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管道中氢—空气预混火焰传播动力学实验与数值模拟研究
摘要：
本文对氢—空气预混火焰传播动力学进行了实验与数值模拟研究。实验采用了管道中引燃的方法，观察了不同初温度和初压力下火焰传播的速度和温度分布。数值模拟则采用了ANSYSFluent软件，建立了管道内部的三维模型，通过求解Navier-Stokes方程和化学反应方程，模拟了火焰传播的过程。实验结果和数值模拟结果相互印证，都表明了初温度和初压力对于火焰传播速度和温度分布的影响，并且证实了预混火焰的低温化现象及其机理。
关键词：氢，空气，预混火焰，动力学，实验，数值模拟
正文：
引言
氢作为一种高效、清洁的能源，备受关注。然而，氢气的燃烧性质较特殊，容易引起爆炸事故。因此，研究氢气燃烧的传播动力学，对于提高其安全性和推广应用具有重要的意义。
与传统燃料不同，氢气的燃烧需要通过与氧气的混合来实现。在混合的过程中，预混火焰技术是一种有效的方法。在混合过程中，可通过调整预混比例来控制燃烧效率和火焰温度。而随着预混比例的升高，火焰传播机制发生了明显变化，称为低温化现象。低温化现象的研究已成为氢燃烧动力学中的重要问题。
本文将采用实验和数值模拟相结合的方法，对氢—空气预混火焰传播动力学进行研究。该研究将对氢气的安全性和应用提供参考和支持。
实验方法
实验采用了管道内部点火的方法，具体步骤如下：
1.将氢气和空气按预定的比例混合。
2.将混合气体注入管道。
3.在管道靠近一端点燃混合气体，产生火焰。
4.采用探针测量火焰的传播速度和温度。
实验中使用的管道直径为40mm，长度为1m。混合比例为10%、20%、30%、40%时，分别测量了不同初温度和初压力下的火焰传播速度和温度分布。探针采用K型热电偶和压力传感器，分别测量火焰温度和管道内部压力。
数值模拟方法
数值模拟采用了ANSYSFluent软件，建立了管道内部的三维模型。模型采用了稳态模拟，通过求解Navier-Stokes方程和化学反应方程，模拟了火焰传播的过程。
模拟中采用的化学反应机理是GRI-Mech3.0机理，包含了16种基本化学反应。模型的网格划分采用了三角剖分方法，网格数量为约50万个。
结果与分析
实验结果表明，初温度和初压力对火焰传播速度和温度分布有显著的影响。当初温度和初压力较高时，火焰传播速度显著增加，火焰温度也相应升高。另外，实验还证实了预混火焰的低温化现象及其机理。
数值模拟结果也表现出相似的趋势。模拟结果显示，预混比例越高，火焰传播速度越慢，温度分布也更加均匀。而当预混比例升高到一定程度时，火焰便发生了低温化现象，火焰传播速度突然降低，温度分布也出现了明显的“冷区”。
结论
本次实验和数值模拟的结果相互印证，表明了初温度和初压力等因素对氢—空气预混火焰传播动力学的影响。结果还证实了预混火焰的低温化现象及其机理，在理论和实践中具有重要的意义。本研究的结果对于提高氢气的利用效率和安全性，具有一定的参考价值。