微通道內(nèi)甲烷/氫氣/氧氣預(yù)混合火焰?zhèn)鞑ヌ匦?/h1>

2019-06-12 09:43:40任慧敏潘劍鋒盧青波

燃燒科學(xué)與技術(shù)訂閱 2019年3期 收藏

關(guān)鍵詞：圓管燃燒室管徑

任慧敏，潘劍鋒，盧青波，王?宇，邵?霞

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微通道內(nèi)甲烷/氫氣/氧氣預(yù)混合火焰?zhèn)鞑ヌ匦?/p>

任慧敏，潘劍鋒，盧青波，王?宇，邵?霞

(江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013)

在石英玻璃微圓管內(nèi)，進(jìn)行甲烷/氫氣/氧氣預(yù)混合火焰?zhèn)鞑サ膶?shí)驗(yàn)研究，分析了管徑、摻氫比、當(dāng)量比及入口流速對(duì)火焰?zhèn)鞑顟B(tài)和穩(wěn)定火焰位置的影響規(guī)律．結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的微火焰主要有管外射流火焰、脈動(dòng)火焰、穩(wěn)定火焰與反復(fù)熄燃火焰；隨著管徑增加，穩(wěn)定火焰出現(xiàn)在更高當(dāng)量比情況下，火焰位置更靠近燃燒室入口；摻氫比越高，形成穩(wěn)定火焰對(duì)應(yīng)的當(dāng)量比越高，火焰位置更接近出口；高當(dāng)量比時(shí)，穩(wěn)定火焰僅在低入口流速下能夠獲得，隨著當(dāng)量比降低，火焰能在較高入口流速下穩(wěn)定；低流速下，穩(wěn)定火焰在當(dāng)量比為1.85～1.925時(shí)更接近燃燒室入口，隨著流速增加，火焰位置更接近出口；反復(fù)熄燃火焰在管徑增加時(shí)對(duì)應(yīng)的當(dāng)量比維持在1.79～1.93，在摻氫比增加時(shí)對(duì)應(yīng)的當(dāng)量比為1.79～2.12．

微尺度燃燒；火焰?zhèn)鞑顟B(tài)；穩(wěn)定火焰位置；甲烷/氫氣/氧氣；反復(fù)熄燃火焰

基于碳?xì)淙剂先紵奈C(jī)電系統(tǒng)發(fā)展日新月異，而作為其核心部件的微小型燃燒器工作的穩(wěn)定性非常重要[1]．燃燒器微小型化后其內(nèi)部的氣相燃燒面臨諸多挑戰(zhàn)[2-4]，如面容比增加，壁面熱損失與產(chǎn)熱量之比增大[5-6]；內(nèi)部空間減小，燃料停留時(shí)間減少；若燃燒器特征尺寸小于熄火距離則火焰還會(huì)發(fā)生淬熄．因此，探究微尺度條件下氣相燃燒及火焰?zhèn)鞑サ南嚓P(guān)規(guī)律能為設(shè)計(jì)高效能的微型燃燒器提供理論依據(jù)[7-8]，具有重要意義．

國內(nèi)外學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行了大量研究. 如Raimondeau等[9]采用二維數(shù)值模擬方法研究發(fā)現(xiàn)，管徑較小的燃燒器中壁面溫度不連續(xù)性對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊懣梢院雎?，但隨著管徑的增加壁面溫度不連續(xù)性的影響也增加，微通道入口熱損失與壁面自由基熄火對(duì)火焰?zhèn)鞑ビ绊戄^大；張永生等[10]對(duì)T型石英玻璃管中氫氣/空氣預(yù)混合氣體的燃燒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，獲得了火焰在管道中穩(wěn)定燃燒的范圍以及混合氣體流量、當(dāng)量比對(duì)火焰溫度、燃燒效率的影響規(guī)律；Li等[11]采用外部直徑相同的3種不同類型的微圓管對(duì)甲烷/氧氣的燃燒特性與熱損失進(jìn)行探究，測(cè)量了圓管燃燒室外壁面溫度分布并計(jì)算了燃燒室與外部環(huán)境的熱交換值，認(rèn)為理想的微型燃燒室應(yīng)有較高的熱導(dǎo)率與較低的壁面發(fā)射率；Kyritsis等[12]實(shí)驗(yàn)研究了微圓管內(nèi)通入甲烷/氧氣與丙烷/氧氣時(shí)火焰的不同形態(tài)，并分析了燃燒室長(zhǎng)度與壁面材料對(duì)火焰形態(tài)的影響；Fan等[13]進(jìn)行了微石英玻璃管內(nèi)丙烷/空氣的火焰?zhèn)鞑?shí)驗(yàn)，采用高速數(shù)碼相機(jī)拍攝了分裂火焰的傳播過程，并結(jié)合理論分析對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行了說明；Kumar等[14]對(duì)帶有漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)的微通道中火焰穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，在不同當(dāng)量比與流速下觀察到多種火焰穩(wěn)定傳播狀態(tài)并獲得可燃極限，認(rèn)為具有漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)的微燃燒室利于火焰的穩(wěn)定燃燒；Mazaheri等[15]通過數(shù)值模擬方法研究了加熱微燃燒室壁面時(shí)，氫氣/空氣反復(fù)熄燃火焰特性，即入口流速、當(dāng)量比以及通道高度對(duì)反復(fù)熄燃火焰振幅與頻率的影響．然而，上述鮮有涉及微圓管內(nèi)穩(wěn)定火焰位置的相關(guān)研究．

針對(duì)微小尺度條件下預(yù)混合火焰?zhèn)鞑サ难芯?，為了得到穩(wěn)定火焰出現(xiàn)的條件及其位置變化的相關(guān)規(guī)律，本文采用了3種直徑的石英玻璃圓管，選取甲烷/氧氣與摻入氫氣的甲烷/氧氣為預(yù)混合氣體，通過實(shí)驗(yàn)方法獲得了火焰?zhèn)鞑顟B(tài)及其隨管徑、摻氫比的變化規(guī)律，并得到不同當(dāng)量比、入口流速、管徑及摻氫比與穩(wěn)定火焰位置的關(guān)系．

1?實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

圖1?實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度維持在300K，濕度為76%．每種實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)結(jié)束后待石英玻璃管冷卻至室溫再開始下一組實(shí)驗(yàn)以確保點(diǎn)火狀態(tài)相同．實(shí)驗(yàn)過程中，甲烷、氫氣與氧氣分別由相應(yīng)的高壓儲(chǔ)氣瓶釋放，經(jīng)減壓閥減壓至0.2MPa后流向氣體流量調(diào)控系統(tǒng)，在到達(dá)微圓管前于預(yù)混合室內(nèi)充分混合，混合氣體在微圓管出口處被點(diǎn)火器點(diǎn)燃．用數(shù)碼相機(jī)對(duì)微圓管內(nèi)火焰?zhèn)鞑ゼ胺€(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行圖片記錄．后期處理過程中以微圓管出口端面中心為原點(diǎn)，出口中心到入口中心為正方向，圓管中心線為軸線繪制刻度標(biāo)尺，讀取并記錄穩(wěn)定火焰圖片中火焰的位置，以出現(xiàn)頻率最多的位置為有效值，將有效值?±0.5mm范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)取平均值，即為穩(wěn)定火焰的?位置．

(1)

(2)

2?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1?火焰?zhèn)鞑顟B(tài)

圖2?不同入口流速及當(dāng)量比下的火焰?zhèn)鞑顟B(tài)

圖3?火焰?zhèn)鞑顟B(tài)

2.1.1?管徑對(duì)火焰?zhèn)鞑顟B(tài)的影響

為探究管徑對(duì)火焰?zhèn)鞑顟B(tài)尤其是穩(wěn)定火焰與反復(fù)熄燃火焰的影響，選取h＝3.5mm、3.0mm、2.5mm的微圓管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，保持混合氣體的入口流速不變，逐漸減小當(dāng)量比，觀察并記錄管內(nèi)火焰的傳播狀態(tài)，如圖4所示．從圖中可以看出，＝0.5m/s時(shí)，h＝3.5mm、3.0mm、2.5mm的燃燒室內(nèi)，形成穩(wěn)定火焰的當(dāng)量比區(qū)間分別為：1.93～2.31、1.92～2.20與1.90～2.02，即微圓管的管徑越小，穩(wěn)定火焰對(duì)應(yīng)的當(dāng)量比區(qū)間越窄．此外，隨著管徑的減小，穩(wěn)定火焰出現(xiàn)在更低當(dāng)量比情況下．原因在于，入口流速相同時(shí)，微圓管的管徑越小，面容比越小，壁面熱量損失越大，只有降低當(dāng)量比使更多的燃料參與反應(yīng)才能獲得更多的熱量，以彌補(bǔ)壁面熱量損失，從而獲得穩(wěn)定火焰.由圖4還可得知，3種管徑的燃燒室內(nèi)出現(xiàn)反復(fù)熄燃火焰時(shí)，對(duì)應(yīng)的當(dāng)量比范圍均維持在1.79～1.93．這是因?yàn)?，在該?dāng)量比下，火焰?zhèn)鞑ニ俣却笥诨旌蠚饬鲃?dòng)速度，火焰向上游傳播至燃燒室入口后熄滅，后在出口處高溫氣體作用下，管內(nèi)的混合氣再次燃燒．若當(dāng)量比過高，只能在管外形成射流火焰；若當(dāng)量比接近化學(xué)當(dāng)量比，此時(shí)燃燒速度較大，當(dāng)燃燒速度大于入口氣體流速時(shí)，火焰發(fā)生回火后熄滅．

圖4?不同管徑微圓管內(nèi)的火焰?zhèn)鞑顟B(tài)

2.1.2?摻氫比對(duì)火焰?zhèn)鞑顟B(tài)的影響

圖5?不同摻氫比下火焰?zhèn)鞑顟B(tài)

2.2?穩(wěn)定火焰

2.2.1?當(dāng)量比對(duì)穩(wěn)定火焰位置的影響

圖6?入口流速為0.4m/s時(shí)不同當(dāng)量比下的穩(wěn)定火焰

圖7?不同當(dāng)量比下穩(wěn)定火焰的位置

2.2.2?入口流速對(duì)穩(wěn)定火焰位置的影響

圖8?不同入口流速下穩(wěn)定火焰的位置

2.2.3?管徑對(duì)穩(wěn)定火焰位置的影響

圖9為采用h＝2.5mm、3.5mm的燃燒室，得到的低入口流速(0.3～0.7m/s)與高入口流速(0.75～1.50m/s)時(shí)穩(wěn)定火焰位置變化規(guī)律．結(jié)合圖8與圖9可知，管徑越大，形成穩(wěn)定火焰的工況越多，并且低入口流速與高入口流速時(shí)，h＝2.5mm、3.0mm、3.5mm的燃燒室內(nèi)穩(wěn)定火焰位置的最大值分別為111.5mm與5mm、131.5mm與32.5mm、132mm與56.5mm．說明管徑越大，越易形成穩(wěn)定火焰，且火焰位置越接近燃燒室入口．這是因?yàn)槿紵夜軓皆酱?，面容比越小，散熱損失越小，火焰溫度越高，傳遞給壁面的熱量越多，高溫區(qū)域越接近上游，穩(wěn)定火焰位置也就越接近燃燒室入口．由圖9(a)、9(c)可知，低入口流速時(shí)，h＝2.5mm的燃燒室內(nèi)穩(wěn)定火焰的位置主要集中于燃燒室出口，h＝3.5mm的燃燒室內(nèi)穩(wěn)定火焰的位置均勻分布于通道中．說明管徑增加，火焰在燃燒室中的穩(wěn)定位置逐漸向中上游移動(dòng)．由圖9(b)、9(d)可知，高入口流速時(shí)，h＝2.5mm的燃燒室內(nèi)穩(wěn)定火焰的位置主要分布于距出口2mm的區(qū)域內(nèi)，h＝3.5mm的燃燒室內(nèi)穩(wěn)定火焰的位置集中分布于距出口25mm的區(qū)域內(nèi)．驗(yàn)證了上述管徑增加，穩(wěn)定火焰的位置逐漸向燃燒室中上游移動(dòng)的?結(jié)論．

2.2.4?摻氫比對(duì)穩(wěn)定火焰位置的影響

圖9?不同管徑燃燒室內(nèi)穩(wěn)定火焰的位置

圖10?不同摻氫比下穩(wěn)定火焰的位置

3?結(jié)?論

本文通過實(shí)驗(yàn)研究了石英玻璃材質(zhì)的微圓管內(nèi)甲烷/氫氣/氧氣預(yù)混合燃燒的火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律，并深入探討了燃燒室內(nèi)穩(wěn)定火焰位置隨當(dāng)量比、入口流速、管徑和摻氫比的變化規(guī)律．得到結(jié)論如下：

(1) 氣體入口流速為0.15～1.50m/s，當(dāng)量比為1.45～2.20，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的火焰?zhèn)鞑顟B(tài)分為：管外射流火焰、脈動(dòng)火焰、穩(wěn)定火焰和反復(fù)熄燃火焰．

(2) 管徑增加，穩(wěn)定火焰出現(xiàn)在更高當(dāng)量比條件下，而形成反復(fù)熄燃火焰的當(dāng)量比始終維持在1.79～1.93．此外，管徑越大，越容易形成穩(wěn)定火焰，并且火焰在燃燒室中的穩(wěn)定位置逐漸向中上游移動(dòng)．

(3) 摻氫比增加，穩(wěn)定火焰與反復(fù)熄燃火焰在較高當(dāng)量比時(shí)獲得，并且穩(wěn)定火焰對(duì)應(yīng)的當(dāng)量比范圍變寬，位置更接近出口．此外，摻氫比對(duì)穩(wěn)定火焰位置的影響程度隨著摻氫比的增加而降低．

(4) 當(dāng)量比分別為1.95、2.00、2.05、2.10的條件下，當(dāng)量比較高(2.00、2.05、2.10)時(shí)，穩(wěn)定火焰的位置均在出口附近；當(dāng)量比降低到1.95、流速大于0.75m/s時(shí)，穩(wěn)定火焰的位置也在出口附近，當(dāng)流速低于0.75m/s時(shí)，火焰穩(wěn)定在距出口50～60mm處．

(5) 低流速下，穩(wěn)定火焰的位置隨當(dāng)量比的變化更為敏感，隨著入口流速的增加，穩(wěn)定火焰的位置逐漸向出口移動(dòng)．

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Characteristics of Premixed Methane/Hydrogen/Oxygen Flame Propagation in Microchannel

Ren Huimin，Pan Jianfeng，Lu Qingbo，Wang Yu，Shao Xia

(School of Energy and Power Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)

Experimental investigations on the flame propagation characteristics of premixed methane/hydro-gen/oxygen were carried out in quartz glass microtubes. The impacts of tube diameter，mixing ratio，equivalence ratio，and inlet velocity on the flame propagation states and positions of stationary flame were analyzed. Results showed that jet flame，pulsated flame，stationary flame and oscillatory flame were observed in the experiment. Stationary flame was obtained at a high equivalence ratio，and its position approached the combustor inlet with the increase in tube diameter. At a higher mixing ratio，the stationary flame appeared at higher equivalence ratios and its position was closer to the combustor outlet. The stationary flame could only be obtained at low inlet velocities when the equivalence ratio was high，and it was stabilized at high inlet velocities when the equivalence ratio decreased. At low inlet velocities，the stationary flame was close to the combustor inlet when the equivalence ratio varied from 1.85 to 1.925，and its position was close to the outlet with the increase in inlet velocity. The equivalence ratio of the oscillatory flame varied from 1.79 to 1.93 with the increase in tube diameter，as well as from 1.79 to 2.12 with the increase in mixing ratio.

micro combustion；flame propagation states；position of stationary flame；methane/ hydrogen/oxygen；oscillatory flame

TK50

A

1006-8740(2019)03-0213-07

2018-10-08.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(91641113)；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20180872).

任慧敏（1993—），女，碩士研究生，renhuiminlogo@163.com.

潘劍鋒，男，博士，教授，mike@ujs.edu.cn.

10.11715/rskxjs.R201810001

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