平板狹縫間C1～C4烷烴/空氣預(yù)混射流火焰的燃燒特性

曹海亮，年志遠(yuǎn),2，楊浩林，蘇航,2，汪小憨，趙黛青

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平板狹縫間C1～C4烷烴/空氣預(yù)混射流火焰的燃燒特性

曹海亮1，年志遠(yuǎn)1,2，楊浩林2,3，蘇航1,2，汪小憨2,3，趙黛青2,3

（1鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南鄭州 450001；2中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣東廣州 510640；3中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣東廣州 510640）

對平行平板狹縫間C1～C4烷烴預(yù)混射流火焰進(jìn)行了實驗研究，考察了壁面溫度、狹縫間距、當(dāng)量比、燃料種類等對火焰形態(tài)和穩(wěn)定性的影響，并利用高速相機(jī)獲得了狹縫間的火焰圖像。結(jié)果表明，隨著狹縫間距的減小，火焰經(jīng)歷了穩(wěn)定、脈動和熄火3個階段。其中，火焰脈動發(fā)生在大于熄火間距的狹小范圍內(nèi)，其脈動頻率隨著壁面溫度的升高而增加。對同一種燃料，當(dāng)預(yù)混氣當(dāng)量比和壁面溫度保持恒定時，火焰的脈動頻率在脈動發(fā)生的區(qū)域內(nèi)保持不變。對比C1～C4烷烴預(yù)混火焰的脈動頻率及脈動火焰持續(xù)距離范圍，發(fā)現(xiàn)甲烷預(yù)混火焰的均最小，而其他3種燃料則比較接近。

微尺度；烷烴；燃料；燃燒特性；火焰穩(wěn)定性；脈動火焰

引 言

微小型燃燒系統(tǒng)具有能量密度高、體積小、使用壽命長、添加燃料方便等特點，但由于比表面積大，壁面與火焰的耦合作用強(qiáng)烈，使得這類燃燒器通常難以維持在穩(wěn)定的狀態(tài)[1-4]。很多研究人員采用不同的措施來改善這種情況，Sitzki等[5]提出了瑞士卷式的燃燒器利用燃?xì)庥酂嵫h(huán)利用的方法穩(wěn)定火焰，Cao等[6]開發(fā)的環(huán)狀微型透平燃燒器，Jiang 等[7]提出的多孔壁面進(jìn)氣的微型燃燒器，都有效提升了微燃燒系統(tǒng)的燃燒效率和可燃極限。Gan等[8-10]通過采用荷電噴霧燃燒裝置促進(jìn)了微尺度下液體燃料的穩(wěn)燃。然而，這些研究只是針對物理結(jié)構(gòu)或者系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，并沒有對造成熄火的原因進(jìn)行考察。通常認(rèn)為，微燃燒不穩(wěn)定性和熄火的主要機(jī)制有兩個方面：散熱損失造成的熱熄火以及自由基在燃燒器表面淬熄造成的化學(xué)熄火。為了考察這兩種不同的熄火機(jī)制，針對壁面與火焰之間的相互作用機(jī)理及現(xiàn)象進(jìn)行了大量研究。

在熄火機(jī)理方面，Sloane等[11-12]首先發(fā)現(xiàn)影響熄火的壁面自由基淬熄發(fā)生在壁面附近1 mm以內(nèi)。Miesse等[13]發(fā)現(xiàn)火焰向壁面散熱而引起的熱熄火是低壁溫下（300～500 K）火焰熄滅的主要原因，與壁面材料無關(guān)，而高壁溫時（1000 K），不同材料壁面導(dǎo)致的自由基化學(xué)失活差異是造成熄火特性顯著不同的主要原因。Kim等[14]認(rèn)為火焰熄火特性是熱損失、氣相反應(yīng)及自由基失活這3個因素相互作用的結(jié)果。Fan等[15-16]認(rèn)為熱熄火機(jī)制是微尺度火焰熄火的主導(dǎo)機(jī)制，而Saiki等[17]發(fā)現(xiàn)普通材料表面的化學(xué)吸附系數(shù)，即壁面對自由基的吸附作用是壁面化學(xué)作用的主要機(jī)制，在高溫時有顯著的作用。Yang等[18-19]提出壁面材料的化學(xué)吸附氧，以及壁面附近的OH自由基濃度是影響熄火機(jī)制的重要因素，當(dāng)OH自由基濃度較高時，可以維持較小的熄火間距。

在火焰動力學(xué)方面，Ju等[20-21]在介觀尺度通道內(nèi)，觀察到了由熱擴(kuò)散機(jī)制控制的不穩(wěn)定火焰，如快燃火焰、緩燃火焰以及旋轉(zhuǎn)火焰。Kumar等[22]在被加熱的介觀尺度徑向通道中發(fā)現(xiàn)由于流場不穩(wěn)定和壁面淬熄引起的各種不同形式的不穩(wěn)定火焰。Maruta等[23]在加熱的石英玻璃管中也發(fā)現(xiàn)了不穩(wěn)定火焰，包括脈動火焰及重復(fù)點燃和熄火的火焰（FERI）。此外，F(xiàn)an等[24]在微尺度矩形的石英微通道中也發(fā)現(xiàn)了火焰的熄滅和再點燃現(xiàn)象。

以上研究從不同角度對壁面作用導(dǎo)致熄火的原因進(jìn)行了詳細(xì)考察，同時也發(fā)現(xiàn)了火焰的不穩(wěn)定現(xiàn)象。接近熄火階段的火焰行為對于揭示微小尺度火焰穩(wěn)定性的機(jī)理有重要意義，目前還缺乏深入的研究。因此，本文針對平板狹縫中小火焰的燃燒特性進(jìn)行了實驗研究，考察了影響燃燒特性的不同因素，并對比了不同燃料預(yù)混合火焰的穩(wěn)定性。

1 實驗材料和方法

平板狹縫火焰實驗裝置如圖1所示。噴嘴位于兩壁面間的中心位置，通過兩壁面的同步相向運動來減小火焰燃燒的空間，直至火焰熄滅，此時兩板間的距離即為火焰的熄火距離。壁面材料采用不銹鋼板，大小為50 mm×50 mm×10 mm。固定在鋼板內(nèi)部均勻分布的電加熱棒可以將鋼板加熱到實驗所需的溫度，并通過布置在鋼板內(nèi)部的熱電偶結(jié)合可控硅單元來監(jiān)測并控制壁面的溫度。實驗中壁面溫度控制在473～873 K范圍，溫控誤差在±10 K以內(nèi)。

噴嘴的結(jié)構(gòu)如圖2所示。噴嘴上部由蜂窩陶瓷制成，規(guī)格為18目，實際單孔大小為1.0 mm×1.0 mm。多孔陶瓷下部連接均流室，均流室內(nèi)布滿小鋼珠，用來穩(wěn)定及均勻氣流。燃料和空氣的預(yù)混氣通過下方的鋼管進(jìn)入均流室。燃料和空氣的流量通過質(zhì)量流量計（MKS-GE50a）來控制。噴嘴出口位置預(yù)混氣的平均速度為1 m·s-1，當(dāng)量比分別為0.9、1.0、1.1。在噴嘴的側(cè)面布置有一臺高速ICCD攝相機(jī)（MEMRECAM NAC HX-6），以500 frame·s-1的速度對火焰形態(tài)進(jìn)行拍攝。以兩板間距每次0.1 mm進(jìn)行遞減，直至火焰熄滅。

2 結(jié)果與討論

2.1 燃燒特性及火焰脈動

對于微小尺度火焰，由于火焰與壁面之間的強(qiáng)烈相互作用，從穩(wěn)定的火焰到火焰熄滅之間可能存在一個中間區(qū)域，即不穩(wěn)定火焰。圖3顯示了通過高速攝影機(jī)捕捉并分區(qū)的平板狹縫間正丁烷預(yù)混火焰的狀態(tài)分布?？梢钥闯?，隨著狹縫間距的變化，火焰有3個不同狀態(tài)區(qū)域：虛線右側(cè)大間距條件下為穩(wěn)定火焰區(qū)域，實線左側(cè)小于熄火間距為火焰熄滅區(qū)域，實線和虛線之間的部分為不穩(wěn)定火焰區(qū)域，火焰以一定的頻率脈動。同時，隨著壁面溫度的升高，脈動火焰發(fā)生的區(qū)域向狹縫距離減小的方向移動。

由圖可知，火焰脈動發(fā)生在狹縫間距接近熄火距離前的小于1 mm的很小范圍之內(nèi)。這是因為當(dāng)狹縫間距足夠大時，壁面距離火焰較遠(yuǎn)，并未對火焰產(chǎn)生實質(zhì)性的影響，火焰形態(tài)和位置都保持穩(wěn)定；當(dāng)狹縫間距逐漸減小到某個特定值時，壁面對火焰的物理和化學(xué)作用加強(qiáng)，火焰從穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動狀態(tài)。圖4所示是壁溫w為473 K，狹縫間距為2.4 mm時，正丁烷預(yù)混火焰一個脈動周期內(nèi)不同時刻的圖像。圖中粗線代表了噴嘴的外部輪廓，細(xì)線代表兩個平板內(nèi)側(cè)的壁面位置。

從圖中可看出火焰前鋒的位置隨時間在火焰的上下游有規(guī)律地脈動。以火焰前鋒達(dá)到最高位置時為初始時刻，火焰前鋒先是縮小，之后部分火焰面向上游傳播，到達(dá)最大后逐漸縮小，于=10 ms時火焰最小。當(dāng)火焰再次逐漸增大，并且上游和下游的火焰面再完成一次由大到小的轉(zhuǎn)變后，火焰最終于=28 ms回到與初始時刻相同的形態(tài)。盡管不同條件下火焰的脈動頻率會發(fā)生改變，但火焰形態(tài)會經(jīng)歷類似的變化周期。

狹縫間火焰發(fā)生脈動的主要原因是由于火焰與壁面之間的熱交換。當(dāng)狹縫間距足夠大時，火焰通過壁面的散熱以及壁面對低溫未燃?xì)獾念A(yù)熱保持平衡，火焰處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)一步減小狹縫間距離時，氣流速度相應(yīng)增加，火焰首先向下游傳播。當(dāng)上游低溫的未燃?xì)饬鹘?jīng)高溫壁面時，由于火焰與壁面的強(qiáng)烈熱交換使未燃?xì)鉁囟壬撸率够鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣仍黾?，火焰面向上游移動。在傳播過程中，由于高溫壁面受到未燃?xì)獾某掷m(xù)冷卻而溫度下降后，未燃?xì)鉄o法繼續(xù)被預(yù)熱到此前較高的溫度，因此，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兟?，在氣流的作用下火焰面又向下游傳播直到達(dá)到新的平衡位置。狹縫間高溫火焰、壁面及低溫未燃?xì)庵g的熱交換和熱循環(huán)就產(chǎn)生了脈動的火焰。

2.2 壁溫和當(dāng)量比對火焰脈動的影響

通過對不同條件下的脈動火焰研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)火焰進(jìn)入脈動狀態(tài)以后，火焰的脈動頻率就不再隨狹縫間距的減小而改變，直到火焰熄滅前，火焰始終保持固定的脈動頻率。然而，火焰脈動頻率受到壁面溫度和當(dāng)量比的影響。

圖5所示為不同當(dāng)量比正丁烷預(yù)混火焰的脈動頻率隨壁面溫度的變化規(guī)律。由圖可知，火焰的脈動頻率隨著壁面溫度的升高而單調(diào)增加，從w= 473 K時的40 Hz增加到w=873 K時的100 Hz。由于火焰脈動的主要原因是火焰與壁面的熱交換，而相較于低溫的壁面，高溫的壁面可以更快地將低溫未燃?xì)饧訜岬教囟ǖ臏囟龋褂捎跉饬骷铀俣蛳掠蝹鞑サ幕鹧婵焖俚啬嫦蛲嫌蝹鞑?，從而使脈動加速。壁面溫度越高，對未燃?xì)忸A(yù)熱的速度越快，火焰的脈動頻率也越高。另一方面，由圖可知，當(dāng)預(yù)混氣靠近化學(xué)當(dāng)量比時，當(dāng)量比對火焰脈動頻率的影響較小，=1.0和1.1時火焰的脈動頻率略大于=0.9的值，但差值不大于20 Hz。這是由于=1.0和1.1時火焰強(qiáng)度和火焰?zhèn)鞑ニ俣雀?，在壁溫較低時能夠更快實現(xiàn)溫度場和速度場的平衡，而= 0.9時則需要較長的時間。同時，當(dāng)量比較低時，高溫壁面對預(yù)混氣的預(yù)熱及火焰散熱的減少對火焰穩(wěn)定性的影響更加顯著，因此火焰脈動頻率隨壁溫的增速大于高當(dāng)量比條件的火焰，使得=0.9的火焰在w>800 K后有更高的脈動頻率。

壁面溫度不僅對火焰脈動頻率有影響，對火焰的熄火距離和脈動開始的壁面間距同樣有影響。如圖3所示，壁面溫度升高時，熄火距離逐漸減小，這與前期的研究結(jié)果一致[18]?；鹧婷}動發(fā)生時刻的壁面間距隨壁面溫度的升高而減小，而脈動火焰發(fā)生的區(qū)域隨溫度的變化較小，變化幅度小于0.2 mm。圖6所示為不同當(dāng)量比條件下正丁烷預(yù)混火焰發(fā)生脈動的范圍。在當(dāng)量比=1.0和1.1時，火焰發(fā)生脈動的狹縫間距和脈動區(qū)域基本相同，最大的變化幅度為0.1 mm。然而，當(dāng)量比=0.9時，脈動火焰發(fā)生和熄火發(fā)生的狹縫間距均向右側(cè)，即較大的狹縫間距方向移動，尤其在壁面溫度較低時，熄火間距有大幅度的增大。在一定程度上，由于本實驗中，預(yù)混氣以相同的流速噴出，低當(dāng)量比預(yù)混氣的燃燒強(qiáng)度和火焰?zhèn)鞑ニ俾瘦^低，穩(wěn)定性較差，因此更易于受到壁面的影響而熄火。

2.3 C1～C4烷烴/空氣預(yù)混火焰的脈動特性

圖7所示為C1～C4烷烴預(yù)混合火焰脈動頻率隨壁面溫度的變化規(guī)律。非常明顯，所有烷烴火焰的脈動頻率均隨著壁面溫度的升高而單調(diào)增加。其中，C2～C4烷烴預(yù)混火焰的脈動頻率相差很小，為10～20 Hz，其中正丁烷預(yù)混火焰的脈動頻率略小。甲烷預(yù)混火焰的脈動頻率明顯低于其他的烷烴火焰，頻率的差值隨壁面溫度升高基本保持不變，為30～40 Hz。

圖8、圖9分別為甲烷和C2～C4烷烴預(yù)混火焰的脈動范圍隨壁面溫度的變化規(guī)律?？梢钥闯?，對于所有的燃料，脈動火焰均發(fā)生在接近熄火間距1 mm之內(nèi)的狹小區(qū)域內(nèi)，這也是火焰與壁面之間相互的熱和化學(xué)作用最強(qiáng)烈的區(qū)域。其中，甲烷預(yù)混火焰的脈動范圍最窄，最大約0.3 mm，乙烷和丙烷預(yù)混火焰的脈動范圍和位置基本重合，脈動范圍約0.6 mm，而正丁烷預(yù)混火焰的脈動范圍最寬，約0.8 mm。

綜上所述，甲烷預(yù)混火焰的脈動頻率和脈動發(fā)生的范圍與其他3種烷烴有較明顯的差別，這與不同燃料的物化特性及其燃燒特性有關(guān)。一方面，由于甲烷較高的C—H鍵能和活化能，甲烷的著火溫度較高而火焰?zhèn)鞑ニ俣容^其他烷烴低，火焰穩(wěn)定性較差，因此熄火距離最大，火焰在發(fā)生脈動后的很小范圍內(nèi)熄滅。對于C2～C4烷烴燃料，由于C—C鍵的存在，C—H鍵能和活化能較低，因此，火焰有更好的穩(wěn)定性，能夠經(jīng)歷較寬的脈動過程。

3 結(jié) 論

通過對平行平板狹縫間C1～C4烷烴/空氣預(yù)混射流火焰的研究發(fā)現(xiàn)：

（1）隨著狹縫間距的減小，火焰將經(jīng)歷穩(wěn)定、脈動和熄火3個階段。

（2）在脈動火焰區(qū)域，火焰脈動均發(fā)生在熄火間距前很窄的范圍內(nèi)，火焰的脈動頻率隨著壁面溫度的升高而增加，且與狹縫間距的變化無關(guān)。

（3）對于C1～C4的烷烴，甲烷預(yù)混火焰的脈動發(fā)生范圍最窄，脈動頻率最低，并且與其他3種烷烴對比差別較大。C2～C3烷烴預(yù)混火焰的脈動特性基本接近，而正丁烷預(yù)混火焰的脈動范圍最寬。

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Combustion characteristics of premixed C1—C4alkane jet flames between two parallel walls

CAO Hailiang1, NIAN Zhiyuan1,2, YANG Haolin2,3, SU Hang1,2, WANG Xiaohan2,3, ZHAO Daiqing2,3

(1School of Chemical Engineering and Energy, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, Henan, China;2Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, Guangdong, China;3Key Laboratory of Renewable Energy, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

The combustion characteristics of premixed C1—C4alkane jet flames were studied experimentally with a slit burner between two parallel walls. The effects of wall temperature, the distance between two walls, equivalence ratio and fuel type on flame pattern and stability were investigated. The flame images were captured by using a high-speed charge-coupled device camera. The results indicated that the flames experienced three states with the decrease of the distance between the walls,., stable flame, pulsating flame and flame extinction. It was found that the pulsating flames only existed in a very narrow range before reaching the extinction distance. The flame pulsation frequency increased monotonically with the wall temperature. For the same fuel, the frequency was independent to the distance between two walls at a fixed wall temperature and equivalence ratio. Meanwhile, the flame pulsation frequency and the range of the pulsation zone were related to the type of fuel for premixed C1—C4alkane flames. Generally, the methane flame showed the lowest pulsation frequency and narrowest pulsation zone, while these characteristics were almost the same for C2—C4alkane flames.

microscale; alkane; fuel; combustion characteristic; flame stability; pulsating flame

2016-02-02.

Prof. YANG Haolin, yanghl@ms.giec.ac.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20160147

TK 16

A

0438—1157（2016）11—4609—06

曹海亮（1976—），男，博士，副教授。

國家自然科學(xué)基金項目（51336010，51176174）；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目（2014CB239601）。

2016-02-02收到初稿，2016-07-26收到修改稿。

聯(lián)系人：楊浩林。

supported by the National Natural Science Foundation of China (51336010, 51176174) and the National Basic Research Program of China (2014CB239601).