（动力工程及工程热物理专业论文）低热值气体发动机燃烧稳定性研究.pdf

国内图书分类号：tk4 学校代码：10213 国际图书分类号：621 密级：公开 工学硕士学位论文工学硕士学位论文 低热值气体发动机燃烧稳定性研究 硕士研究生 ： 白宝盛 导 师 ： 张继春 副教授 申请学位 ： 工学硕士 学科 ： 动力工程及工程热物理 所 在 单 位 ： 汽车工程学院 答 辩 日 期 ： 2012 年 7 月 授 予 学 位 单 位 ： 哈尔滨工业大学 classified index: tk4 u.d.c: 621 dissertation for the degree of master in engineering study on combustion stabilities of low heat value gases engine candidate： bai baosheng supervisor： associate prof. zhang jichun academic degree applied for： master of engineering specialty： power engineering and engineering thermophysics affiliation： school of automobile engineering date of defence： july,2012 degree-conferring-institution： harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - i - 摘 要 在能源危机和环境污染不断加剧的情况下，资源丰富的低热值气体作为 有效的替代能源备受关注。使用于人员密集区的小型化分布式供能系统对内 燃机的排气污染水平要求高，因此，作为清洁能源的低热值燃料成为该系统 内燃机的理想燃料。 该系统选用低热值气体发动机作为原动机提供动力。本文主要研究内容 为低热值气体发动机的燃烧稳定性。发动机的稳定性表现为循环变动，首先 根据已有的天然气掺氢发动机试验， 计算了其循环变动并分析了点火提前角、 当量比、进气压力对其循环变动的影响，探讨了循环变动与绝热火焰温度和 火焰燃烧速度的关系。最后根据低热值气体的特点编写了软件程序，计算低 热值气体的绝热火焰温度和火焰燃烧速度， 分析不同进气当量比、 进气压力、 进气温度、点火提前角和燃料组分的情况下，绝热火焰温度和火焰燃烧速度 的变化情况，探讨上述因素对两者的影响结果，由此推出影响低热值气体发 动机燃烧稳定性的因素。 结果表明上述因素均能够影响发动机的稳定性：当当量比（=0.61） 增大时，气缸内的压力增大，最大压力出现位置提前，绝热火焰温度增大， 火焰燃烧速度增大，燃烧期缩短，发动机稳定性增强；当进气压力增大时， 绝热火焰温度略有增加，火焰燃烧速度略有减小，发动机在略微增压的工况 下稳定性增强； 当进气温度增加时， 绝热火焰温度增大， 火焰燃烧速度增大， 发动机稳定性增强；当点火提前角增大时，火焰燃烧速度先增大后减小，发 动机稳定性先增强后减弱，工况不同存在不同的最佳点火提前角，最佳点火 提前角约为 26oca btdc。 为了改善发动机的稳定性，提高绝热火焰温度和火焰燃烧速度，本文采 用增加氢气含量的方法改变低热值气体的组分，研究表明，增加氢气含量能 够增大绝热火焰温度和火焰燃烧速度，发动机的稳定性增强。 关键词：低热值气体；发动机；燃烧稳定性；绝热火焰温度；火焰燃烧速度 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ii abstract with the worsening of energy crisis and environmental pollution, low heat value gases have been a focus of attention as effective energy alternative. miniaturization distributed energy supply systems, which are used in densely populated areas, are highly required for low exhaust pollution. therefore, as clean energy, low heat value gases would be the ideal fuel for these systems. choose low calorific value gas engine to provide power for the systems. this project mainly studies combustion stability of low calorific value gas engine, which shows cycle-by-cycle variation. firstly, based on previous hydrogen enriched compressed natural gas (hcng) tests, this thesis calculated its cycle-by-cycle variation and analyzed how it is affected by ignition timings, equivalent ratios and inlet pressures; discussed the relationship between cycle-by-cycle variation and adiabatic flame temperatures, flame burning speeds. according to the characters of low calorific value gases, this thesis built software programs to calculate their adiabatic flame temperatures and flame burning speeds; analyzed their variation in different factors, which include equivalent ratios, inlet pressures, inlet temperature, ignition timings and fuel components. by examining the impact of above factors on adiabatic flame temperatures and its speeds, this thesis deduced affecting factors on the stability of low calorific value gas engine. the results show that all the factors mentioned above influence the stability of the engine. the increase in equivalent ratio(=0.61) results in the forward of maximum pressure occurrence, the shortening of burning periods, together with the increases of cylinder pressures and adiabatic flame temperature and their burning velocities, engine stabilities would be better; the increase in inlet pressures leads to the increasing of adiabatic flame temperatures and decrease of flame burning speeds, engine would be more stability in slight supercharged conditions; the adiabatic flame temperatures and their burning velocities are advanced with the rise of inlet temperatures; increasing the ignition timing makes flame burning speeds increase first and then decrease, different working conditions have different best advanced ignition angles (here the best advanced ignition angle is about 26oca btdc). in order to improve the adiabatic flame temperatures and the flame burning speeds and to improve the engine stabilities, this paper adopted the method of increasing hydrogen contents in experiment gases. research shows that increasing hydrogen contents can increase adiabatic flame temperatures and flame propagation speeds, enhance the stability of the engine. 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 iii keywords: low heat value gases, engine, combustion stabilities, adiabatic flame temperature, flame burning velocities 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 iv 目目 录录 摘 要 . i abstract . ii 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题背景及意义 . 1 1.1.1 能源危机 . 1 1.1.2 环境问题 . 2 1.1.3 研究意义 . 3 1.2 低热值气体应用及研究现状 . 4 1.2.1 国外研究现状 . 4 1.2.2 国内研究现状 . 5 1.2.3 预混层流燃烧研究的主要方法 . 6 1.3 课题来源及研究内容 . 8 1.3.1 课题来源 . 8 1.3.2 研究内容 . 9 第 2 章 发动机试验系统及相关计算 . 10 2.1 发动机试验系统 . 10 2.1.1 发动机系统 . 10 2.1.2 测功机系统 . 10 2.1.3 测量系统 . 10 2.2 低热值气体的选取 . 11 2.2.1 气体组分分析 . 12 2.3 低热值气体计算 . 13 2.3.1 气化气燃料理论空燃比计算 . 13 2.3.2 缸内可燃混合气热值的计算 . 14 2.4 绝热火焰温度 . 15 2.4.1 经验公式求解法原理 . 15 2.4.2 化学平衡求解法原理 . 16 2.5 火焰燃烧速度 . 19 2.5.1 co的火焰燃烧速度 . 19 2.5.2 h2和ch4的火焰燃烧速度 . 20 2.5.3 生物质气化气的火焰燃烧速度 . 21 2.5.4 公式验证 . 21 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 v 2.6 质量燃烧率 . 21 2.7 本章小结 . 22 第 3 章 天然气掺氢试验循环变动分析 . 24 3.1 循环变动的理论研究 . 24 3.1.1 循环变动的概念 . 24 3.1.2 循环变动产生的原因 . 24 3.1.3 循环变动的表征参数 . 25 3.2 压力参数 . 25 3.3 循环变动的数据分析 . 26 3.3.1 点火提前角对压力循环变动的影响 . 27 3.3.2 当量比对循环变动的影响 . 34 3.3.3 进气压力对压力循环变动的影响 . 38 3.3.4 氢气含量对压力循环变动的影响 . 42 3.4 本章小结 . 43 第 4 章 发动机稳定性影响因素探讨 . 45 4.1 发动机稳定性的表征 . 45 4.2 发动机稳定性影响因素探讨 . 46 4.2.1 当量比的影响 . 47 4.2.2 初始压力的影响 . 50 4.2.3 初始温度的影响 . 53 4.2.4 点火提前角的影响 . 55 4.2.5 气体组分的影响 . 57 4.3 本章小结 . 62 结 论 . 64 参考文献 . 65 攻读学位期间发表的学术论文 . 70 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 . 71 致 谢 . 72 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 第1章 绪论 1.1 课题背景及意义 1.1.1 能源危机 随着经济的发展，社会对煤炭和石油的需求不断增长。煤炭主要分为发电用 煤、蒸汽机车用煤、建筑用煤、一般工业锅炉用煤、生活用煤、冶金用煤和炼焦 用煤等，其中电煤至少占 1/3。随着社会和工业的发展，对电的需要不断的增长， 使得电力行业对煤炭的需求不断的增长。在新能源大范围普及应用之前，供电行 业会对煤炭产生过分的依赖。石油主要用于提炼燃油、润滑油和润滑脂、蜡、沥 青和石油焦，溶剂等，石油还是有机合成工业的最基本的原料和中间介质。经济 的发展对石油的需求也是越来越多，尤其是汽车行业的快速发展，使得发动机燃 油量持续增长，加大了能源危机的存在。为了缓解能源危机，需要发展煤炭和石 油之外的能源。到 20 世纪后期，形成了以石油、煤炭和天然气三者为主的能源消 费框架，到 2004 年底，在世界能源结构消费中，石油、煤炭、天然气、核能和水 能分别占 36.8%、27.1%、23.6%、6.1%、6.2%1。随着能源来源的不断变化，能 源消费结构会有较大变化，天然气会成为能源首选，新能源的应用会增加。天然 气、石油、煤炭、核能、水能和其他能源分别占 29%、27%、24%、8%、8%、4%。 目前探明的石油、天然气、煤炭的储量分别为 154.3 万亿 m3、155 万亿 m3和 1886 亿吨，探明储量可用年限分别为 40 年、60 年和 100 年。我国现有的能源储量不够 10 年用量，是能源短缺的国家，石油和天然气需要大量进口，进口依赖度都超过 了 50%，表 1-1 为三种能源在发电中的用量发展情况2，从表中数据可知，三种燃 料用量不断增长，并且煤炭仍占据主要地位。 表 1-1 0.6 万千瓦及以上火电能源用量 年份 煤炭(mt) 燃油(ml) 燃气(mm3) 煤炭所占比例(%) 2000 2001 2002 2003 2004 528.10 576.37 655.95 765.43 994.00 10.41 10.23 10.89 13.22 14.87 15381.63 18111.65 21147.28 31657.13 40900.00 97.95 97.80 97.74 97.11 97.13 化石燃料的形成要经历数百万年甚至上亿年，有资料表明现在地球环境不可 能再有生物积累转化成化石燃料，使得煤炭和石油成为资源有限的能源，所以， 化石燃料利用一点就少一点，现状非常堪忧。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 1.1.2 环境问题 由化石燃料燃烧造成的环境污染日益严重，环境污染表现为区域性和全球性 3-4。区域性污染是指排气中的 hc、nox、co、甲醛、苯和颗粒等有害物质造成 的污染，损害某地域人类的健康；全球性污染指的是温室气体导致的全球变暖和 酸雨等，全球性污染物主要是燃烧排气中的 co2和 so2。而煤炭和石油等化石燃 料的燃烧是产生这些污染物最主要的原因。 经历了一百余年的发展， 内燃机动力使社会步入了空前的繁荣期， 但是从 1943 年的 los angeles“光化学烟雾”开始，内燃机燃烧排气造成的污染开始加剧，由 此引起世界的广泛关注。内燃机排放成分主要为 co、hc、nox、sox、pb 合物 和 pm 等。随着汽车保有量的不断增长，石油消耗的不断增加，由内燃机排放造 成的污染已经严重的影响着环境的安全，严重影响着人类的健康。随着人们对自 身健康的重视不断提高，要求治理环境和保护环境的呼声日益强烈，这就要求必 须提高能源的高效利用及开发清洁能源。 研究者对低热值气体的研究发现低热值气体中基本不含有的 s 和 pb，因此排 气中不含有 sox 和 pb 合物；co2、nox 等的排放也低于天然气，属于清洁能源， 如图 1-1 和 1-2 所示5。 图 1-1 低热值气体燃料 co2排放变化情况 图 1-2 低热值气体燃料 nox 排放变化情况 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 为了应对发动机尾气排放的污染，从上世纪六十年代开始，美日欧等国家相 继出台了环境保护的法律和发动机排放标准法，而且越来越严格。我国从上世纪 八十年代开始参考欧洲法规，制定适合国内情形的排放法规。从 2001 年到 2007 年，我国相继实施了国到国的标准，短时间内提升排放的控制要求。目前， 我国现行的排放法规要求与国际接轨6，可以看出，为了实现内燃机工业的可持续 发展战略，实现环境的改善，控制排放已经成为一项重要的举措。 1.1.3 研究意义 随着人类对能源需求的不断增加，能源危机和环境污染日益严重，很多地方 遭到污染后已经很难恢复，已经不适合人类的居住。能源和环境带来的问题已经 成为全世界的焦点，除了开发利用新能源，寻找“清洁代替能源”也成为了必要 的选择。为实现能源的可持续发展，目前世界上广泛选用代用燃料解决能源危机 和环境污染。常用的代用燃料包括 lpg、煤层气、cng、醇、dme、生物质气(生 物质气化气和沼气)和 h2等，其中煤层气、生物质气化气、沼气属于低热值气体。 气体燃料一般由 h2、ch4、co、co2和 n2组成，根据气体燃料标准体积下热 值的大小，可以将其分为三大类7：热值大于 15070kj/m3为高热值气体燃料，如 天然气、液化石油气、焦炉煤气、油井伴生气等；热值在 628015070kj/m3之间的 中热值气体燃料，如高炉煤气、煤层气化煤气、气化炉煤气、转炉煤气等；热值 小于 6280kj/m3的低热值气体燃料，如工业上的高炉煤气、煤层气、生物质气等。 生物质气是指秸秆稻壳、果壳、玉米芯棒、锯末、木屑等废弃农作物或者生 物质经过热解气化或者发酵而得到的生物质气化气或沼气，主要成分为可燃气体 ch4、 co、 h2和不可燃气体 co2和 no2等。 由于热值范围在 45005500kj/m3之间， 属于低热值气体，又由于其可再生性和属于清洁能源，开发利用生物质气越来越 受到关注。 我国拥有广阔的农村，木材、薪材、秸秆、谷壳、水生植物、人畜粪便等数 量巨大，据统计，全世界生物质能源的年产量是世界耗能总量的 10 倍，远远超过 全世界对能源的需求。我国煤炭资源占总化石资源的 90%以上，这就使得我国的 煤层气资源丰富，为世界煤层气资源的第三位。如果合理有效的采用清洁的低热 值气体，可以有效的降低能源危机，同时保持能源的可持续利用。低热值气体的 储量在我国十分丰富，在环境污染和能源危机日益严重的今天，开展低热值气体 代用燃料的研究十分必要，充分利用这一资源对我国的环境保护、能源合理利用 都会产生积极的影响，因此得到广泛关注。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4 1.2 低热值气体应用及研究现状 1.2.1 国外研究现状 奥地利和日本等国的一些公司都成功推出利用低热值或双燃料气体的发动机， 西班牙哈恩大学 jurado8等人在 2001 年利用 simulink 建立生物质气在燃气轮机和 柴油机上的发电应用研究，表明转速和负荷是最容易受控的参数，柴油机的反应 能力优于燃气轮机，柴油机的发电效率在 35%到 47%之间，高于燃气轮机的 25% 到 33%的发电效率。 印度 nimbkar 农业研究院的 rajvaanshi9介绍了不同来源的生物质气化气的制 取、应用，指出燃烧区、反应区、热解区的燃烧特性，在火花点火发动机上应用 时，1kg 生物质气平均产生 0.55-0.75kwh 的能量，产生 1kwh 的能量可以节省 柴油 80-85%，可以看出生物质气可以节约能源的利用情况。 瑞士 verenum 研究院的 hasler10等对生物质净化气在内燃机上的应用研究， 焦油含量减少 90%，才能达到对发动机运行最低的安全要求。 国外学者不仅探讨低热值气体的燃烧特性，对多种代用气体燃料都展开了深 入的探讨。英国帝国理工学院教授 arcoumanis11等人利用自行设计的圆筒容弹装 置，装置上安装有压电传感器和蓝宝石玻璃，测量了燃烧压力和观测了火焰阴影 图像。通入丙烷-空气的预混气，流经切向进气道产生湍流，研究气体流动与火焰 的影响关系和不同时刻湍流衰弱的规律。 日本冈山大学的 hamamoto12和日产汽车公司等合作设计了带孔板的燃烧弹， 孔板的作用是产生湍流，研究表明气流从孔板运动到容弹末端，湍流强度不断减 小，随点火时刻变化而变化，最大湍流强度为 1.8m/s。 美国加利福尼亚大学的 saxena13,14等人研究了 h2和 co 的燃烧化学动力学机 理和 ch4-co-h2的混合气燃烧，不同情况下混合气的反应速度和燃烧速度，当量 比略大于 1 时无论何种情况下速度都接近最大， 增大温度和减少 co 都会增加火焰 层流燃烧速度。 加拿大卡尔加里大学的 bade15等人解释了点火发动机气体燃料燃烧期约为 50oca 的情况，同时指出稀燃极限在当量比略大于 0.6 时。 美国西北大学的 yu16等人研究氢气和空气混合气随当量比和压力变化时稀燃 的层流燃烧速度。研究表明，压力从 0.1mpa 变化到 1.0mpa，热扩散和火焰越来 越不稳定，火焰的不稳定使得火焰出现褶皱，而褶皱的出现，加快了火焰的燃烧 速度。层流燃烧速度常用球形火焰的扩散传播来确定， 英国利兹大学的 gu17等通过 markstein length 可以定量的分析火焰的发展情 况。他们在当量比(0.8、1.0、1.2)、温度(300k-400k)、压力(0.1mpa-1.0mpa)下的 研究结果表明，markstein length 随温度的变化不大，但是随压力的下降而下降， 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 5 随着当量比的增加而增加。 印度理工学院的 prathap 18等人研究在 co、h2中加入 n2，当氮气含量从零变 化到 60%时，火焰最大速率出现位置从当量比 0.5 变化到 0.7。 加拿大阿尔伯塔大学的 han19等人指出 egr 率不能超过 40%，否则严重影响 气体的燃烧速度。 美国普林斯顿大学的law20等人给出了15%以内体积比的ch4加入到h2中时 的火焰传播照片，发现随着 ch4含量的增加，火焰稳定性增加。 在气体燃料中添加氢气的方法同样得到广泛的研究。德国亚琛科技大学的 nagalingam21等人在 avl 单缸机上研究天然气与氢气燃料的发动机性能，结果表 明，氢气含量达到 20%时，点火提前角推迟 4oca，可以降低火焰温度，有利于降 低 nox 排放。 美国乔治亚理工学院的 zhang 22等人研究了 h2、co 和 ch4 混合气的稀薄燃 烧特性，指出 h2能够稳定混合气在小当量比下的燃烧稳定性、绝热火焰温度和火 焰速度，h2含量低于 50%和高于 50%时对混合气的影响很大的不同。 1.2.2 国内研究现状 西安交大张勇、马凡华23,24等人利用燃烧弹，重点研究了 ch4和空气、ch4 和 h2这两种预混气的燃烧特性，研究者得到了两种预混气在不同当量燃空比、初 始压力、残余废气系数下的影响规律，并计算了甲烷和空气混合气的层流燃烧速 度，拉伸对火焰传播的影响，火焰稳定性变化和演变趋势。他们还对预混气湍流 进行了循环分辨、强度、标准一维能谱密度、相关系数和泰勒微观时间尺度的分 析，得到了湍流燃烧的试验结果、火焰火核发展初期的变化情况、湍流参数对燃 烧特性的影响。西安交通大学的 chen25等人数值模拟 ch4-co 和空气层流火焰速 度，指出 co 含量为 92%时混合气可以达到最大的层流火焰速度。 由于低热值气体的成分和热值不稳定，造成燃烧不稳定，太原理工大学的郭 建兰7等在燃气轮机上燃用低热值气体研究 co、ch4和 h2的燃烧特性。根据可燃 气成分变化添加某种成分。研究表明，添加一定量的 co、ch4或 h2，可以得到稳 定的燃烧。 北京交通大学的张欣26等人的研究表明，发动机工作过程中的最大压力升高 率、最大爆发压力和中小负荷下的放热率峰值，都随着气体中 n2比例的增加而下 降。氮气体积的增加，导致发动机放热率曲线型心偏离上止点，火焰的发展期也 变长。氮气的体积分数小于 20%时，发动机的燃烧稳定性较好。 合肥工业大学的左承基、章海峰27等人改进 s195 柴油机进行煤层气的研究， 煤层气中的主要成分是甲烷，研究表明，对柴油机进行合适的改造的方法是可以 的，同时增大甲烷浓度、增加压缩比和减小点火提前角(约为 50oca btdc)都会有 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 6 利于发动机的启动，并且会得到良好的启动性能和可靠的工作。 对低热值气体和柴油双燃料的研究也成为重点，低热值气体作为替代气体得 以应用。江淮动力的夏基胜28的研究表明双燃料中低热值气体的替代率必须在一 定的范围内才能使得双燃料发动机和柴油机可以有相同的动力性能，并且替代率 范围与低热值气体的热值有关，两者成正比关系，超出替代率范围，发动机性能 下降。 江苏大学进行了生物质气和柴油双燃料的研究，其中刘浩龙29等人利用生物 制气替代部分柴油，研究表明双燃料发动机后燃严重，滞燃期较长，缸内压力较 低，co 和 thc 的排放高于柴油机，但是烟度和 nox 排放优于柴油机。同时，燃 烧始点会比较晚，缸内最大压力和最大压升率在低速大负荷工况下大于柴油机， 但是噪声在这种工况下会比较大；在其他工况下结果相反30-31。 低热值气体同样可以作为气体燃料装载在汽车上，东北林业大学的刘会粉、 王述洋32等人对汽车燃料系统进行改进，增加气化装置、净化装置、充气阀和稳 压瓶后将生物质气作为燃料应用在汽车上，并且适当的提高燃料热值能够增加发 动机的功率和动力性。 1.2.3 预混层流燃烧研究的主要方法 由电火花或者其他炽热物使可燃混合气某一部分着火以后，形成的火焰前锋 面向未燃区传播。低热值气体燃料的燃烧主要发生在火焰前锋面。随着混合气火 焰速度以 l s向前推进，燃料的温度变化从 o t到 ad t，浓度从 o c到接近于零的c。 实际上的火焰燃烧区域很窄，最大只有几百微米，因此在这个区域内温度、反应 速度、浓度发生着极大的变化，导致强烈的质量和热量交换。这些质量和热量的 传递又引起临近未燃混合气的化学反应，不断地把燃烧由已燃气体向未燃气体推 进。当燃烧发生在非湍流混合气条件下，就是我们所说的层流燃烧。在层流火焰 理论中，我们最感兴趣的是层流燃烧速度。层流燃烧速度是可燃混合气最基本、 最重要的物理化学特性参数，它是可燃混合气系统扩散性、放热能力以及化学反 应速度的综合反映33。在实际的发动机中，由于火焰是层流褶皱火焰，因而层流 燃烧速度直接影响到发动机的性能参数和排放指标34；在许多湍流燃烧模型中都 是以层流燃烧速度为基础特性参数，用层流燃烧速度作为量化基准，来表征湍流 流动对燃烧的促进作用，可燃混合气的层流燃烧速度还对燃气着火极限、着火延 迟等有影响。因此，准确获取层流燃烧速度十分必要。 在发动机中燃用可燃预混气，控制和调整始燃烧条件及运行条件（如温度、 压力、燃气成分、当量比、残余废气系数等参数）比较困难，所以在测定层流燃 烧数据的时候一般不在发动机气缸内进行。近些年来，国内外测量可燃气体层流 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 7 燃烧数据的试验方法主要有滞止面火焰法、热流法、肥皂泡爆炸法及球形定容弹 法等。 各种方法都有各自的优缺点， 但是能够从不同的角度对燃烧特性进行研究。 (1)滞止面火焰法 在燃烧基础研究领域，滞止面火焰法是最常用的一种基础研究方法，也是研 究最深入的。在火焰前锋面静止的条件下测定不同形态火焰的拉伸应变及其形态 结构，通过推导计算出层流火焰燃烧速度等参数。采用这一原理的滞止面火焰法 主要有平面火焰法和逆流双火焰法。 平面火焰法：将一平板放置在燃烧器的出口，燃烧器上形成的火焰由于滞止 面的作用，容易建立稳定的火焰面。美国密歇根大学的 li 和 im 35在研究甲烷-空 气预混气火焰特性中曾应用此原理建立稳定的火焰面，从而进行了火焰结构和燃 烧特性的研究。 逆流双火焰法：逆流双火焰法又称对冲火焰法，它是滞止面法的一个特例。 将滞止面火焰的滞止壁面换以另一同样的燃烧器，形成对冲火焰。韩国釜庆大学 的kim36及启明大学的ha等学者应用逆流火焰法从火焰燃烧速度、 火焰分离距离、 火焰拉伸率及燃烧产物等方面研究甲烷预混气与合成气火焰对流的影响。 滞止面火焰的形态一般是由许多因素控制，例如滞止面板高度或者对冲距离、 燃气出口流速、燃料种类、热损失程度等。对于逆流双火焰法，还会引起未燃气 体的预热，影响预混气体的燃烧温度。另外本生灯法和平坦火焰法也属于滞止面 火焰法。 (2)热流法 热流法以温度分布的角度对火焰结构进行分析，并且通过能量方程求解相关 参数。主要试验方法有两种：多孔燃烧器法和钠谱线反转法。 多孔燃烧器法：botha 和 spalding 在 1954 年提出通过测量多孔燃烧器上稳定 火焰热损失的方法来测量火焰燃烧速度。但是在实际的试验中发现，用于测量热 流量的冷却水温度变化很小，而且绝热火焰温度要插值到零热损失的条件时获得， 但在近绝热火焰时，火焰很不稳定甚至很可能熄灭，所以利用此方法求火焰燃烧 速度在实际中有一定的困难。后来 bosschaart 37还有比利时布鲁塞尔自由大学的 konnov 和 dyakov38让燃烧板很薄，建立了稳定的平面火焰。他们认为板上的温度 只是平板半径的函数，可以采用热线偶方便的测量。这样温度分布很大程度上对 应了火焰对板的热传递，通过测量燃烧板的温度分布的方法来确定火焰的热损失 就比测量冷却水温度变化简单得多。最后通过求解能量方程就推导出火焰的层流 速度。 纳普线反转法：温度分布从侧面反映火焰结构，lewis 和 elbe39用 fery 钠谱 线反转法对天然气火焰进行过研究，试验装置包括光学系统、火焰系统、高温标 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 8 准光源、光谱仪等。这种方法特别适于测定稳定不发光和有游离烟灰的火焰，同 样也曾用来测量内燃机中的温度。但是在测定过程中由于扩散及损失等原因使得 所测得的敞口稳定火焰中的火焰偏离于按热力学平衡下绝热燃烧计算得到的温度。 (3)肥皂泡爆炸法 stevens40发展了肥皂泡爆炸技术，并用来测量火焰速度。在这类试验中，燃 烧波是在没有受外来的大气流及固体表面影响而变形的层流传播。但是在这种方 法中，很难保持火焰前峰面以球形扩散，而且极易在预混气中参杂水分，影响燃 烧结果。 (4)球形定容弹法 采用球形定容弹试验法测定层流燃烧速度是近几年应用最为广泛的方法之一。 最近，法国科研中心及新奥尔良大学41的有关学者，采用容弹法对火焰燃烧速度 及其动力学模型进行研究