微尺度細(xì)管內(nèi)熱損失對火焰動(dòng)力學(xué)的影響

張?坤，Valiev Damir

微尺度細(xì)管內(nèi)熱損失對火焰動(dòng)力學(xué)的影響

張?坤1, 2, 3，Valiev Damir1, 2, 3

(1. 清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系，北京 100084；2. 清華大學(xué)燃燒能源中心，北京 100084；3. 清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

針對微尺度細(xì)管內(nèi)火焰?zhèn)鞑栴}，通過數(shù)值模擬研究了點(diǎn)火能量和壁面熱損失對火焰?zhèn)鞑ツＪ降挠绊?數(shù)值模擬中觀察到熄火現(xiàn)象和低速穩(wěn)定傳播的火焰，但并未觀察到爆燃向爆轟轉(zhuǎn)變. 在以二維管道高度和初始已燃區(qū)長度構(gòu)成的坐標(biāo)圖中，低速穩(wěn)定火焰?zhèn)鞑ツＪ匠尸F(xiàn)半島形，具有上、下兩個(gè)熄火極限，其中熄火下極限位于由初始點(diǎn)火區(qū)域面容比決定的雙曲線上方．對于低速穩(wěn)定火焰?zhèn)鞑ツＪ?，火焰尖端的傳播速度與層流火焰速度較為接近．火焰面前方的氣體幾乎靜止，火焰面后方有一個(gè)回流區(qū)，已燃?xì)怏w向閉口端運(yùn)動(dòng)．

爆燃；熄火；點(diǎn)火能量；熱損失

微尺度細(xì)管內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ナ侨紵茖W(xué)中的一個(gè)基本問題．其在微型燃燒器、爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)以及火災(zāi)事故預(yù)防等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用．在物理尺度小于1mm的微型燃燒器和微型推進(jìn)器中，成功點(diǎn)火和火焰穩(wěn)定是需要解決的關(guān)鍵問題[1]．在爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)中，一種起爆的方法是細(xì)管內(nèi)火焰加速及爆燃向爆轟轉(zhuǎn)變．這種方法可以縮短起爆的時(shí)間和距離[2]．成功實(shí)現(xiàn)火焰加速需要了解細(xì)管內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律．阻火器廣泛應(yīng)用在石油天然氣輸送管道中．它的核心部件是一系列平行的細(xì)管，火焰穿過這些細(xì)管時(shí)會(huì)發(fā)生淬熄，進(jìn)而阻止爆燃向爆轟轉(zhuǎn)變[3]．研究細(xì)管內(nèi)的火焰?zhèn)鞑タ梢暂o助阻火器的設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)裝置輕量化的同時(shí)確保在火災(zāi)事故發(fā)生時(shí)保護(hù)油氣輸送管路．

在實(shí)際燃燒設(shè)備和阻燃裝置中通常存在壁面熱損失．壁面熱損失減小了已燃區(qū)氣體的熱膨脹，阻止火焰加速．而根據(jù)Schelkin火焰加速機(jī)理和Bychkov等[4]的火焰加速理論，已燃區(qū)氣體的熱膨脹對管內(nèi)火焰加速有重要作用．化學(xué)反應(yīng)釋熱引發(fā)已燃區(qū)氣體熱膨脹，壁面熱損失則會(huì)使其收縮．這兩種效應(yīng)的競爭對細(xì)管內(nèi)火焰的傳播模式的影響值得研究. Akkerman等[5]通過理論預(yù)測了穩(wěn)定傳播的低速燃燒波，但未在模擬中觀察到．Akkerman等[5]的理論將火焰面簡化成無限薄的間斷面，只考慮了氣體熱膨脹而忽略了詳細(xì)的火焰結(jié)構(gòu)．與之相比，反應(yīng)擴(kuò)散模型考慮了詳細(xì)的火焰結(jié)構(gòu)但忽略了氣體熱膨脹[6]．如果采用該模型，理論上可以證明二維和三維行波解的存?在[7].數(shù)值模擬中也觀察到穩(wěn)定的低速燃燒波，例如Daou等[8]發(fā)現(xiàn)管道中央燃燒波持續(xù)傳播而壁面附近發(fā)生淬熄．Short等[9]拓展了Daou等[8]的模型，考慮了氣體密度變化，在模擬中觀察到穩(wěn)定傳播的低速燃燒波．Wang等[10]數(shù)值求解了包含化學(xué)反應(yīng)的可壓縮納維-斯托克斯方程，觀察到了熄火現(xiàn)象，壁面的熱損失阻止了爆燃向爆轟轉(zhuǎn)變．Han等[11]在數(shù)值模擬中觀察到火焰震蕩，但其并未轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z．在管內(nèi)乙烯氧氣預(yù)混氣燃燒實(shí)驗(yàn)中，Wu等[12]發(fā)現(xiàn)了爆燃向爆轟轉(zhuǎn)變，震蕩火焰，穩(wěn)定低速火焰和熄火現(xiàn)象．Du等[13]在毫米級(jí)乙烯氧氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑?shí)驗(yàn)中增加當(dāng)量比，依次觀察到穩(wěn)定低速火焰，忽停忽動(dòng)火焰，震蕩火焰，震蕩火焰轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z以及忽停忽動(dòng)火焰轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z．

文獻(xiàn)中描述了細(xì)管內(nèi)的多種火焰?zhèn)鞑ツＪ?，但鮮見探究初始條件對管內(nèi)火焰?zhèn)鞑ツＪ接绊懙恼撐模疄榱颂骄奎c(diǎn)火能量和壁面熱損失對光滑細(xì)管內(nèi)火焰?zhèn)鞑ツＪ降挠绊?，筆者針對二維細(xì)管高度和初始點(diǎn)火高溫區(qū)的長度做了一系列參數(shù)研究．二維細(xì)管高度和初始點(diǎn)火高溫區(qū)的長度刻畫了初始時(shí)刻加入系統(tǒng)中的能量和壁面熱損失．

1?數(shù)值方法

筆者數(shù)值求解了如下包含化學(xué)反應(yīng)和輸運(yùn)過程的可壓縮納維-斯托克斯方程：

本文模擬中使用的代碼被大量應(yīng)用于層流預(yù)混火焰和燃燒穩(wěn)定性等問題的研究[15]，也應(yīng)用于冷壁面熄火研究[16]．求解器采用基于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的有限體積法求解了二維可壓縮納維-斯托克斯方程，采用半離散的方法，利用二階龍格-庫塔法進(jìn)行時(shí)間推進(jìn)，空間方向上對流項(xiàng)的離散格式為四階精度，黏性項(xiàng)的離散格式為二階精度．

2?結(jié)果與討論

2.1?點(diǎn)火能量和壁面熱損失對火焰?zhèn)鞑ツＪ降挠绊?/h3>

圖2 二維管道高度和初始點(diǎn)火高溫區(qū)長度對火焰?zhèn)鞑ツＪ降挠绊?/p>

圖3?火焰面尖端的速度

表1?熄火下極限

Tab.1?Quenching limit for the lower branch

2.2?對低速穩(wěn)定火焰的分析

下面對火焰尖端的速度做出估計(jì)．火焰面形狀可以描述為：

圖5?低速穩(wěn)定燃燒波火焰面附近的速度場和流線

將公式(13)和公式(12)代入公式(11)，可得：

3?結(jié)?語

本文的研究工作受到國家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào)52176118)和青年千人項(xiàng)目的支持．Florian Schmidt副教授為數(shù)值模擬提供幫助，筆者與繆承希進(jìn)行了討論，在此表示感謝．

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Influence of Heat Loss on Flame Dynamics in Microscale Channels

Zhang Kun1, 2, 3，Valiev Damir1, 2, 3

(1. Department of Energy and Power Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China；2. Center for Combustion Energy，Tsinghua University，Beijing 100084，China；3. Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education，Tsinghua University，Beijing 100084，China)

The numerical study is focused on the influence of ignition energy and heat loss on the flame propagation regimes in microscale narrow channels with non-slip walls. Within the range of channel heights adopted in simulations，extinction and quasi-steady deflagration are observed while deflagration-to-detonation transition is not. Flame quenching and propagation modes are mapped in a diagram against channel height and initial burned zone length. The peninsula-shaped diagram exhibits two quenching limits. The criterion for the lower quenching limit is formulated based on surface-to-volume ratio. For the quasi-steady deflagration，the flame tip velocity is around laminar flame speed. The flow field upstream of the flame is nearly motionless，and the gas in the burned zone is moving backwards towards the closed end.

deflagration；extinction；ignition energy；heat loss

TK401

A

1006-8740(2022)04-0397-06

10.11715/rskxjs.R202206006

2021-04-07.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(52176118).

張?坤（1996—??），男，博士研究生，zhang-k18@mails.tsinghua.edu.cn.

Valiev Damir，男，博士，副教授，dvaliev@tsinghua.edu.cn.

(責(zé)任編輯：梁?霞)