“雙碳”背景下火焰速度測量實驗設(shè)計與教學(xué)改革

朱燕群， 朱潤凡， 谷月玲， 管文潔

（浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點實驗室，杭州 310027）

0 引 言

從2021年3月全國學(xué)科評估數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)59所高校擁有動力工程及工程熱物理一級學(xué)科，并開設(shè)了能源與環(huán)境系統(tǒng)工程或熱能工程相關(guān)專業(yè)，為我國能源與動力拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)做出了重要貢獻。實驗教學(xué)質(zhì)量是重要的評估指標之一，高質(zhì)量的實驗教學(xué)才能確保工科大學(xué)生的綜合素質(zhì)、創(chuàng)新思維能力、工程思維能力和實踐技能的全方位提升［1］。

“雙碳”背景下，我國將大力推進新能源、可再生能源、儲能技術(shù)、碳學(xué)科等重要的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，碳中和領(lǐng)域高精尖人才培養(yǎng)是現(xiàn)階段能源與動力專業(yè)教育事業(yè)的重要任務(wù)之一。

能源與環(huán)境實驗是能源與環(huán)境系統(tǒng)工程專業(yè)的必修課，是提升大學(xué)生實踐能力的重要環(huán)節(jié)，該實驗課程始終堅持以學(xué)生為主體、以教師為主導(dǎo)、以問題為導(dǎo)向，秉承“夯實基礎(chǔ)、注重素質(zhì)、強化實踐、培養(yǎng)工程能力及鼓勵創(chuàng)造”的實踐教學(xué)理念，針對專業(yè)實驗課程的精品化、實驗教材的高質(zhì)量、實驗教學(xué)內(nèi)容的新穎化、突顯雙碳內(nèi)涵等領(lǐng)域開展探索和實踐，被認定為浙江省線上線下混合式一流課程，其中一個虛擬仿真實驗也認定為校級一流課程。

為了更好地發(fā)揮實驗教學(xué)的引領(lǐng)和示范作用，科教協(xié)同，自研自制了一套基于熱流量法的燃燒火焰速度定量測量的實驗教學(xué)裝置，以精確測量氫氣、氨氣、甲烷、乙烷、丙烷等低碳、零碳氣體燃料和液體燃料的絕熱層流火焰速度為設(shè)計目標，8～10人的小班化教學(xué)，構(gòu)建了學(xué)生自主設(shè)計實驗方案、協(xié)同完成TBL（Team-Based Learning，小組合作學(xué)習(xí)）目標實驗、以學(xué)生為主體、教師引導(dǎo)、多維互動的實踐教學(xué)新模式，滿足新時代工科生的實驗教學(xué)需求，為全面提升學(xué)生的綜合素質(zhì)奠定基礎(chǔ)。

1 火焰速度的測量

開發(fā)新型低碳氣體燃料如煤基、生物質(zhì)、有機廢棄物的氣化產(chǎn)生的合成氣以及氫氣、NH3等零碳能源的多元化利用是實現(xiàn)我國“碳中和”宏偉目標的關(guān)鍵。掌握火焰速度的測量方法，認識燃料的燃燒特性，具備扎實的燃燒理論知識，是實現(xiàn)我國能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變革與產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵［2］。

層流火焰速度［2］，亦稱層流燃燒速度，是重要的基礎(chǔ)燃燒參數(shù)，它是指預(yù)混可燃物的火焰前鋒沿其法線方向相對于未燃混合氣的推進速度，與火焰穩(wěn)定性、火焰高度以及污染物排放密切相關(guān)，精確測量層流火焰速度是研究燃料燃燒特性的基礎(chǔ)。

層流火焰速度的測量方法主要包括本生燈法、停滯流法、對沖火焰法、球形爆炸法、熱流量法等，不同方法的優(yōu)缺點各異。

本生燈火焰法由Bunsen在1855年提出，是最簡單、最成熟的穩(wěn)定預(yù)混燃燒方法，由于本生燈火焰能為多維燃燒場提供最簡單的模型［3］。該方法是通過測量反應(yīng)區(qū)域的錐形火焰前沿的表面積來間接計算層流火焰速度，由于把火焰前沿看作直角錐體而引入了誤差，從而影響層流火焰速度的測量結(jié)果。

停滯流法是一種直接測量火焰速度的方法，改變來流未燃氣體流速，通過外插法獲得零拉伸層流火焰速度，但需要花費大量的時間進行試驗測量。Khalil等［4］曾用本生燈法和停滯流法對稀薄預(yù)混H2／CO／CO2合成氣的層流燃燒速度進行了測量與對比，認為停滯流法比本生燈法更精確。

對沖火焰法的測量原理跟停滯流法非常相似，都是先測量軸向速度分布，獲得拉伸層流火焰速度，然后改變流速，計算不同的拉伸率和相應(yīng)的拉伸火焰速度，通過外插法獲得零拉伸層流火焰速度，但對沖火焰法在火焰速度高于150 cm／s時精度不高。

球形爆炸法由Nair等［5］在1974年提出，是指燃料與空氣的混合氣在燃燒器爐膛的中心由一個電火花點燃，然后膨脹燃燒向外擴散。通過紋影法可以拍到火焰前鋒，能夠?qū)崟r反映火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

熱流量法由De Goey等［6］在1993年最先提出，該方法利用一個多孔黃銅板作燃燒器，通過熱補償實現(xiàn)動態(tài)熱平衡，從而獲得絕熱零拉伸一維平面火焰；通過改變來流氣體的流速，測量亞絕熱狀態(tài)和過絕熱狀態(tài)下的燃燒速度，然后通過內(nèi)插法直接計算獲得絕熱狀態(tài)下的零拉伸層流火焰速度。可見，熱流量法無需外插即可獲得絕熱狀態(tài)下的零拉伸層流火焰速度，與其他方法相比具有明顯的優(yōu)勢和先進性。為此，本實驗將基于熱流量法的層流火焰速度測量裝置開展實驗教學(xué)。

2 測量系統(tǒng)介紹

自主設(shè)計開發(fā)的基于熱流量法的層流火焰速度測量系統(tǒng)如圖1所示，主要包括給氣系統(tǒng)、預(yù)混單元、燃燒系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

圖1 基于熱流量法的層流火焰速度測量系統(tǒng)

給氣系統(tǒng)包括高純氣瓶、不銹鋼管路、質(zhì)量流量計和閥門。燃料和氧化劑由高純氣瓶提供，通過不銹鋼管路連接預(yù)混單元的進口，管道上沿高純氣瓶出口至預(yù)混單元進口方向上設(shè)有質(zhì)量流量計。預(yù)混單元為一根3 m左右的聚四氟乙烯管，預(yù)混單元出口與熱流量爐底部的預(yù)混氣體進口相連接。

燃燒系統(tǒng)包括熱流量爐、恒溫水浴鍋和恒溫油浴鍋。熱流量爐由爐膛、爐頭和爐盤3部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。爐膛為一夾層結(jié)構(gòu)，夾層外通水并連接一個恒溫水浴鍋控制水溫，用以保證預(yù)混氣體的溫度恒定。沿著爐膛內(nèi)壁四周（離底部約1／8處）焊接了一塊布風(fēng)板，可在一定速度范圍內(nèi)使來流在出口處達到均勻分布。爐頭為一漸縮結(jié)構(gòu)，爐頭下部通過一個橡膠環(huán)與爐膛密封連接，爐頭上部與爐盤相連，兩者之間裝有陶瓷環(huán)用以阻斷熱傳遞。爐頭頂部四周設(shè)有一圈加熱槽，加熱槽中的加熱油外連一個恒溫油浴鍋，以加熱爐盤使其溫度維持穩(wěn)定。爐盤為一厚2 mm、直徑30 mm的帶孔黃銅圓盤［見圖3（a）］，小孔以六面晶格的方式均勻排列，8只熱電偶嵌入距爐盤中心不同半徑處的8個小孔內(nèi)［見圖3（b）］，小孔直徑為0.3 mm，孔間距為0.4 mm，用以測量盤片的溫度分布，熱電偶的尾端接入數(shù)據(jù)采集儀。

圖2 熱流量爐實物

圖3 爐盤實物

控制系統(tǒng)包括電腦和數(shù)據(jù)采集儀，質(zhì)量流量計和數(shù)據(jù)采集儀則由自行編寫的LabVIEW程序控制，實現(xiàn)流量控制、溫度數(shù)據(jù)讀取、危險情況急停等操作。

若開展實驗的燃料是液體燃料（如正庚烷、異辛烷、甲醇、乙醇等）時，在氣體燃料火焰速度測量系統(tǒng)基礎(chǔ)上需前置一個液體蒸發(fā)裝置，液體燃料在混合器裝置與惰性氣體（一般為氮氣）碰撞，破碎成小液滴，由氮氣攜帶氣溶膠至加熱單元（200℃）將液體燃料完全氣化后再通入熱流量爐進行測量。

3 熱流量法的測量原理

熱流量法測量的基本原理是當一維平面火焰穩(wěn)定在盤片上，來流氣體通過爐盤獲得的熱量Q2與火焰向爐盤的傳熱Q1之間達到平衡，即火焰對外的傳熱全部來加熱未燃氣體時，即可獲得絕熱穩(wěn)定平面火焰。測試原理如圖4所示，未燃預(yù)混氣體從底部進入爐腔，爐腔周圍由一圈循環(huán)冷水準確控制未燃物溫度Tu；未燃氣體繼續(xù)向上流動至多孔黃銅片；因小孔的節(jié)流作用，火焰在距爐盤δa處達到穩(wěn)定的平面狀態(tài)。若以盤片為參考對象，其接受來自火焰的熱流Q1，并把熱流Q2傳遞給未燃氣體。因為火焰對黃銅盤片的傳熱遠大于其向周圍環(huán)境的散熱，因此若Q1＝Q2，則相當于穩(wěn)定火焰所需要的熱損失和未燃氣體從爐盤獲得的熱量之間達到平衡時，即認為火焰達到了絕熱狀態(tài)。

圖4 熱流量法原理示意圖

爐盤的熱傳導(dǎo)狀態(tài)可以由爐盤上的溫度分布直接反映。根據(jù)理論分析，盤片溫度分布服從拋物線關(guān)系，可用公式來表達：

式中：T（r）為在盤片半徑r處的溫度；T（0）為盤片中心的溫度；C為二次項系數(shù)。在實驗中，改變來流氣體速度u會導(dǎo)致C隨之改變，當讀取的二次項系數(shù)C＝0時，其來流速度即為無拉伸的絕熱層流火焰速度。

4 實驗步驟

（1）根據(jù)各個儀器裝置，檢查管路，保證試驗系統(tǒng)密閉性。

（2）根據(jù)試驗工況，按照實驗所需初始溫度來設(shè)置恒溫水浴鍋的溫度，一般設(shè)置為25℃，若實驗初始溫度大于100℃，則需要將水浴鍋內(nèi)的介質(zhì)水替換為二甲基硅油，最高工作溫度為300℃；恒溫油浴鍋的設(shè)定溫度一般比水浴鍋設(shè)定溫度高50℃以上。

（3）打開惰性載氣、氧化劑氣體和燃料氣體氣瓶的閥門開關(guān)，根據(jù)試驗工況，在自行編寫的LabVIEW程序的前面板中輸入對應(yīng)工況的當量比、燃料摻混比、未燃氣的來流速度，通過LabVIEW軟件來控制質(zhì)量流量計的輸入值，保證燃料、氧化劑和惰性載氣按給定的比例混合。

（4）各支路的氣態(tài)原料進入預(yù)混器進行充分混合后，預(yù)混未燃物被送至熱流量爐的底部進口，由布風(fēng)板分散均勻后依次通過爐膛、爐頭和爐盤，最終在盤片上方被點火裝置點燃，形成一維平面火焰。

（5）通過嵌入熱流量爐盤片不同半徑距離的多只熱電偶，測量得到爐盤的溫度分布Ti（i＝1，2，…，n），對爐盤溫度分布進行二次多項式擬合：Tr＝T0＋Cr2。其中：Tr為在盤片半徑r處的溫度；T0為爐盤中心的溫度；r為盤片上目標點到爐盤中心的徑向距離。經(jīng)計算得到二次項系數(shù)C。

（6）調(diào)節(jié)預(yù)混未燃物的流速，重復(fù)步驟（5）得到不同流速下的二次項系數(shù)C。

（7）對二次項系數(shù)C隨未燃物流速的變化情況進行線性擬合，得到C＝0處的流速大小，即為燃料的層流火焰速度值SL。

（8）通過計算熱電偶測溫波動導(dǎo)致的誤差ΔSTLC和流量計控制流量波動導(dǎo)致的誤差ΔSMLFC，計算得到實驗測量的層流火焰速度誤差ΔSL（ΔSL＝ΔSTLC＋ΔSMLFC）。

5 實驗結(jié)果與分析

圖5所示為3種燃料在Tu＝298 K（T0u）下的層流火焰速度實驗測量和模擬結(jié)果，同時引用了文獻中的實驗結(jié)果用以對比。這些文獻結(jié)果分別使用平面火焰法［7-8］、對沖火焰法［9-10］、本生燈法［11-12］、球形爆炸法［13］以及熱流量法［14］。經(jīng)計算，本實驗裝置的測量誤差ΔSL均在±1 cm／s內(nèi)。3種燃料的測量數(shù)據(jù)與文獻數(shù)據(jù)幾乎重疊，證明本實驗裝置可以有效測定氣體燃料的層流火焰速度，滿足本科實驗的教學(xué)需求。

圖5 298 K下甲烷、乙烷、丙烷＋空氣的層流火焰速度

實驗過程中深度耦合了直觀演示式教學(xué)法和任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)法，基于TBL任務(wù)性實驗，學(xué)生嚴格按照實驗步驟，通過LabVIEW程序界面改變?nèi)剂辖M合（甲烷、氨氣、一氧化碳、氫氣）、給氣速度、燃料摻混比（0%～100%）、當量比（0.7～1.6）、未燃物初始溫度（25～80℃）等參數(shù)。根據(jù)試驗工況計算得到不同氣體的流量值并進行輸入，根據(jù)預(yù)設(shè)的給氣速度調(diào)整未燃物給氣速度，記錄每次試驗結(jié)果，直到找到C＝0時所對應(yīng)的未燃物的流速。因為，C＝0時所對應(yīng)的未燃物的流速，即為該燃料摻混比、當量比、初始溫度值條件下的燃料的層流火焰速度值。待該實驗工況結(jié)束后，根據(jù)實驗步驟進入下一個實驗工況，直至所有實驗工況完成為止。

6 結(jié) 語

在新形勢下，對人才培養(yǎng)的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)提出了新的要求，秉承“夯實基礎(chǔ)、注重素質(zhì)、培養(yǎng)能力、鼓勵創(chuàng)造”的實踐教學(xué)理念，專業(yè)實驗融入了“雙碳”內(nèi)涵?；赥BL任務(wù)性實驗，開展低碳氣體層流火焰速度測量，學(xué)生不僅發(fā)現(xiàn)燃料的層流火焰速度與燃料的組分、當量比、給氣速度密切相關(guān)，而且掌握了火焰燃燒速度測量的原理及方法，既加深學(xué)生對燃燒理論知識的理解，又顯著提升了學(xué)生的實踐動手能力和工程素養(yǎng)。為此，本科生的實驗教學(xué)質(zhì)量得到了明顯改善。