均燃烧时间在正常压力。之间存在一个线性负相关平均燃烧时间和大气压力。平均燃烧时间为0.05 MPa高出近100%,在正常的压力。这是因为压力直接相关的氧含量燃烧空间。压力越低,空气中的氧含量越低。因此,液滴和空气之间的化学反应速率慢,导致液滴的燃烧时间的增加相同的大小和颗粒大小在低压的环境。

3.5.2。液滴燃烧的路径

液滴的燃烧路径不同大气压力下不同尺寸如图所示10 ()。液滴燃烧的路径的变化趋势是一致的液滴燃烧的时间。大气压力降低,燃烧的路径明显增加。此外,各种规模的液滴平均路径计算,和无量纲结果如图10 (b)。在这里,液滴的平均燃烧路径在正常压力。液滴的平均无量纲燃烧路径随−0.63幂律的大气压力,这是符合火焰长度和大气压力之间的关系50]。在0.05 MPa大气压力,平均液滴燃烧的路径相比,增加了55%,在正常的压力。液滴燃烧的时间和运动路径的增加也反映出结论的正确性低压下火焰长度增加。

在微观层面上的水滴,火焰形态变得更长和更广泛的由于增加平均液滴的燃烧时间和路径。这也证实了最后的喷雾燃烧火焰的形状是由液滴的燃烧状态。根据前面的统一的实验结果,在高原环境中,液滴燃烧状态的变化引起的空气密度可以通过操作参数的变化得到补偿。是否增加燃油喷射压力,增加进气,或改变空气分配比,这些都是采取的措施,促进液滴的燃烧。本文实验结果证明这是一个有效的方法在高原上。

4所示。结论

摘要均匀实验设计不同的燃烧器进行了操作参数和大气压力,和燃烧实验在低压室完成。水平喷射火焰的燃烧特性,如火焰长度、最大火焰宽度,和它的位置,火焰的斜率上升高度特性、火焰温度分布的轨迹,没有排放浓度。

燃烧特性的主要和次要影响因素是通过相位关系分析。在高原环境中燃烧,火焰的最大宽度和位置是最密切相关的大气压力。没有排放和火焰水平上升的特征也与大气压力密切相关。在高原环境中,火焰形态可以调整增加燃油喷射压力和空气分布的比例变化,也没有可以保持在一个低浓度排放。这提供了一个可靠的实验基础水平的单因素实验设计喷嘴燃烧sub-atmospheric压力。在低压环境中,燃烧时间和燃烧柴油液滴的道路都是长在0.05 MPa比在0.10 MPa。燃烧之路增加了55%,按照火焰增长程度。同时,燃烧时间增长了近100%。

数据可用性

数据的可用性,如果研究者需要本文的数据,相应的作者可以提供实验数据。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究得到了国家重点研发项目批准号2017 yfc0806303下的中国。

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