低速過濾燃燒熱斑不穩(wěn)定性實驗研究

陳 露，夏永放，李本文,3，史俊瑞，徐有寧

(1.東北大學 材料與冶金學院，遼寧 沈陽 110178； 2.沈陽工程學院 遼寧省潔凈燃燒發(fā)電與供熱技術實驗室，遼寧 沈陽 110136； 3.大連理工大學 熱能工程研究所，遼寧 大連 116024)

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低速過濾燃燒熱斑不穩(wěn)定性實驗研究

陳 露1，夏永放2，李本文1,3，史俊瑞2，徐有寧2

(1.東北大學 材料與冶金學院，遼寧 沈陽 110178； 2.沈陽工程學院 遼寧省潔凈燃燒發(fā)電與供熱技術實驗室，遼寧 沈陽 110136； 3.大連理工大學 熱能工程研究所，遼寧 大連 116024)

通過對多孔介質燃燒器內低速過濾燃燒胞狀結構不穩(wěn)定性的實驗研究發(fā)現(xiàn)，在直徑3.5 mm氧化鋁小球堆積床內，出現(xiàn)在主燃燒波上游的胞狀結構體對主燃燒波傳播的穩(wěn)定性起著支配作用。另外，通過分析比較局部熱斑分布圖發(fā)現(xiàn)，熱斑不均勻地駐定在燃燒器內，而且堆積床內孔隙率對熱斑影響顯著，孔隙率小，熱斑點多且其單個體積??；孔隙率大，熱斑數(shù)量少且其單個體積大。

低速過濾燃燒；熱斑穩(wěn)定性；燃燒波傳播；孔隙率

多孔介質燃燒具有低NOx和CO排放、高能流密度及調節(jié)范圍廣等優(yōu)點，可以廣泛應用于內燃機、低熱值氣體燃燒器、揮發(fā)性有機化合物氧化器及輻射供熱器等[1]。因此，許多研究人員通過實驗、數(shù)值計算及理論分析等手段研究發(fā)展多孔介質燃燒器技術[2-7]。

Weinberg[8]在初步研究中首次提出了超絕熱燃燒或超焓燃燒的概念，通過理論研究表明：如果通過多孔介質回收部分反應化學熱傳給未燃反應物，燃燒溫度高于理論絕熱燃燒溫度是可能的。Zhdanok等[9]研究了在惰性多孔介質燃燒器甲烷/空氣預混氣體過濾燃燒波的傳播特性，通過理論分析得到了一個燃燒波傳播速度與熱波傳播速度間的關系式，此關系式為化學反應熱和熱損失的一個函數(shù)，而且該函數(shù)關系式與實驗結果正好相吻合。Henneke等[10]對堆積床內過濾燃燒傳播特性做了數(shù)值模擬研究，計算結果表明：固相溫度與文獻[9]的實驗結果正好相吻合。

然而，超絕熱燃燒波在多孔介質燃燒器內傳播的過程中，火焰面傾斜和熱斑等不穩(wěn)定現(xiàn)象經常發(fā)生。在實際應用中，由于這些不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生會影響到設備運行的穩(wěn)定性。因此，近幾十年來，該問題受到了許多研究人員的關注。

Saveliev等[11]通過實驗研究了貧氫氣/空氣預混氣體在氧化鋁小球堆積床內的低速過濾燃燒多燃燒波結構，給出了過濾速度ug=1.3 m/s和氫氣濃度體積YH2=6.8%實驗工況的一張空間胞狀結構體圖像，基于孔驅動燃燒的熱擴散不穩(wěn)定框架，分析討論了胞狀結構體的機理，但沒給出更低實驗參數(shù)(μg和YH2)的實驗結果，而且在分析過程中未考慮多孔介質孔隙率的影響。因此，有必要探明在更低的實驗參數(shù)下熱斑不穩(wěn)定特性及多孔介質孔隙率對熱斑的影響。Kakutkina[12]考慮了火焰面的曲率和傾斜角度，使用單溫熱模型進行理論分析，提出了曲波火焰面?zhèn)鞑ニ俣鹊囊话惚磉_式和熱斑不穩(wěn)定性發(fā)生的判定標準。Yang等[13]通過實驗研究了甲烷/空氣在惰性高孔隙微纖維介質填充不同管徑石英管內的過濾燃燒特點，實驗結果呈現(xiàn)出火焰面錨定效應及燃燒波劈裂現(xiàn)象，而用傳統(tǒng)模擬方法無法解釋這些現(xiàn)象。

因此，通過實驗研究稀氫氣/空氣預混低速過濾燃燒波的傳播過程，觀測燃燒波的不穩(wěn)定傳播及胞狀結構的不穩(wěn)定性特點，分析胞狀結構體對主燃燒波傳播不穩(wěn)定的影響，以及胞狀結構體的演變特性。此外，為了確認預混氣體過濾速度、氫氣濃度及多孔介質孔隙率等參數(shù)對胞狀結構不穩(wěn)定性的影響，分析比較不同實驗工況下胞狀結構的形成及其堆積床內的分布特點。

1 實驗過程

1.1 實驗裝置

實驗裝置系統(tǒng)如圖1所示。低速過濾燃燒實驗燃燒器為內徑63 mm、長度600 mm的石英管，其內部由氧化鋁小球填充，堆積床的高度為450 mm。為了研究堆積床孔隙率對胞狀結構不穩(wěn)定性的影響，實驗中使用氧化鋁小球的平均直徑分別為3.5 mm和8.5 mm，其堆積床孔隙率分別約為0.39和0.45[14]。燃燒器外壁的保溫材料為氧化鋁微纖維，保溫層厚度為40 mm。燃燒波傳播過程圖像使用FLUKE Ti32熱像儀和OLYMPUS相機SZ-30MR同時進行采集。預混氫氣/空氣預混合物流量由電子流量控制器控制，標準大氣壓下其控制精度為4%。實驗使用的燃料氫的純度為99.998%。

圖1 實驗裝置

1.2 實驗過程

實驗中過濾氣體速度μg的范圍為0.6 m/s～1.1 m/s,氫氣濃度YH2的變化范圍為4.0～7.5%。實驗測溫采用紅外熱像非接觸式測溫技術，測得燃燒器表面的高溫區(qū)用來定性代表火焰形狀，而且把捕捉到的中心溫度的圖像提取出來，對燃燒波的傳播規(guī)律做定量分析。實驗過程中每次捕捉圖像時，熱像儀和相機的位置不變，捕捉角度保持恒定，過濾燃燒波傳播速度的數(shù)量級為10-4m/s，捕捉傳播圖像的時間間隔設定為3 min。

2 實驗結果與討論

2.1 燃燒波傳播不穩(wěn)定性

實驗工況為d=3.5 mm、ug=0.6 m/s、YH2=6.0%時，火焰面不穩(wěn)定性演變過程及熱斑不穩(wěn)定性現(xiàn)象如圖2所示。初始時刻火焰面具有一個朝向左側方向的傾斜角α，隨著燃燒波傳播的進行，在180 s后，當燃燒器上游開始出現(xiàn)熱斑時，傾斜角不但沒有增加，反而被抑制；在360 s后，火焰面完全變成平火焰面；在傳播到540 s時，由于燃燒波上游出現(xiàn)更多的熱斑形成胞狀結構體，火焰面開始漸漸向右側方向傾斜。然而，在接下來的傳播過程中，傾斜角增長率(定義為傾斜角增長量隨時間的變化率)的變化并不是太劇烈。由此表明，熱斑組成的胞狀結構體對主燃燒波的穩(wěn)定性具有顯著地支配作用。另外，當主燃燒波離開燃燒器后，胞狀結構體燃燒波經過演變到4 320 s時，穩(wěn)定而隨機地駐定在燃燒器內，燃燒器壁面的最高溫大約為125 ℃，低于超絕熱燃燒波的溫度，這是由于胞狀結構體屬于單個燃燒點的燃燒，不是連續(xù)的整體火焰面占據(jù)燃燒器截面，從而導致氫氣不完全燃燒。因此，胞狀結構體溫度比超絕熱燃燒波的溫度低很多。

為了研究堆積床孔隙率對燃燒波傳播不穩(wěn)定性的影響，實驗中還使用了平均直徑為8.5 mm的氧化鋁小球，其堆積床孔隙率為0.45。實驗工況為d=8.5 mm、ug=0.6 m/s、YH2=5.0%時火焰面不穩(wěn)定性的演變過程如圖3所示。結果發(fā)現(xiàn)，雖然主燃燒波上游出現(xiàn)胞狀結構，但是主燃燒波在傳播過程中表現(xiàn)得比較穩(wěn)定。與圖2中的實驗結果相比，圖3中由于多孔介質孔隙率增大，燃燒波傳播速度較快，高溫區(qū)拉伸。主燃燒波離開燃燒器后，胞狀結構體經過演變到2 880 s，不均勻地駐定在燃燒器內。與文獻[11]結果進行比較可以發(fā)現(xiàn)，在更低的實驗運行參數(shù)(ug=0.6 m/s、YH2=5.0%)和大孔隙率的影響下，熱斑也會不穩(wěn)定。

圖2 實驗工況為d=3.5mm、ug=0.6m/s、YH2=6.0%時火焰面不穩(wěn)定性演變過程及熱斑不穩(wěn)定性

圖3 實驗工況d=8.5mm、ug=0.6m/s、YH2=5.0%時火焰面不穩(wěn)定性演變過程及熱斑不穩(wěn)定性

為了定量分析燃燒波變化規(guī)律，與圖3對應的燃燒器壁面中心的溫度分布如圖4所示。由于平均的高溫區(qū)域擴大，溫度波的峰值區(qū)域逐漸變得平緩，溫度波峰值溫度逐漸降低，在900 s～2 160 s傳播時間段出現(xiàn)雙波結構，整個傳播過程形成溫度波的衰減。導致衰減的原因可能有兩點：一是燃燒器上游的熱斑出現(xiàn)，一部分氫氣被燃燒掉，主燃燒區(qū)氫氣的釋熱量下降；二是多孔介質孔隙率大，加快了高溫區(qū)熱量傳遞速度，火焰面拉伸變長，高溫區(qū)域擴大，從而加劇了溫度波的衰減。

圖4 燃燒器壁面中心的溫度分布

實驗工況為d=8.5 mm、ug=0.6 m/s、YH2=6.0%時火焰面不穩(wěn)定性的演變過程如圖5所示。與圖3相比，高溫區(qū)域依然擴大。而在燃燒器底部出現(xiàn)一個顯著的胞狀結構體燃燒區(qū)，形成與文獻[11]結果類似的雙波結構。

2.2 熱斑特性

為了解胞狀結構體的特點，圖6給出了實驗工況為d=3.5 mm,ug=0.5 m/s,YH2=6.5%時不同捕捉角度的熱斑分布。由圖6可以看出，胞狀結構體由熱斑組成，每個熱斑可以看作是一個具有內熱源的多孔介質，內熱源項由該區(qū)的化學反應熱提供。未燃的氫氣/空氣預混氣體與熱斑點區(qū)進行穩(wěn)態(tài)的熱值交換，未燃預混氣流形成尾跡區(qū)包圍熱斑，穩(wěn)定在燃燒器內部。從不同角度觀測的結果表明，各個熱斑在燃燒器內的分布是不均勻的，各熱斑連結起來組成的胞狀結構體不均勻地駐定在燃燒器內。

圖5 實驗工況為d=8.5 mm、ug=0.6 m/s、YH2=6.0%時火焰面不穩(wěn)定性演變過程及熱斑不穩(wěn)定性

圖6 實驗工況為d=3.5 mm,ug=0.5 m/s,YH2=6.5%時不同捕捉角度熱斑分布

2.3 孔隙率影響

實驗工況為ug=0.6 m/s、YH2=6.0%時，氧化鋁小球直徑為3.5 mm的熱斑分布如圖7中的a圖所示；氧化鋁小球直徑為8.5 mm的熱斑分布如圖7中的b圖所示，堆積床孔隙率分別為0.39和0.45。從a、b兩圖的比較結果可以看出，孔隙率小的堆積床內熱斑數(shù)量多，且體積?。欢紫堵蚀蟮亩逊e床內熱斑分布數(shù)量少且為體積較大的塊狀結構。由此可見，孔隙率對熱斑的形成和分布具有顯著的影響。

圖7 不同實驗工況熱斑分布

3 結 論

通過對稀氫氣/空氣低速過濾燃燒不穩(wěn)定性實驗研究，得出如下結論：

1)胞狀結構體對主燃燒波傳播的穩(wěn)定性起著顯著的支配作用；

2)直徑為8.5 mm氧化鋁小球堆積床內的過濾燃燒波衰減迅速；

3)未燃預混氣體與熱斑區(qū)進行穩(wěn)態(tài)熱質交換，各熱斑點組成胞狀結構體不均勻地駐定在燃燒器內；

4)堆積床孔隙率對熱斑的產生影響顯著，孔隙率小，熱斑點多且單個體積小；孔隙率大，熱斑數(shù)量少且單個體積大。

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(責任編輯 張 凱 校對 佟金鍇)

Experimental Study of Hot-Spot Instability for Low-Velocity Filtration Combustion

CHEN Lu1,XIA Yong-fang2,LI Ben-wen1,3,SHI Jun-rui2,XU You-ning2

(1.School of Materials and Metallurgy,Northeastern University,Shenyang 110819,Liaoning Province; 2.Key Laboratory of Clean Combustion for Electricity Generation and Heat-supply Technology of Liaoning Province,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province; 3.School of Energy and Power Engineering,Institute of Thermal Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,Liaoning Province)

The hot-spot instability of low-velocity filtration combustion within inert porous media is studied experimentally.The main combustion wave stability is dominated by upstream cellular flame structure consisted of hot spots.Additionally,according to analysis of local hot-spot distribution,it can be found that,the hot spots non-uniformly stabilize in the burner,and the porosity of packed bed affects remarkably on the hot-spot characteristics.As the porosity of packed bed is small,an amount of hot spots is standing in packed bed,and a single hot-spot volume is small;conversely,the amount is less,and the hot-spot volume is bigger.

low-velocity filtration combustion;hot-spot instability;combustion wave propagation;porosity

2015-01-16

國家自然科學基金資助項目(No.51406123)，遼寧省教育廳資助項目(No.L2014529)

陳 露(1991-)，女，遼寧義縣人，碩士研究生。

李本文(1965-)，男，湖南澧縣人，教授，博士，博士生導師，主要從事輻射磁流體、多孔介質燃燒方面的研究。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.03.005

O643.2

A

1673-1603(2015)03-0213-06