兩種噴管中心間距下微陣列火焰場燃燒特性數值研究*

曾小軍，汪小憨，趙黛青?，蔣利橋，楊衛(wèi)斌

（1. 中國科學院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；3. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應用重點實驗室，廣州 510640）

兩種噴管中心間距下微陣列火焰場燃燒特性數值研究*

曾小軍1，2，3，汪小憨1，2，3，趙黛青1，2，3?，蔣利橋1，2，3，楊衛(wèi)斌1，2，3

（1. 中國科學院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；3. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應用重點實驗室，廣州 510640）

構建了處于無限陣列中管徑為1.5 mm的3 × 3噴管微陣列火焰模型，采用甲烷簡化機理，分別對噴管中心間距為2 mm和4 mm的微陣列火焰場燃燒特性進行數值研究。結果表明，在相同輸入工況下，隨著管中心間距的減小，噴管火焰間的相互影響增強，燃燒反應區(qū)域變長，最高溫度增大；同時，計算區(qū)域出口CO排放增加、燃燒效率下降。噴管中心間距2 mm和4 mm兩種工況下，距離管口5 mm后的區(qū)域溫度都開始均勻分布，為研究溫度均勻的微陣列火焰加熱器提供了設計依據。

微小火焰；陣列火焰；溫度均勻性；火焰加熱；甲烷

0　 引 言

火焰直接加熱是常用的加熱方式，對厘米級、毫米級加熱對象及特殊均溫要求的加熱體，傳統(tǒng)的常規(guī)大尺度火焰存在火焰長、加熱對象受熱不均勻、NOx和碳煙排放高等缺點。如何將長火焰改善成為溫度均勻的清潔火焰，并開發(fā)溫度可控的清潔火焰加熱系統(tǒng)，對厘米級以下有均溫要求的加熱對象有著重要的實際意義。研究表明，微尺度火焰藍色透明、清潔，隨著尺度變小，其最高發(fā)熱率增大［1，3］、最高溫度絕對值降低、溫度梯度減小［2，4］，同時透明的微火焰也不易產生碳煙。對于小型和微小型加熱對象，微尺度火焰可以很好地克服常規(guī)擴散火焰的缺點，形成清潔、溫度均勻的加熱場。單個微火焰釋放的熱量絕對值很小，很難滿足高熱負荷的加熱要求，而采用多組微噴管來實現微火焰的疊加，最終形成滿足高負荷要求的加熱系統(tǒng)，是實現微尺度火焰替代大尺度火焰用于均勻加熱的有效途徑。采用多組微噴管構建微陣列火焰加熱系統(tǒng)時，噴管中心間距對微陣列火焰場燃燒特性有著關鍵的影響作用，是微噴管陣列火焰加熱器設計優(yōu)化的重要參數，因此需要進行深入的研究。

微噴管火焰間的影響程度是決定微火焰疊加的主要因素，NAKAMURA等［5］探索了兩個微噴嘴擴散火焰的相互影響和合并條件，LEE等［6］對不同形狀單排陣列擴散火焰的火焰特征進行了詳細研究，這些研究多集中于擴散燃燒方式，而針對微尺度陣列預混火焰的研究報道較少。在微尺度陣列火焰燃燒場中，由于噴管間火焰的相互影響，其燃燒特性和自由空間內單噴管火焰有著明顯的差異，故本文構建了處于無限陣列中管徑為1.5 mm的3 × 3噴管方形陣列火焰模型，采用甲烷空氣簡化機理，在相同輸入工況下，針對不同噴管中心間距對微陣列預混火焰的影響規(guī)律進行研究，對燃燒場的溫度、速度以及組分濃度進行分析，并對不同間距下噴管間火焰相互影響程度和控制因素進行討論。

1　 物理及數學模型

本文構建的微陣列火焰物理模型如圖1所示，采用9組管徑Ф1.5 mm的微噴管等間距正方形布置，噴管高度為5 mm，管壁面無限薄，噴管進口通入常溫常壓的預混甲烷-空氣；計算區(qū)域高度為40 mm，區(qū)域側面均設置為symmetry面對稱邊界條件， 用于模擬無限擴展的微噴管陣列結構。預混氣當量比設定為1，流速為0.5 m/s，底部噴管外區(qū)域有同向0.02 m/s的伴流空氣，模擬實際噴管底部存在的自然卷吸條件；噴管中心間距S設定為2 mm和4 mm兩個條件，其中C1為中心噴管圓心點，C2為中心噴管與水平方向相鄰噴管間距的中點，C3為中心噴管與對角線方向相鄰噴管間距的中點；后續(xù)分析中所取的中心軸面為C1、C2、C3點所在的中心切面。

圖1　物理模型示意圖Fig. 1 Schematic of the physical model

計算控制方程由質量、動量、能量及組分守恒方程構成；模型采用組分輸運和層流有限速率模型進行燃燒反應模擬；化學反應機理為CHEMKIN導入、包含16種組分和41步反應的甲烷空氣簡化機理［7］（16種組分包括：H2O、CO2、O2、CH4、CO、H、H2、OH、O、CH3、HCO、HO2、H2O2、CH2O、CH3O、N2）；離散格式采用二階中心差分；采用壓力速度的耦合算法進行層流穩(wěn)態(tài)火焰的計算求解。模型采用結構化網格進行劃分，對主要燃燒區(qū)域的噴管出口進行加密處理，總的計算網格數分別為24萬個和41.4萬個。

2　 結果與討論

2.1中心間距對微陣列火焰溫度場的影響

圖2是中心距為4 mm和2 mm工況下，噴管出口10 mm范圍內800 K以上溫度區(qū)域分布。從圖中可以看出，中心距4 mm時各噴管火焰間獨立性較強，而中心距2 mm工況下火焰出現相互影響和合并現象；距離噴管出口5 mm位置，中心距2 mm工況溫度明顯高于中心距4 mm工況。在中心距4 mm工況時，中心噴管出口軸線1.1 mm左右到3.5 mm左右高度，溫度由800 K（1）上升到1 832 K（15）；中心距2 mm工況時，中心噴管出口軸線0.8 mm左右到約2.7 mm高度，溫度由800 K（1）升到1 979 K（17），噴口附近的溫度梯度明顯大于中心距4 mm工況。其主要原因為中心距由4 mm減小到2 mm工況時，噴管整體布置空間更加緊湊，使得火焰下游相同位置的火焰溫度升高，同時由于反應區(qū)間在空間上的縮小，促使燃燒反應區(qū)間在軸向的長度增加，從而使噴管火焰的長度變長；另一方面噴管中心間距的減小使得噴管間火焰出現較強的相互影響作用，火焰出現疊加合并，燃燒反應區(qū)域的疊加干涉導致了噴管出口附近溫度梯度的增大。

圖2　噴管出口中心軸面溫度分布Fig. 2 Temperature distributions in center section

圖3為兩種噴管間距工況下以中心點C1為起點的中心軸線溫度分布。中心軸線上的溫度分布更為清晰地表現了兩種結構下火焰及燃燒下游的溫度變化，從圖中可以看出，噴管出口附近的溫度梯度隨著噴管中心間距的縮小而增大，在燃燒區(qū)域下游兩種工況的溫度都趨于平穩(wěn)，但中心距2 mm工況最終溫度比4 mm工況高約200 K。噴口附近溫度梯度的變化主要是因為管間距的縮小使得中心噴管火焰受到四周噴管火焰的疊加影響，多噴管火焰向一個合并火焰發(fā)展，使噴管出口附近整體溫度升高，導致離噴口相同距離內的溫度梯度增大；而燃燒最終均溫隨著中心間距的縮小而增大則是噴管整體布置空間更加緊湊所致。

圖3　沿C1點軸線溫度分布Fig. 3 Temperature distributions along the axis line from C1

2.2中心間距對微陣列火焰速度場影響

圖4為噴口附近的速度分布情況。從圖中可以看出工況4 mm條件下，噴管出口附近的燃燒氣流表現出明顯的獨立性，相互間不存在明顯的疊加影響區(qū)域；而工況2 mm條件下，噴管出口的燃燒氣流存在明顯的疊加區(qū)域，燃燒區(qū)域下游的速率也明顯大于4 mm工況。其主要原因，一方面是噴管間距的縮小使得燃燒區(qū)間更加緊湊，使得噴管間速度干涉影響作用明顯增強；另一方面是因為噴管火焰在2 mm工況下出現了明顯的疊加合并區(qū)域，促進了燃燒氣流之間的混合和擴散，從而表現出明顯的速度疊加合并區(qū)。

圖5為沿軸向高度方向C1、C2和C3點的軸線速度分布，由于圖1中噴管是對稱分布，同一高度三點的速度分布可以代表所在平面的速度分布。從圖中可以看出，兩種中心距工況下，三點軸線速度最終在下游趨于一致；不同的是中心距2 mm工況下，在軸向高度約10 mm處三點軸線速度趨于1.67 m/s，而中心距4 mm工況下在軸向高度約15 mm處三點軸線速度趨于0.47 m/s，可見火焰速度趨于一致的軸向位置隨著噴管中心間距的縮小而降低；從 C2、C3點的速度分布可以看出，中心距2 mm工況下噴管出口的C2、C3點速度梯度急劇增大，而中心距4 mm工況下速度梯度則較為平緩，其主要原因是噴管間間距的縮小使得噴口附近的火焰間影響強度增加，進而溫度梯度變大，高溫區(qū)向噴口附近移動，燃燒氣氛被加熱從而使速度增加更快，最終在離噴口更近的地方速度達到一致。

圖4　噴口附近速度分布Fig. 4 Velocity distributions of nozzle outlet

圖5　沿C1、C2、C3點軸線的速度分布Fig. 5 Velocity distributions along the axis lines from C1， C2 and C3

從速度分布的分析結果可知，噴管中心間距的縮小使得噴管間氣流在噴口附近出現明顯的疊加干涉區(qū)域，從而促使沿軸向高度方向水平面上的速率更快趨于一致，且速率大小增加，這些因素的改變將增加燃燒加熱場與加熱對象間的對流換熱系數，從而進一步提升系統(tǒng)的加熱效率。

2.3微陣列火焰場CO組分濃度分布

為了進一步說明微陣列火焰環(huán)境中噴管間火焰的相互影響，下面對兩種結構下的燃燒組分CO的濃度分布進行分析。圖6是噴口附近CO的摩爾濃度分布。從圖中可以看出，管間距2 mm工況下火焰燃燒氣氛表現出明顯的擴散和相互疊加現象，這進一步說明隨著噴管中心間距的縮小，噴管火焰之間的疊加干涉作用增強，使得燃燒產物和氣氛相互擴散，增加了燃燒場溫度和速度的混合和擴散程度。同時可以從圖中看出，噴管間距的減小導致燃燒反應區(qū)間變長，CO被消耗完的位置明顯向燃燒下游移動。

圖6 噴口附近CO摩爾濃度分布Fig. 6 CO mole fraction distributions of nozzle outlet

圖7是沿軸向高度方向C1、C2和C3點的軸線CO濃度分布。從圖中可以看出，在中心間距2 mm工況下，以C2、C3為出發(fā)點的軸線上都有CO分布，距離噴口約1 mm范圍內，CO濃度達到峰值，其值與C1點CO濃度峰值相差較小，說明在此位置火焰處于強疊加區(qū)域；在距離噴管出口約2 mm位置以后，三點間的CO濃度趨于一致且數值逐漸減小，并且在計算區(qū)域高度的40 mm范圍內，仍然有CO濃度的分布；而在中心間距4 mm工況下，因為噴管火焰較為獨立，以 C2、C3為出發(fā)點的軸線上CO分布除噴管出口區(qū)域外幾乎為零，而噴管出口附近C1點CO濃度最大值遠高于C2、C3點，在距離噴管出口位置約12 mm后，C1點CO濃度開始趨于零。出現這種情況的主要原因是噴管中心間距增大時，火焰為獨立的單火焰，在本實驗化學當量比和卷吸空氣的條件下容易燃燒完全；而在噴管中心間距減小時，一方面因為結構布置緊湊使得燃燒反應區(qū)域變長，另一方面是由于噴管火焰間相互干涉作用增強，火焰疊加使得噴管間燃燒組分相互擴散，火焰合并向大火焰發(fā)展，加上噴管間速度疊加的影響，導致CO被消耗完的距離增加，即計算高度范圍內都有CO濃度分布。

圖7　沿C1、C2、C3點軸線CO摩爾濃度分布Fig. 7 CO mole fraction distributions along the axis lines from C1， C2 and C3

2.4兩種工況微陣列火焰場特性參數對比

不同管間距條件下燃燒區(qū)域體積變化較大，為更加準確地比較兩種工況下微陣列火焰燃燒場的特性變化，以管間距2 mm為計算基準，將具有可比性的火焰場特性參數列在表1中并計算其變化率，其中出口 CO質量流量為計算區(qū)域出口平面的 CO絕對質量流量積分所得，出口燃燒效率為出口平面CO2質量流量除以理論燃燒后CO2質量流量所得。

從表1中各參數的變化率來看，在相同輸入工況下，管中心間距由2 mm增加為4 mm時，燃燒區(qū)域體積增加300%，但是出口溫度只下降11.64%；所生成的CO質量流量下降92.77%，燃燒效率增加5.59%。即在管中心間距變化時，同一工況下的燃燒空間體積、單位時間輸入熱負荷、污染物CO的排放質量將有非常大的變化，而計算區(qū)域的出口溫度下降率和燃燒效率變化較小。因此從燃料的綜合利用、提升加熱效率和加熱負荷、減少污染物排放等角度考慮，在一定的化學當量比條件下，微陣列火焰燃燒器的噴管間距、燃燒空間熱負荷分布、CO污染物排放和出口燃燒效率間應有個匹配的最佳范圍，這是影響微陣列火焰燃燒場特性的重要因素，也是設計微陣列火焰加熱系統(tǒng)時必須考慮的重要因素。

表1　兩種中心間距下的甲烷微陣列燃燒場特性參數Table 1 Characteristic parameters of combustion field under two nozzle center distance conditions

3　 結 論

本文對相同輸入工況下的微陣列火焰燃燒特性進行了計算研究，計算結果表明在微陣列火焰中：

（1）在相同管徑和輸入條件下，隨著噴管中心距的減小，噴管出口附近的溫度梯度增大；沿軸向方向水平面的平均溫度增加；噴管分布更加緊湊，使得燃燒下游整體溫度得到提高，有利于提升整體加熱效率和實現更高的加熱負荷；

（2）隨著管間距的縮小，噴管間氣流在噴口附近出現明顯的疊加干涉區(qū)域，從而促使沿軸向高度方向水平面上的速率更快趨于一致，且速率大小增加，促進了燃燒反應的相互影響和火焰疊加合并的實現；

（3）微小噴管中心間距逐漸減小時，微陣列火焰由獨立向合并疊加變化，燃燒反應區(qū)間也變長，CO被消耗完的位置明顯向燃燒下游移動，導致燃燒效率下降和CO排放增加；

綜合以上結論，微陣列火焰燃燒加熱系統(tǒng)設計時，需綜合考慮燃燒效率、提升加熱效率和加熱負荷、減少污染物排放等因素進行噴管中心間距的最優(yōu)設計。

［1］ MATTA L M， NEUMEIER Y， LEMON B， et al. Characteristics of microscale diffusion flames［J］. Proceedings of combustion institute， 2002， 29（1）: 993-939. DOI: 10.1016/S1540-7489（02）80118-3.

［2］ 趙黛青， 蔣利橋， 黃顯峰， 等. 微尺度預混合火焰結構和熄火特性研究［J］. 工程熱物理學報， 2006， 27（4）: 711-713. DOI: 10.3321/j.issn:0253-231X.2006.04.055.

［3］ 蔣利橋， 趙黛青， 汪小憨. 微尺度甲烷擴散火焰及其熄滅特性［J］. 燃燒科學與技術， 2007， 13（2）: 183-186. DOI: 10.3321/j.issn:1006-8740.2007.02.016.

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［7］ 李鵬飛， 徐敏義， 王飛飛. 精通 CFD工程仿真與案例實戰(zhàn)［M］. 北京: 人民郵電出版社， 2011: 493-505.

Combustion Characteristics of Array Combustor for Methane Premixed Microflame under Two Nozzle Center Distance Conditions

ZENG Xiao-jun1，2，3， WANG Xiao-han1，2，3， ZHAO Dai-qing1，2，3，JIANG Li-qiao1，2，3， YANG Wei-bin1，2，3
（1. Guangzhou Institute of Energy Conversion， Chinese Academy of Sciences， Guangzhou 510640， China；2. Key Laboratory of Renewable Energy， Chinese Academy of Sciences， Guangzhou 510640， China；3. Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development， Guangzhou 510640， China）

A numerical model of 3 × 3 array combustor consisting of Ф1.5 mm tubes for methane premixed microflame was established to learn the effects of nozzle center distance on the combustion characteristics by using the reduced mechanism for methane. The results show that the effect among micro flames is enhanced by decreasing the nozzle center distance， resulting in a lengthening region of combustion reaction and an increase of the highest combustion temperature as well as an increase in CO emissions and decrease in combustion efficiency at the outlet of calculating region. Temperature uniformity in the heating field was obtained after 5 mm from the nozzles under different nozzle center distances of 2 mm and 4 mm， which provides a design basis for the micro array combustion heater.

micro combustion； array combustor； temperature uniformity； flame heating； methane

趙黛青（1958-），女，博士，研究員，從事微尺度流動和燃燒解析的研究。

TK16

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2016.03.006

2095-560X（2016）03-0201-05

2016-03-02

2016-04-05

國家自然科學基金面上項目（51176193）；國家重點基礎研究發(fā)展計劃（2014CB239600）

曾小軍（1980-），男，工學博士，助理研究員，主要從事微尺度燃燒及新型燃燒器開發(fā)。