题目：速度匹配法预测预混火焰吹熄特性

熄火特性预测在航空发动机燃烧室设计中是一项十分重要的工作。在燃烧室的初步设计中，Lefebvre的熄火特性关系式目前应用得最广泛。然而Lefebvre的熄火模型是以能量守恒为基础的，较少考虑到火焰稳定和熄火的基本原理。为了能够较准确的预测熄火特性，本文尝试以Lewis等人关于火焰稳定和熄火机理的研究为基础，通过理论分析得到预混火焰的熄火模型，用以改进预测预混火焰熄火特性的方法，为将来改进燃烧室的熄火特性预测方法打下基础。为了排除次要因素的干扰，选取甲烷-空气本生灯预混火焰为研究对象。根据Lewis等人的理论，火焰稳定存在的前提，是其根部附近的预混气气流速度与火焰传播速度相平衡。通过匹配这两种速度的分布，在流场中可以找到一个可点火区域，在该区域中任意一处提供点火源，火焰都会驻定在该区域最上游的位置。这一位置即为火焰根部，或者说火焰稳定点。增大预混气来流速度或减小预混气当量比，火焰稳定点位置发生变化，使可点火区域变小；当可点火区域缩小为一个点时即为火焰吹熄的临界工况。本文通过速度匹配法，即匹配火焰稳定点附近的气流速度和火焰传播速度，推导了表达火焰稳定点空间位置以及火焰熄火特性的半理论模型，用来预测火焰的吹熄特性。在该模型中，火焰向壁面的热耗散，即壁面淬熄效应起到了重要的作用。本文以能量守恒为基础，结合热辐射的规律，提出了壁面淬熄距离的半理论预测模型。半理论模型的分析结果表明：1）若固定当量比变化来流速度，当Φ=0.8~1.2时，淬熄距离随来流速度增大而增大。当Φ=1.2~1.4时，淬熄距离与来流速度的关系从递增逐渐向递减转变。当Φ>1.4时，淬熄距离随来流速度增大而减小。若固定来流速度变化当量比，当Φ1.0时，淬熄距离先随当量比增大而增大；但在Φ=1.3附近达到极大值后开始减小。Φ>1.6后淬熄距离基本保持不变。2）火焰稳定点流向坐标的变化规律与壁面淬熄距离的变化规律一致。在径向上，若固定当量比变化来流速度，随着来流速度增大，火焰稳定点逐渐向射流中心方向移动。若固定来流速度变化当量比，Φ1.3后则随当量比增大逐渐远离射流中心。3）吹熄速度随当量比增大而增大。为了验证这些模型，进行了甲烷-空气本生灯预混火焰实验，通过拍摄火焰根部照片，得到了常温常压下本生灯淬熄距离与火焰稳定点位置随来流预混气速度和当量比的变化关系，测量了不同当量比下的熄火速度。实验结果表明：1）本生灯预混火焰的淬熄距离实验结果与半理论模型预测结果对比较好，相对误差在±15%以内。2）本生灯火焰的稳定点空间位置实验结果与半理论模型预测结果对比较好，相对误差在±15%以内。3）本生灯火焰的吹熄速度与当量比的变化关系实验结果与吹熄特性预测模型对比较好，相对误差在±20%以内。