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外界风下低动量湍流射流扩散火焰图像特征与燃烧特性

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第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 外界风下射流火及其危害

1.1.2 外界风下射流火燃烧参量研究的重要意义

1.2 研究现状

1.2.1 外界风下射流扩散燃烧理论建模

1.2.2 外界风下射流扩散燃烧实验研究

1.2.3 外界风下射流扩散燃烧数值模拟

1.2.4 研究现状小结

1.3 研究目标与内容

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.3.3 技术路线

1.4 文章结构安排

第2章 外界风下射流扩散燃烧理论分析

2.1 射流扩散火焰

2.2 外界风下射流扩散火焰形态

2.2.1 火焰形态

2.2.2 无量纲火焰长度

2.2.3 火焰倾斜角度

2.3 外界风下射流扩散火焰辐射分数

2.3.1 辐射分数IMS-H-V测量模型

2.3.2 辐射分数理论预测模型公式

2.4 本章小结

第3章 实验装置与数据分析方法

3.1 外界风下射流扩散燃烧实验装置

3.1.1 整体装置

3.1.2 燃烧实验平台

3.1.3 燃烧控制系统

3.1.4 数据采集系统

3.2 实验工况设计

3.3 数据分析方法

3.3.1 火焰形态

3.3.2 火焰脉动频率

3.3.3 火焰辐射分数

3.3.4 火焰温度

3.4 本章小结

第4章 外界风下射流扩散火焰实验结果分析

4.1 图像特征分析

4.1.1 火焰形态分析

4.1.2 火焰长度

4.1.3 火焰倾斜角度

4.1.4 火焰脉动频率

4.2 燃烧特性分析

4.2.1 火焰辐射分数

4.2.2 火焰温度

4.3 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 创新点

5.3 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

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摘要

能源、石化产业的快速兴起,使得燃气管道遍及城市各个角落;这些管道在给人类带来便利的同时,也增加了气体泄漏及火灾、爆炸事故发生的危险性。燃气管道一旦泄漏并发生火灾,将会威胁到周边的人员安全和造成重大的财产损失。管道发生失效泄漏时,会形成气体射流;如果在泄漏口处被点火源点燃,则将形成气体射流火焰;而这些火焰的燃烧基本是在外界通风条件下进行的,其行为与静止空气下的燃烧有较大的差异。因此研究外界风作用下气体射流火燃烧参量的变化,如火焰形态、火焰脉动频率、辐射强度等,将为火灾探测报警、火灾扑救提供有力的实验及理论依据支持。
  因此,本文一方面结合相关基础理论,建立射流扩散火焰图像特征和燃烧特性与外界风速、气体射流出口速度(燃料质量流量)间的理论关系式;另一方面,选取典型燃料丙烷为对象,以大型燃烧风洞为平台开展一系列实验,研究外界风下丙烷湍流扩散火焰图像特征和燃烧特性的变化趋势。
  火焰图像特征包括火焰形态、火焰长度、火焰倾斜角度与脉动频率。将火焰形态分为Non-lifted flame和Lifted flame两大类;Non-lifted flame主要依据射流出口速度和外界风速两者的动量通量比进行细分;而Lifted flame的出现条件,与外界风速和射流出口速度有关,且射流出口速度起主导作用。火焰长度与火焰倾斜角度的变化主要由燃料射流出口速度和外界风速两者共同作用的结果;在所研究的风速范围内,外界风对火焰具有拉长作用,风速越大,火焰长度增加,火焰倾斜越明显,火焰倾斜角度越大。在现有的关于火焰长度的模型上,发展出无量纲火焰长度与外界风速、射流出口速度之间的关系;运用类比思想,通过引入弗劳德数,定性建立了火焰倾斜角的关系。外界风条件下,横向风速会对火焰流场结构产生影响,使得脉动现象变得更加复杂。
  从火焰辐射和火焰温度出发,研究火焰燃烧特性。实验研究了外界风下不同位置处火焰辐射通量的变化;探讨了外界风下火焰辐射分数测量模型公式;通过对火焰形状及火焰辐射进行相关假设,结合前人研究基础,建立了外界风速、燃料质量流量与火焰辐射分数之间的关系式,并结合实验数据,发现其吻合性较好。火焰温度随射流速度的增加而呈微小下降趋势;在一定外界风速范罔内,外界风使得空气卷吸率增大,但同时又会加速流场间的换热能力,因此使得在外界风下,火焰温度的变化趋势变得更加复杂,其内在关系,仍有待进一步深入研究。

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