摻氫對微尺度空間內(nèi)預混層流火焰轉(zhuǎn)捩爆燃特性的影響

蘇?航，霍杰鵬，汪小憨，蔣利橋，趙黛青

摻氫對微尺度空間內(nèi)預混層流火焰轉(zhuǎn)捩爆燃特性的影響

蘇?航1, 2, 3, 4，霍杰鵬1, 2, 3, 4，汪小憨1, 2, 3，蔣利橋1, 2, 3，趙黛青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；4. 中國科學院大學，北京 100049)

針對基于燃燒的微小型動力裝置存在燃燒效率低、火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷膯栴}，設(shè)計了一個可視化的、特征間距僅為 0.45mm的微尺度定容燃燒室，實驗比較了0～1的摻氫比例下，丙烷/氫氣/空氣預混火焰在該燃燒室內(nèi)的傳播以及加速過程．實驗發(fā)現(xiàn)沒有摻氫時，丙烷/空氣預混火焰需要在0.25MPa初始壓力下才能夠傳播；當摻氫比例為0.2時，火焰在傳播過程中會發(fā)生從緩燃到爆燃的轉(zhuǎn)變，這種燃燒模態(tài)的轉(zhuǎn)變可以大幅縮短燃燒室內(nèi)火焰?zhèn)鞑r間，極大提升火焰?zhèn)鞑ニ俣龋畬嶒炦€發(fā)現(xiàn)摻氫比例以及初始壓力的提升均能使得微尺度火焰?zhèn)鞑ニ俣忍嵘?/p>

微尺度燃燒；燃燒模式轉(zhuǎn)變；爆燃；定容燃燒

基于燃料燃燒的微型發(fā)動機具有高能量密度特性，能夠滿足無人機、微型機器人等智能裝備的供能需求，但燃燒效率低下成為了阻礙其應用的最大瓶?頸[1-3]．特征尺寸(狹縫寬度和圓管直徑等)大小在1mm以下的空間一般稱為微尺度空間，該尺度條件下火焰?zhèn)鞑ズ头磻锿Ａ魰r間由于強烈的熱損失和自由基淬熄而受到極大限制[4]．因此，如何在毫米量級或以下的燃燒裝置中提高燃燒效率、減少能量損失，仍是一個難以逾越的技術(shù)難題．

提高火焰?zhèn)鞑ニ俣仁墙鉀Q微尺度燃燒室內(nèi)燃燒效率低下問題的一個有效方式．一方面，火焰?zhèn)鞑ニ俣雀咭馕吨紵a(chǎn)物在一個工作周期內(nèi)的停留時間短，使火焰與壁面之間熱交換量降低，有利于減少散熱損失；另外，向壁面?zhèn)鲗У臒崃拷档停诿娌牧喜蝗菀走^熱，有利于燃燒裝置的長時間運行．

由于微尺度條件下流體流動的雷諾數(shù)較小，因此層流燃燒是微尺度條件下常見的燃燒方式．這時火焰?zhèn)鞑ニ俣容^低，較容易受壁面散熱影響而變得不穩(wěn)定甚至被淬熄．有研究通過添加催化劑[5-6]、引入凹腔或鈍體[7]、利用超焓燃燒[8-9]等手段拓寬微通道內(nèi)火焰的淬熄極限或改善火焰的穩(wěn)定性，以盡量抵消微尺度對火焰?zhèn)鞑サ囊种谱饔茫@些手段很難大幅度地提升火焰?zhèn)鞑ニ俣群腿紵龔姸龋?/p>

有學者研究發(fā)現(xiàn)，通過改變流速以及通道直徑，利用燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象可以誘發(fā)燃燒狀態(tài)的轉(zhuǎn)變. Wu等[10-11]觀測了管徑從0.5mm到3mm的光滑微管中的爆燃轉(zhuǎn)爆轟過程，發(fā)現(xiàn)火焰在最小的0.5mm直徑圓管內(nèi)的加速是最快的．Jang等[12]在一個開口的圓盤狹縫燃燒室中觀察了從2.45mm到8mm間距下皺褶火焰面的變化，發(fā)現(xiàn)間距越小，火焰面越不穩(wěn)定，越容易產(chǎn)生胞狀火焰．表明尺度越小，火焰面的不穩(wěn)定性越強，越容易產(chǎn)生皺褶火焰．由火焰不穩(wěn)定性所誘導的燃燒狀態(tài)轉(zhuǎn)變，可以使得火焰在合適的條件下從層流燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)楸忌踔帘Z，導致溫度、壓力以及火焰?zhèn)鞑ニ俣仍诙虝r間內(nèi)快速上升，燃燒強度極大提升，這種特性符合基于燃燒的微尺度能源系統(tǒng)對單位體積燃燒室的高燃燒強度和高燃燒效率的?要求[13]．

受限空間內(nèi)、極限條件下火焰燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)變的研究對設(shè)計微尺度爆震發(fā)動機等微型能源動力系統(tǒng)十分必要．目前國內(nèi)外僅有一些實驗結(jié)果表明當尺度縮小至1mm以下的毫米量級，火焰的傳播模式可能會發(fā)生轉(zhuǎn)變，發(fā)生層流燃燒向爆燃的轉(zhuǎn)捩，從而獲得較高的燃燒效率．但目前該尺度下的實驗數(shù)據(jù)仍十分缺乏，對火焰在如此狹窄的空間內(nèi)傳播特性的認識仍不充分．本文構(gòu)建了一個狹縫間距僅0.45mm的圓盤形燃燒室，實驗觀測了可燃混合氣在靜止狀態(tài)下點火、火焰低速外擴傳播再到爆燃的過程，對微尺度下燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)變規(guī)律進行了探討，為微尺度條件下的燃燒模態(tài)控制以及高效微尺度能源動力系統(tǒng)燃燒室結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)上的參考．

1?實驗裝置設(shè)計及實驗方法

實驗使用的微尺度燃燒室為由上下兩塊石英玻璃蓋板構(gòu)成，形成中間狹縫間距僅為0.45mm的封閉圓盤形內(nèi)腔，直徑為150mm．燃燒室上蓋板的中心布置有點火電極，由雙孔陶瓷管以及鎢絲組成．另外，在燃燒室半徑70mm處布置有測壓通道，用于測量火焰?zhèn)鞑ミ^程中燃燒室內(nèi)的瞬時壓力變化．燃燒室具體結(jié)構(gòu)如圖1所示．

實驗采用丙烷(純度大于99.9%)、氫氣(純度大于99.999%)作為燃料，壓縮干空氣作為氧化劑，分別由質(zhì)量流量計(MKSGE50a 誤差0.1%)控制，通過皂膜流量計對其進行標定．配比好的混合氣通過安捷倫氣相色譜儀取樣分析保證配氣成分符合設(shè)計當量比要求，并保證混合氣充分混合．每次實驗前，使用混合氣充氣以及真空泵排氣，上述過程重復30次，以確保燃燒室內(nèi)前一次燃燒所生成的熱量以及燃燒產(chǎn)物在換氣過程中被帶走．為減小火焰受浮力的影響，燃燒室水平放置．實驗系統(tǒng)如圖2所示．

圖1?微小空間定容燃燒室裝置和結(jié)構(gòu)

圖2?實驗系統(tǒng)示意

點火后，火焰面呈圓環(huán)狀外擴傳播，傳播過程通過高速攝像機(MEMRECAM HX-6)記錄，曝光時間為196.6μs，拍攝速度為5000f/s．同時通過示波器和壓力傳感器記錄火焰?zhèn)鞑ミ^程中燃燒室內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)，記錄頻率為200kHz．由于火焰面近似一個圓環(huán)，因此以圓環(huán)當量半徑作為火焰?zhèn)鞑グ霃?，提取的方法見筆者先前的研究[14]．

為獲得燃料特性對火焰?zhèn)鞑サ挠绊?，本文考察了氫氣比例h(氫氣在丙烷/氫氣混合燃料中所占的體積分數(shù))在0～1時的火焰?zhèn)鞑ヌ匦裕耶斄勘染?.0．另外，還考察了初始壓力0對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?，范圍?.1～0.3MPa．

2?實驗結(jié)果及討論

2.1?可燃極限

由于壁面?zhèn)鳠釗p失的作用，微小尺度下可燃混合氣的可燃極限相比于常規(guī)尺度大大減小[15]．如圖3所示，在特征尺度為＝0.45mm時，初始壓力0≥0.25MPa才可以讓丙烷/空氣混合氣被點燃并發(fā)生火焰?zhèn)鞑ィ@是由于0.45mm已經(jīng)小于丙烷/空氣常壓下的淬熄距離[16](1.6～1.7mm)，當初始壓力升高使混合氣淬熄距離減小，混合氣才能點燃并產(chǎn)生火焰?zhèn)鞑ィS著摻氫比例上升，混合氣可燃壓力極限隨之降低．這是由于氫氣的淬熄距離小于0.45mm[17]，當h達0.6后，丙烷/氫氣/空氣預混火焰才能夠在常壓下在0.45mm間距的狹縫內(nèi)完成整個傳播過程．

圖3 H＝0.45mm時，不同摻氫比Xh下的丙烷/氫氣/空氣混合氣的可燃極限

2.2?混合氣火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)以及摻氫比對火焰?zhèn)鞑サ挠绊?/h3>

圖4～圖9給出了0＝0.3MPa，＝0.45mm，＝1.0條件下，6個摻氫比h的火焰在不同時刻的傳播形態(tài)．如圖4所示，h＝0(純丙烷/空氣混合氣)時，火焰?zhèn)鞑ポ^緩慢，在燃燒室內(nèi)傳播時長超過75ms．而在摻氫比h＝0.2的條件下火焰只需要20ms左右就可以傳播完畢(見圖5)．隨著摻氫比的提升，火焰?zhèn)鞑r長繼續(xù)縮短，h＝0.4時(圖6)，約為11.8ms；h＝0.6時(見圖7)，約為9.4ms，h＝0.8時(見圖8)，約為5.6ms；h＝1.0時(見圖9)，約為4ms．可見，隨著摻氫比的增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@加快，這主要是因為氫氣的層流火焰速度約是丙烷的5倍，摻氫越多，混合物的火焰?zhèn)鞑ニ俣仍娇欤?/p>

圖4?Xh＝0時丙烷/氫氣/空氣混合氣火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)

需要特別指出的是，在h＝0.2時，觀察到火焰發(fā)生了從緩燃到爆燃的轉(zhuǎn)捩，如圖5所示．如圖10(a)所示，在h＝0.2時，混合氣火焰前鋒所形成的火焰環(huán)的當量半徑在6～15ms時間段內(nèi)幾乎不變，在15ms以后迅速增加，與圖5中的火焰?zhèn)鞑ハ鄬梢杂^察到這時火焰面出現(xiàn)明顯的擴張和皺褶，意味著火焰面面積快速增大，從而提高了燃燒速率，促進了轉(zhuǎn)捩的發(fā)生．如圖10(a)所示，火焰半徑在h＝0.2時先經(jīng)歷了初期的加速，然后進入了一個緩慢的停滯階段，最后曲線發(fā)生了轉(zhuǎn)折，斜率迅速增加，意味著火焰?zhèn)鞑ニ俣韧蝗患涌?，對應在圖5中發(fā)生的火焰從層流到爆燃的轉(zhuǎn)捩．

而在h＝0.4～1.0，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快，沒有出現(xiàn)火焰?zhèn)鞑ニ俣入S半徑增加而突然變化的情況．另外如圖10(a)所示，在h＝0.4～1.0時，火焰?zhèn)鞑グ霃诫S時間變化的曲線斜率沒有發(fā)生明顯變化．筆者認為是由于摻氫比例繼續(xù)提高后，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^高，燃燒室沒有足夠的空間讓轉(zhuǎn)捩發(fā)生．同時因為氫氣的淬熄極限小于特征間距0.45mm，在摻氫比例較高的條件下混合氣火焰穩(wěn)定性相對提升，可能導致其傳播條件不足以觸發(fā)燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)變．

如圖10(b)所示，h＝0時，丙烷/空氣混合氣在燃燒室內(nèi)傳播過程中，燃燒室壓力幾乎沒有升高，意味著燃燒所釋放的熱量幾乎都被散熱損失所抵消，導致該條件下火焰?zhèn)鞑ニ俣茸钚。畬τ谳^高的摻氫比(h＝0.4～1.0)，峰值壓力基本相當．氫氣的體積熱值低于丙烷的體積熱值，因此在相同的初始壓力下，h＝1.0時燃燒室內(nèi)未燃氣的熱值是相對最低的，h＝0時是最高的．但是h＝1.0時燃燒室內(nèi)峰值壓力反而略高于h＝0.2時，這表明火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊奶嵘欣谔岣呷紵剩瑴p少壁面的散熱損失．

當h＝0.2時，火焰在燃燒室內(nèi)停留時間是h＝1.0時的約5倍，其峰值壓力略低于h＝1.0時的峰值壓力．而沒有發(fā)生燃燒狀態(tài)轉(zhuǎn)捩的h＝0時，燃燒室壓力沒有升高．因此預混火焰?zhèn)鞑グl(fā)生轉(zhuǎn)捩之后，隨著火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊奶嵘?，燃燒室?nèi)熱釋放率大幅度提升，從而導致燃燒強度與效率大幅度提升．

圖10 p0＝0.3MPa，H＝0.45mm，φ＝1.0時不同摻氫比火焰?zhèn)鞑ギ斄堪霃胶突鹧娴娜紵覊毫﹄S時間變化

2.3?初始壓力對燃燒轉(zhuǎn)捩的影響

如圖11(a)所示，初始壓力越高，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍娇欤梢钥吹疆敵跏級毫H提升0.1MPa，傳播時間就可以從0＝0.2MPa時的39ms縮短為0＝0.3MPa時的21ms．因為爆燃的傳播速度比層流燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤旌芏?，因此在燃燒室?nèi)的火焰?zhèn)鞑r長取決于火焰發(fā)生燃燒狀態(tài)轉(zhuǎn)捩的時刻．這與Nagai等[18]和Pan等[19-21]的情況類似，當初始壓力越高時，火焰發(fā)生緩燃轉(zhuǎn)爆燃的距離和時間越短，而爆燃速度遠遠高于未發(fā)生爆燃的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，因此發(fā)生火焰燃燒狀態(tài)轉(zhuǎn)變的早晚很大程度上決定了燃燒室內(nèi)火焰?zhèn)鞑サ臅r間長短．

在微小空間內(nèi)，火焰在傳播過程中與壁面相接觸會導致很強的壁面散熱損失，且燃燒室間距越小，比表面積更大，熱損失的影響更明顯．散熱損失的存在會使火焰溫度比理論絕熱火焰溫度要低．由于火焰溫度對火焰?zhèn)鞑ニ俣绕饹Q定作用，因此在之前的研?究[22]中觀察到間距減小到一定程度后，強烈的散熱使火焰?zhèn)鞑ニ俣却蠓档停憩F(xiàn)為腔內(nèi)的壓力變化很弱，無明顯的壓力上升，如圖11(b)中0＝0.175MPa時的壓力曲線所示．

雖然初始壓力的升高會輕微降低混合氣的層流火焰速度，但提升初始壓力導致燃燒室內(nèi)混合氣濃度上升，即增加了單位體積內(nèi)混合氣的量，使單位體積內(nèi)燃燒反應中釋放的熱量上升，降低了散熱損失的影響，使火焰溫度更高．因此整體上，如圖11(a)所示，壓力升高會使火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾覽22]．并且可以發(fā)現(xiàn)在本實驗中少量的初始壓力變化會使火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓艽?，因此在微尺度條件下，初始壓力對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊戇h遠比常規(guī)尺度時要大．

3?結(jié)?論

(1) 實驗發(fā)現(xiàn)，由于特征間距0.45mm小于常溫常壓下丙烷/空氣混合氣的淬熄距離，因此混合氣火焰需要在 0.25MPa初始壓力下才能夠著火并傳播．隨著摻入氫氣比例的提高，火焰?zhèn)鞑ニ枰某跏級毫档?，讓丙?氫氣/空氣混合氣火焰在常壓下實現(xiàn)傳播所需要的最小摻氫比例為h＝0.6．

(2) 通過實驗發(fā)現(xiàn)在燃料中摻混適量的氫氣會使得微尺度條件下火焰?zhèn)鞑グl(fā)生從緩燃到爆燃的模態(tài)轉(zhuǎn)變．因為爆燃可以極大縮短燃燒室內(nèi)的火焰?zhèn)鞑r間，提升火焰?zhèn)鞑ニ俣龋虼诉@種燃燒模態(tài)的轉(zhuǎn)變有利于微尺度燃燒強度和燃燒效率的提升．

(3) 初始壓力的提升對火焰?zhèn)鞑ニ俣忍嵘男Ч浅Ｃ黠@，這是由于提高了單位體積內(nèi)燃燒反應中釋放的熱量，從而抵消了部分散熱損失的影響，因此可獲得較高的峰值壓力，即獲得了更高的燃燒強度．

［1］ Fu K，Knobloch A J，Martinez F C，et al. Design and fabrication of a silicon-based MEMS rotary engine[C]//. New York，2001.

［2］ Epstein A，Senturia S，Al-Midani O，et al. Micro-heat engines，gas turbines and rocket engines：The MIT microengine project[C]//28. Snowmass Village，CO，USA. 1997.

［3］ Zhang K，Chou S，Ang S S. MEMS-based solid propellant microthruster design，simulation，fabrication，and testing[J].，2004，13(2)：165-175.

［4］ Daou J，Matalon M. Influence of conductive heat-losses on the propagation of premixed flames in channels[J].，2002，128(4)：321-339.

［5］ Zhong Beijing，Yu Yawei. The surface and gas-phase reactions in microscale catalytic partial oxidation of-butane/air mixture[J].，2016，186：623-628.

［6］ Li Fan，Yang Haolin，Zeng Xiaojun，et al. Enhancing the flame stability in a slot burner using yttrium-doped zirconia coating[J].，2020，262：116502.

［7］ Wan J，F(xiàn)an A，Maruta K，et al. Experimental and numerical investigation on combustion characteristics of premixed hydrogen/air flame in a micro-combustor with a bluff body[J].，2012，37(24)：19190-19197.

［8］ Kim N I，Aizumi S，Yokomori T，et al. Development and scale effects of small Swiss-roll combustors[J].，2007，31(2)：3243-3250.

［9］ Kunte A，Raghu A K，Kaisare N S. A spiral microreactor for improved stability and performance for catalytic combustion of propane[J].，2018，187：87-97.

［10］ Wu M-H，Burke M P，Son S F，et al. Flame acceleration and the transition to detonation of stoichiometric ethylene/oxygen in microscale tubes[J].，2007，31(2)：2429-2436.

［11］ Wu M-H，Lu T-H. Development of a chemical microthruster based on pulsed detonation[J].，2012，22(10)：105040.

［12］ Jang H J，Jang G M，Kim N I. Unsteady propagation of premixed methane/propane flames in a mesoscale disk burner of variable-gaps[J].，2019，37(2)：1861-1868.

［13］ 何建男，范?瑋. 微尺度爆震燃燒研究進展[J]. 實驗流體力學，2016，30(1)：15-27.

He Jiannan，F(xiàn)an Wei. Progress in the microscale detonation research[J].，2016，30(1)：15-27(in Chinese)

［14］ Jiang Liqiao，Su Hang，Huo Jipeng，et al. Experimental study on propane/air flame propagation characteristics in a disc-like gap chamber[J].，2019，191(7)：1168-1183.

［15］ Law C K.[M]. Cambridge：Cambridge University Press，2010.

［16］ Ferguson C R，Keck J C. On laminar flame quenching and its application to spark ignition engines[J].，1977，28：197-205.

［17］ Fukuda M，Korematsu K，Sakamoto M. On quenching distance of mixtures of methane and hydrogen with air [J].，1981，24(193)：1192-1197.

［18］ Nagai K，Okabe T，Kim K，et al.[M]. Berlin，Heidel-berg：Springer，2009.

［19］ 張彭崗，朱躍進，潘振華，等. 初始壓力和狹縫寬度對毫米量級狹縫內(nèi)爆轟起爆距離的影響[J]. 爆炸與沖擊，2016，36(4)：441-448.

Zhang Penggang，Zhu Yuejin，Pan Zhenhua，et al. Effects of initial pressure and gap width on detonation initiation distance in a narrow gap with millimeter-scale width[J].，2016，36(4)：441-448(in Chinese).

［20］ Pan Z，Chen K，Pan J，et al. An experimental study of the propagation characteristics for a detonation wave of ethylene/oxygen in narrow gaps[J]，2017，88：354-360.

［21］ Pan Z，Chen K，Qi J，et al. The propagation characteristics of curved detonation wave：Experiments in helical channels[J].，2019，37(3)：3585-3592.

［22］ Clavin P.[M]. Cambridge：Cambridge University Press，2016.

Effects of Hydrogen Blending Ratio on the Characteristics of Deflagration Transition for Laminar Premixed Flame in a Micro-Scale Space

Su Hang1,2,3,4，Huo Jiepeng1,2,3,4，Wang Xiaohan1,2,3，Jiang Liqiao1,2,3，Zhao Daiqing1,2,3

(1. Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China；2. CAS 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；4. University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

Aimed at the problems of low combustion efficiency and low flame propagation speed in micro-scale power devices which utilize combustion，a visualized constant-volume combustion chamber was fabricated，of which the characteristic length was as small as 0.45mm. Propane/hydrogen/air mixture was adopted in the experiments and the hydrogen blend ratio was changed from 0 to 1. The flame propagation behavior and the flame acceleration were investigated. The experimental results show that the propagation of propane/air flame required an initial pressure of at least 0.25MPa. When the hydrogen blending ratio was 0.2，the transition from slow combustion to deflagration occurred in the process of flame propagation. The conversion of the combustion mode greatly shortened the flame propagation time in the combustion chamber and remarkably increased the flame propagation speed. Moreover，the increase of hydrogen blending ratio and the initial pressure were significantly beneficial to the enlargement of flame propagation speed.

micro-scale combustion；combustion mode transition；deflagration；constant-volume combustion

TK16

A

1006-8740(2021)01-0023-06

10.11715/rskxjs.R202006010

2020-06-08．

國家自然科學基金資助項目(51976219)；中科院可再生能源重點實驗室資助基金(y907j91001).

蘇?航（1991—??），男，博士，8wy8279108@163.cm.

霍杰鵬，男，博士，助理研究員，huojp@ms.giec.ac.cn.