微型定容燃燒腔內(nèi)C2～C4烷烴/空氣火焰?zhèn)鞑?/h1>
2016-11-18 06:33:27蘇航蔣利橋曹海亮劉秦飛李言欽趙黛青
化工學(xué)報(bào) 2016年11期
蘇航，蔣利橋，曹海亮，劉秦飛，李言欽，趙黛青
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微型定容燃燒腔內(nèi)C2～C4烷烴/空氣火焰?zhèn)鞑?/p>
蘇航1,2，蔣利橋1，曹海亮2，劉秦飛1，李言欽2，趙黛青1
（1中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣東廣州 510640；2鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南鄭州 450001）
在直徑35 mm、高度2 mm光學(xué)可視的定容燃燒腔內(nèi)，實(shí)驗(yàn)研究了常溫常壓靜止乙烷/空氣、丙烷/空氣和正丁烷/空氣預(yù)混氣在燃燒腔中心由電火花點(diǎn)燃后向外傳播的火焰?zhèn)鞑ヌ匦浴＝Y(jié)果表明：3種燃料空氣混合氣可形成火焰?zhèn)鞑サ漠?dāng)量比范圍不同，范圍由大到小排序?yàn)橐彝?丙烷>正丁烷；3種燃料均存在由光滑火焰面向褶皺火焰面轉(zhuǎn)變的傳播形態(tài)；在微型定容燃燒腔內(nèi)，3種燃料的火焰?zhèn)鞑ニ俣染陀诔Ｒ?guī)尺度下定容燃燒彈內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣?，且火焰?zhèn)鞑ニ俣入S半徑增加而減??；隨著當(dāng)量比增加，火焰鋒面容易出現(xiàn)褶皺和斷裂現(xiàn)象，在高當(dāng)量比情況下，火焰?zhèn)鞑?huì)出現(xiàn)短暫停滯。
微尺度燃燒；定容燃燒；火焰?zhèn)鞑ィ换鹧骜薨?；傳播速?/p>
引 言
基于燃料燃燒的微型能源動(dòng)力系統(tǒng)具有能量密度高和續(xù)能方便的特性[1-2]，是潛在的高性能便攜供能系統(tǒng)[3]。微小空間內(nèi)燃料的高效穩(wěn)定燃燒是微型能源動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵，受空間尺度、壁面散熱和化學(xué)耦合作用的共同影響，微小空間內(nèi)火焰?zhèn)鞑ケ瘸Ｒ?guī)尺度下更為復(fù)雜。研究人員針對(duì)微小空間內(nèi)火焰?zhèn)鞑ヌ匦耘c火焰穩(wěn)定性強(qiáng)化研究方面做了大量工作。Maruta等[4-5]研究微小空間內(nèi)壁面與火焰熱耦合作用對(duì)傳播速度的影響，從理論和實(shí)驗(yàn)上確定了獲得微小空間內(nèi)火焰穩(wěn)定傳播的高速和低速兩種情況；Fan等[6]研究了微通道內(nèi)預(yù)混氣的多種動(dòng)態(tài)火焰形態(tài)；Wu等[7]發(fā)現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)微通道內(nèi)火焰?zhèn)鞑コ尸F(xiàn)低速、振蕩和加速等多種形態(tài)；作者所在課題組[8-10]也對(duì)微燃燒器內(nèi)火焰穩(wěn)定性和壁面化學(xué)熄火開(kāi)展了相關(guān)研究。
常規(guī)尺度下層流火焰?zhèn)鞑ブ?，火焰?huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定性現(xiàn)象，表現(xiàn)在火焰面會(huì)產(chǎn)生皺褶[11]，這對(duì)于研究傳播中火焰形態(tài)轉(zhuǎn)變非常重要。Zhou等[12]在80 mm×10 mm定容燃燒裝置中測(cè)試了常溫常壓下壁面附近點(diǎn)火丙烷-空氣傳播速度，但是沒(méi)有觀察到火焰褶皺產(chǎn)生現(xiàn)象，認(rèn)為火焰?zhèn)鞑タ臻g半徑太小不能形成褶皺。然而，Tsuji等[13]在22 mm×16 mm×(4～8)mm類似于微型Wankel發(fā)動(dòng)機(jī)定容燃燒室內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，尺度減小會(huì)降低火焰?zhèn)鞑ニ俣?，且觀察到了火焰?zhèn)鞑ブ挟a(chǎn)生的皺褶現(xiàn)象。
目前微尺度燃燒的研究對(duì)有穩(wěn)定預(yù)混氣來(lái)流的圓管、狹縫等的微小空間內(nèi)火焰穩(wěn)定性關(guān)注較多，而對(duì)于封閉定容微小空間內(nèi)的火焰?zhèn)鞑パ芯枯^少，特別是對(duì)微尺度下定容燃燒中火焰?zhèn)鞑ブ胁环€(wěn)定特性研究明顯不足。因此，本文采用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)比研究了狹縫間距2 mm、直徑35 mm圓盤狀微型定容燃燒腔內(nèi)乙烷/空氣、丙烷/空氣和正丁烷/空氣火焰的傳播特性。
1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)所用微型燃燒室如圖1所示，其大小為35.0 mm×2.0 mm，高度2 mm接近C2～C4烷烴/空氣熄火距離。其由兩塊可視石英玻璃蓋板（0=60 mm）構(gòu)成，下蓋板開(kāi)有3個(gè)圓孔通道，左側(cè)孔（1=1.5 mm）距離中心14 mm，作為進(jìn)口；右側(cè)孔（2=2.5 mm）距離中心13 mm，作為出口；中心孔（3=2.5 mm）作為點(diǎn)火電極通道。點(diǎn)火電極由雙孔陶瓷管以及鎢絲（4=0.2 mm）組成。上下石英玻璃蓋板由兩塊圓柱形不銹鋼蓋板和四顆螺栓緊固。在石英玻璃和不銹鋼之間墊有銅片防止爆炸沖擊損壞玻璃。如圖1所示。
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。乙烷（純度>99.9%）、丙烷（純度>99.9%）、正丁烷（純度>99.9%）作為燃料，壓縮干空氣作為氧化劑，分別由質(zhì)量流量計(jì)（MKS GE50a 誤差0.1%）控制，在進(jìn)入燃燒室之前充分預(yù)混。點(diǎn)火電極布置在燃燒腔室中心，由高壓線圈通過(guò)兩根間距0.5 mm鎢絲放電來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。
每次實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，預(yù)混氣通入燃燒室掃氣10 min，然后關(guān)閉進(jìn)出口靜置20 min以確保燃燒室內(nèi)無(wú)殘留氣體以及預(yù)混氣混合均勻，初始?jí)毫?個(gè)大氣壓，初始溫度為室溫。點(diǎn)火后，通過(guò)高速攝像機(jī)（MEMRECAM HX-6）拍攝火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程，曝光時(shí)間196.6 μs，拍攝記錄5000幅/秒。對(duì)所拍攝每張圖片使用Matlab編程處理，通過(guò)提取每張圖片中心垂直線上的最亮點(diǎn)到中心的像素距離，將所提取距離進(jìn)行換算，可得出火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，其方法與過(guò)程如圖3所示。首先對(duì)火焰原始圖像提取軸線上每個(gè)像素亮度值，然后運(yùn)用二值法去噪點(diǎn)，得到火焰軸線上的亮度分布值，提取最亮點(diǎn)峰值作為火焰鋒面位置，換算得到火焰鋒面實(shí)際空間位置。本文提取豎直方向下半徑方向傳播距離數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 火焰?zhèn)鞑タ扇籍?dāng)量比范圍
在固定點(diǎn)火電極位置、間距和點(diǎn)火能條件下，分別測(cè)試了乙烷、丙烷和正丁烷3種燃料在微燃燒室內(nèi)能點(diǎn)著并形成火焰?zhèn)鞑サ漠?dāng)量比（）范圍，結(jié)果如圖4所示。由于微尺度效應(yīng)的作用，乙烷/空氣混合氣在本實(shí)驗(yàn)裝置中能點(diǎn)燃的范圍為=0.9～1.6；丙烷/空氣混合氣在本實(shí)驗(yàn)裝置中能點(diǎn)燃的范圍為=1.0～1.55；正丁烷/空氣混合氣在本實(shí)驗(yàn)裝置中能點(diǎn)燃的范圍為=1.0～1.5。
可燃當(dāng)量比范圍與點(diǎn)火能和熄火距離密切相關(guān)。本文中高壓線圈固定放電點(diǎn)火能在100 mJ左右（不包含線路點(diǎn)火能的損失），遠(yuǎn)大于3種燃料的最低點(diǎn)火能。最低點(diǎn)火能隨燃料當(dāng)量比的變化是開(kāi)口向上拋物線的變化趨勢(shì)，隨當(dāng)量比增加，最低點(diǎn)火能量先降低后增大，在某一個(gè)當(dāng)量比附近，最低點(diǎn)火能最小。如乙烷/空氣，在當(dāng)量比=1.2時(shí)，最低點(diǎn)火能0.24 mJ，丙烷/空氣在=1.3時(shí)，最低點(diǎn)火能 0.25 mJ，正丁烷/空氣在=1.5時(shí)，最低點(diǎn)火能 0.26 mJ[14]。
同時(shí)，2 mm間距已經(jīng)接近3種燃料的熄火距離。3種燃料中，熄火距離按大小排序是正丁烷＞丙烷＞乙烷，在相同點(diǎn)火能和微型燃燒腔間距下，熄火距離小的燃料容易點(diǎn)燃并形成火焰?zhèn)鞑ァＩ鲜鲈驅(qū)е聢D4中可燃極限范圍當(dāng)量比排序是乙烷＞丙烷＞正丁烷。
2.2 火焰?zhèn)鞑セ咎匦?/p>
3種燃料在不同當(dāng)量比下火焰?zhèn)鞑ヌ匦匀鐖D5所示，火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)可分為4種，以乙烷為例[圖5(a)]：①在當(dāng)量比較低時(shí)（=1.0），火焰光亮暗淡，火焰鋒面光滑，火焰可傳播至燃燒室盡頭；②=1.2，火焰鋒面光滑，火焰可傳播至燃燒室盡頭；③=1.4，火焰鋒面有褶皺，火焰可傳播至燃燒室盡頭；④=1.6，火焰?zhèn)鞑ブ型鞠?。從圖5中還可以看到，火焰?zhèn)鞑D片中的左右兩邊先出現(xiàn)皺褶，這是進(jìn)排氣口所在位置導(dǎo)致的。由于進(jìn)排氣通道與燃燒室直接連通，而進(jìn)排氣管上的閥門與燃燒腔有一小段距離，當(dāng)進(jìn)排氣閥門關(guān)閉時(shí)，燃燒室封閉空間包含進(jìn)排氣通道這一段管內(nèi)空間，盡管進(jìn)排氣通道體積占燃燒室體積比例較?。偤图s為0.13 ml，而燃燒室體積為2 ml），但對(duì)燃燒后燃燒室內(nèi)流場(chǎng)有著明顯的影響。當(dāng)預(yù)混氣中心著火后向外火焰?zhèn)鞑バ纬?，熱氣體膨脹推動(dòng)未燃冷氣體向外流動(dòng)，而在進(jìn)排氣口位置處，未燃?xì)怏w形成匯流進(jìn)入進(jìn)排氣口通道，從而改變火焰鋒面結(jié)構(gòu)，使得火焰?zhèn)鞑D像不是一個(gè)正圓形，也容易形成皺褶。
通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，3種燃料火焰?zhèn)鞑ニ俣炔煌?，乙烷火焰?zhèn)鞑ネ瓿缮钥?，丙烷與正丁烷相當(dāng)，具體火焰?zhèn)鞑ニ俣仍诤竺鎯?nèi)容中定量分析比較。隨著當(dāng)量比升高，火焰?zhèn)鞑ジ硬环€(wěn)定，3種燃料均出現(xiàn)火焰皺褶。并且在高當(dāng)量比條件下會(huì)出現(xiàn)中途熄滅的情況，如乙烷在=1.6和丙烷在=1.55高當(dāng)量比下的情況。
火焰?zhèn)鞑ブ谢鹧婷孑喞木植吭鰪?qiáng)或減弱，導(dǎo)致火焰面產(chǎn)生皺褶發(fā)生不穩(wěn)定性傳播，火焰不穩(wěn)定由3種不同機(jī)制單獨(dú)或相互作用所導(dǎo)致，分別是熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性、水動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性和因?yàn)楦×υ斐傻牟环€(wěn)定性[15]。由于本文中微燃燒室水平放置，且間距是2 mm，浮力影響可以忽略。
對(duì)于富燃料的乙烷/空氣、丙烷/空氣和正丁烷/空氣預(yù)混火焰，它們的Lewis數(shù)≠1，且隨著當(dāng)量比的增加，總體增大，非平衡擴(kuò)散效應(yīng)增強(qiáng)，因此，非平衡熱質(zhì)擴(kuò)散容易造成傳播中火焰面褶皺的發(fā)生[15]，這與實(shí)際觀察到的火焰皺褶在高當(dāng)量比下較早出現(xiàn)現(xiàn)象一致。
水動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性是傳播后期發(fā)生褶皺和斷裂的主要原因，在火焰?zhèn)鞑ズ笃?，受壁面影響，在壁面附近，在黏性無(wú)滑移邊界層的作用下，小間距的狹縫間流場(chǎng)速度梯度很大，導(dǎo)致火焰拉伸增強(qiáng)，增加了不穩(wěn)定性。當(dāng)隨著當(dāng)量比繼續(xù)增大，熱擴(kuò)散速度相較于質(zhì)量擴(kuò)散速度繼續(xù)增大，同時(shí)，高當(dāng)量比下燃燒速度降低導(dǎo)致熱釋放率降低，在微尺度下大的壁面散熱增加的共同作用下，就會(huì)出現(xiàn)火焰不能繼續(xù)傳播而發(fā)生熄滅現(xiàn)象。
2.3 火焰?zhèn)鞑ニ俣忍匦?/p>
根據(jù)球形定容彈中火焰?zhèn)鞑ダ碚摚鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊扔趩挝粫r(shí)間內(nèi)火焰?zhèn)鞑グ霃剑ň嚯x）的增加量。通過(guò)計(jì)算不同時(shí)刻下火焰照片中提取的距離數(shù)據(jù)，獲得本實(shí)驗(yàn)中火焰鋒面的傳播速度，即火焰鋒面相對(duì)于固定壁面移動(dòng)速度。對(duì)于3種燃料火焰?zhèn)鞑ニ俣扔?jì)算，不考慮出現(xiàn)火焰褶皺和中途熄滅等不穩(wěn)定燃燒工況，故選取=1.0～1.3的火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。可以看出，在開(kāi)始時(shí)刻，受點(diǎn)火能量影響，火焰?zhèn)鞑ニ俣冗h(yuǎn)高于各自燃料的層流燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣?。Liao等[16]和Bradley等[17]的研究表明球形定容彈中，在火核半徑6 mm范圍內(nèi)，火焰?zhèn)鞑ニ俣葧?huì)受到點(diǎn)火能量影響。在半徑超過(guò)這個(gè)臨界點(diǎn)，不同點(diǎn)火能量的層流燃燒速度趨于一致，當(dāng)火焰?zhèn)鞑グ霃匠鳇c(diǎn)火能量影響范圍時(shí)，傳播速度隨傳播半徑增大呈現(xiàn)下降的特性。圖6表明火焰?zhèn)鞑ニ俣仍?～2 m·s-1范圍內(nèi)，如丙烷[圖6(b)]，這比常規(guī)尺度定容燃燒腔中的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊停ǜ哂? m·s-1）[12]。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是微尺度下較高的表面積體積比加劇了微燃燒器的壁面散熱，隨著火焰鋒面半徑的增大，燃燒區(qū)域散熱面積呈平方增大，這導(dǎo)致散熱急劇增大，火焰溫度降低，從而降低了燃燒反應(yīng)強(qiáng)度和火焰?zhèn)鞑ニ俣?。另一方面，火焰?zhèn)鞑ニ俣仁钱?dāng)?shù)匚慈細(xì)饬鲃?dòng)速度和層流火焰燃燒速度疊加的結(jié)果，壓力的增加使得燃燒速度降低，而后期封閉空間壁面的影響降低了火焰鋒面未燃?xì)饬鲃?dòng)速度，從而導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档汀?/p>
2.4 火焰?zhèn)鞑サ亩虝和F(xiàn)象
在接近火焰?zhèn)鞑ハ缟舷蕻?dāng)量比時(shí)，會(huì)出現(xiàn)火焰?zhèn)鞑ザ虝和F(xiàn)象。以丙烷為例，圖7表明，在=1.5時(shí)，火焰的傳播半徑隨時(shí)間變化曲線出現(xiàn)明顯的不光滑現(xiàn)象。在14.6～16 ms和18～19.4 ms時(shí)間范圍內(nèi)，火焰?zhèn)鞑グ霃交緵](méi)有變化，說(shuō)明這兩個(gè)時(shí)段內(nèi)火焰鋒面位置沒(méi)有變化。圖8表明，在火焰?zhèn)鞑ネr(shí)，火焰鋒面厚度發(fā)生了很小變化。
壁面與火焰之間的非均衡換熱是造成這種現(xiàn)象的原因之一，在封閉空間內(nèi)，火焰?zhèn)鞑シ较蚺c未燃?xì)怏w質(zhì)量擴(kuò)散方向相反[18]。在熱輻射和壁面散熱的作用下，火焰溫度降低，燃燒反應(yīng)強(qiáng)度降低，火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u下降。當(dāng)在某一時(shí)刻，火焰面中燃燒所消耗的反應(yīng)物質(zhì)的量剛好等于未燃燒氣體質(zhì)量擴(kuò)散的物質(zhì)的量，此時(shí)火焰面不再向前傳播而停滯。當(dāng)火焰停滯不動(dòng)時(shí)，固定位置的持續(xù)放熱使得附近壁面溫度上升，高溫壁面對(duì)火焰面前未燃預(yù)混氣的預(yù)熱作用增強(qiáng)，這種壁面回?zé)嶙饔糜欣谠鰪?qiáng)燃燒[19-20]，導(dǎo)致火焰停滯后繼續(xù)向前傳播。
3 結(jié) 論
本文在常溫常壓下分別對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究了不同當(dāng)量比的乙烷、丙烷、正丁烷和空氣的預(yù)混氣在2 mm間距、35 mm內(nèi)徑圓形定容燃燒腔內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ヌ匦?，得到如下結(jié)論。
（1）3種燃料可形成火焰?zhèn)鞑サ娜剂袭?dāng)量比范圍不同，乙烷當(dāng)量比范圍最寬，丙烷次之，正丁烷最窄，與3種燃料各自的層流燃燒速度由大到小次序排列一致。
（2）在微尺度定容燃燒腔中，火焰?zhèn)鞑ブ谢鹧娉尸F(xiàn)光滑、褶皺與斷裂3種形態(tài)。隨當(dāng)量比增加，火焰容易發(fā)生褶皺，熱質(zhì)擴(kuò)散不穩(wěn)定性是皺褶發(fā)生時(shí)刻變化的主要原因；火焰?zhèn)鞑ズ笃?，水?dòng)力學(xué)拉伸是皺褶發(fā)展的主要原因。
（3）實(shí)驗(yàn)中乙烷、丙烷和正丁烷火焰?zhèn)鞑ニ俣仍?～2 m·s-1范圍內(nèi)，且隨著火焰向外傳播逐漸降低，比常規(guī)尺度定容燃燒腔中的火焰?zhèn)鞑ニ俣纫汀?/p>
（4）微尺度下火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中會(huì)出現(xiàn)火焰面短暫停滯駐留現(xiàn)象，火焰與壁面的非平衡換熱是主要原因。
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Flame propagation of C2—C4hydrocarbons/air mixture in a constant-volume micro-chamber
SU Hang1,2, JIANG Liqiao1, CAO Hailiang2, LIU Qinfei1, LI Yanqin2, ZHAO Daiqing1
(1Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, Guangdong, China;2School of Chemical Engineering and Energy, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, Henan, China)
At ambient temperature and pressure condition, the outwardly propagating characteristics of quiescent ethane/air, propane/air and n-butane/air flames were experimentally investigated in a visible constant-volume micro-chamber with 35 mm diameter and 2 mm height respectively. The results showed that the flammable equivalence ratio ranges of these three fuels were different in the micro chamber. The sequence of them was ethane>propane>-butane. Both smooth flame-front and wrinkled flame-front shapes were observed during flame propagating of these fuels. The flame speed was lower in the micro chamber than that in conventional combustion chamber, and the flame speed declined along the radial direction during flame propagating. With the increase of equivalence ratio, the flame-front was prone to appear wrinkles and crack. In addition, at high flammable equivalence ratio, sometimes, the flame propagation had a brief stagnation.
micro combustion; constant-volume combustion; flame propagation; flame wrinkles; flame speed
2016-04-26.
Prof. JIANG Liqiao, jianglq@ms.giec.ac.cn
10.11949/j.issn.0438-1157.20160548
TQ 028.8
A
0438—1157（2016）11—4574—06
蘇航（1991—），男，碩士研究生。
國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2014CB239600）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51336010，51176174）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2016A040403095）。
2016-04-26收到初稿，2016-08-15收到修改稿。
聯(lián)系人：蔣利橋。
supported by the National Basic Research Program of China(2014CB239600), the National Natural Science Foundation of China (51336010, 51176174) and the Science and Technology Project of Guangdong Province(2016A040403095).
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蘇航，蔣利橋，曹海亮，劉秦飛，李言欽，趙黛青
?
微型定容燃燒腔內(nèi)C2～C4烷烴/空氣火焰?zhèn)鞑?/p>
蘇航1,2，蔣利橋1，曹海亮2，劉秦飛1，李言欽2，趙黛青1
（1中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣東廣州 510640；2鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南鄭州 450001）
在直徑35 mm、高度2 mm光學(xué)可視的定容燃燒腔內(nèi)，實(shí)驗(yàn)研究了常溫常壓靜止乙烷/空氣、丙烷/空氣和正丁烷/空氣預(yù)混氣在燃燒腔中心由電火花點(diǎn)燃后向外傳播的火焰?zhèn)鞑ヌ匦浴＝Y(jié)果表明：3種燃料空氣混合氣可形成火焰?zhèn)鞑サ漠?dāng)量比范圍不同，范圍由大到小排序?yàn)橐彝?丙烷>正丁烷；3種燃料均存在由光滑火焰面向褶皺火焰面轉(zhuǎn)變的傳播形態(tài)；在微型定容燃燒腔內(nèi)，3種燃料的火焰?zhèn)鞑ニ俣染陀诔Ｒ?guī)尺度下定容燃燒彈內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣?，且火焰?zhèn)鞑ニ俣入S半徑增加而減??；隨著當(dāng)量比增加，火焰鋒面容易出現(xiàn)褶皺和斷裂現(xiàn)象，在高當(dāng)量比情況下，火焰?zhèn)鞑?huì)出現(xiàn)短暫停滯。
微尺度燃燒；定容燃燒；火焰?zhèn)鞑ィ换鹧骜薨?；傳播速?/p>
引 言
基于燃料燃燒的微型能源動(dòng)力系統(tǒng)具有能量密度高和續(xù)能方便的特性[1-2]，是潛在的高性能便攜供能系統(tǒng)[3]。微小空間內(nèi)燃料的高效穩(wěn)定燃燒是微型能源動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵，受空間尺度、壁面散熱和化學(xué)耦合作用的共同影響，微小空間內(nèi)火焰?zhèn)鞑ケ瘸Ｒ?guī)尺度下更為復(fù)雜。研究人員針對(duì)微小空間內(nèi)火焰?zhèn)鞑ヌ匦耘c火焰穩(wěn)定性強(qiáng)化研究方面做了大量工作。Maruta等[4-5]研究微小空間內(nèi)壁面與火焰熱耦合作用對(duì)傳播速度的影響，從理論和實(shí)驗(yàn)上確定了獲得微小空間內(nèi)火焰穩(wěn)定傳播的高速和低速兩種情況；Fan等[6]研究了微通道內(nèi)預(yù)混氣的多種動(dòng)態(tài)火焰形態(tài)；Wu等[7]發(fā)現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)微通道內(nèi)火焰?zhèn)鞑コ尸F(xiàn)低速、振蕩和加速等多種形態(tài)；作者所在課題組[8-10]也對(duì)微燃燒器內(nèi)火焰穩(wěn)定性和壁面化學(xué)熄火開(kāi)展了相關(guān)研究。
常規(guī)尺度下層流火焰?zhèn)鞑ブ?，火焰?huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定性現(xiàn)象，表現(xiàn)在火焰面會(huì)產(chǎn)生皺褶[11]，這對(duì)于研究傳播中火焰形態(tài)轉(zhuǎn)變非常重要。Zhou等[12]在80 mm×10 mm定容燃燒裝置中測(cè)試了常溫常壓下壁面附近點(diǎn)火丙烷-空氣傳播速度，但是沒(méi)有觀察到火焰褶皺產(chǎn)生現(xiàn)象，認(rèn)為火焰?zhèn)鞑タ臻g半徑太小不能形成褶皺。然而，Tsuji等[13]在22 mm×16 mm×(4～8)mm類似于微型Wankel發(fā)動(dòng)機(jī)定容燃燒室內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，尺度減小會(huì)降低火焰?zhèn)鞑ニ俣?，且觀察到了火焰?zhèn)鞑ブ挟a(chǎn)生的皺褶現(xiàn)象。
目前微尺度燃燒的研究對(duì)有穩(wěn)定預(yù)混氣來(lái)流的圓管、狹縫等的微小空間內(nèi)火焰穩(wěn)定性關(guān)注較多，而對(duì)于封閉定容微小空間內(nèi)的火焰?zhèn)鞑パ芯枯^少，特別是對(duì)微尺度下定容燃燒中火焰?zhèn)鞑ブ胁环€(wěn)定特性研究明顯不足。因此，本文采用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)比研究了狹縫間距2 mm、直徑35 mm圓盤狀微型定容燃燒腔內(nèi)乙烷/空氣、丙烷/空氣和正丁烷/空氣火焰的傳播特性。
1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)所用微型燃燒室如圖1所示，其大小為35.0 mm×2.0 mm，高度2 mm接近C2～C4烷烴/空氣熄火距離。其由兩塊可視石英玻璃蓋板（0=60 mm）構(gòu)成，下蓋板開(kāi)有3個(gè)圓孔通道，左側(cè)孔（1=1.5 mm）距離中心14 mm，作為進(jìn)口；右側(cè)孔（2=2.5 mm）距離中心13 mm，作為出口；中心孔（3=2.5 mm）作為點(diǎn)火電極通道。點(diǎn)火電極由雙孔陶瓷管以及鎢絲（4=0.2 mm）組成。上下石英玻璃蓋板由兩塊圓柱形不銹鋼蓋板和四顆螺栓緊固。在石英玻璃和不銹鋼之間墊有銅片防止爆炸沖擊損壞玻璃。如圖1所示。
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。乙烷（純度>99.9%）、丙烷（純度>99.9%）、正丁烷（純度>99.9%）作為燃料，壓縮干空氣作為氧化劑，分別由質(zhì)量流量計(jì)（MKS GE50a 誤差0.1%）控制，在進(jìn)入燃燒室之前充分預(yù)混。點(diǎn)火電極布置在燃燒腔室中心，由高壓線圈通過(guò)兩根間距0.5 mm鎢絲放電來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。
每次實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，預(yù)混氣通入燃燒室掃氣10 min，然后關(guān)閉進(jìn)出口靜置20 min以確保燃燒室內(nèi)無(wú)殘留氣體以及預(yù)混氣混合均勻，初始?jí)毫?個(gè)大氣壓，初始溫度為室溫。點(diǎn)火后，通過(guò)高速攝像機(jī)（MEMRECAM HX-6）拍攝火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程，曝光時(shí)間196.6 μs，拍攝記錄5000幅/秒。對(duì)所拍攝每張圖片使用Matlab編程處理，通過(guò)提取每張圖片中心垂直線上的最亮點(diǎn)到中心的像素距離，將所提取距離進(jìn)行換算，可得出火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x，其方法與過(guò)程如圖3所示。首先對(duì)火焰原始圖像提取軸線上每個(gè)像素亮度值，然后運(yùn)用二值法去噪點(diǎn)，得到火焰軸線上的亮度分布值，提取最亮點(diǎn)峰值作為火焰鋒面位置，換算得到火焰鋒面實(shí)際空間位置。本文提取豎直方向下半徑方向傳播距離數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 火焰?zhèn)鞑タ扇籍?dāng)量比范圍
在固定點(diǎn)火電極位置、間距和點(diǎn)火能條件下，分別測(cè)試了乙烷、丙烷和正丁烷3種燃料在微燃燒室內(nèi)能點(diǎn)著并形成火焰?zhèn)鞑サ漠?dāng)量比（）范圍，結(jié)果如圖4所示。由于微尺度效應(yīng)的作用，乙烷/空氣混合氣在本實(shí)驗(yàn)裝置中能點(diǎn)燃的范圍為=0.9～1.6；丙烷/空氣混合氣在本實(shí)驗(yàn)裝置中能點(diǎn)燃的范圍為=1.0～1.55；正丁烷/空氣混合氣在本實(shí)驗(yàn)裝置中能點(diǎn)燃的范圍為=1.0～1.5。
可燃當(dāng)量比范圍與點(diǎn)火能和熄火距離密切相關(guān)。本文中高壓線圈固定放電點(diǎn)火能在100 mJ左右（不包含線路點(diǎn)火能的損失），遠(yuǎn)大于3種燃料的最低點(diǎn)火能。最低點(diǎn)火能隨燃料當(dāng)量比的變化是開(kāi)口向上拋物線的變化趨勢(shì)，隨當(dāng)量比增加，最低點(diǎn)火能量先降低后增大，在某一個(gè)當(dāng)量比附近，最低點(diǎn)火能最小。如乙烷/空氣，在當(dāng)量比=1.2時(shí)，最低點(diǎn)火能0.24 mJ，丙烷/空氣在=1.3時(shí)，最低點(diǎn)火能 0.25 mJ，正丁烷/空氣在=1.5時(shí)，最低點(diǎn)火能 0.26 mJ[14]。
同時(shí)，2 mm間距已經(jīng)接近3種燃料的熄火距離。3種燃料中，熄火距離按大小排序是正丁烷＞丙烷＞乙烷，在相同點(diǎn)火能和微型燃燒腔間距下，熄火距離小的燃料容易點(diǎn)燃并形成火焰?zhèn)鞑ァＩ鲜鲈驅(qū)е聢D4中可燃極限范圍當(dāng)量比排序是乙烷＞丙烷＞正丁烷。
2.2 火焰?zhèn)鞑セ咎匦?/p>
3種燃料在不同當(dāng)量比下火焰?zhèn)鞑ヌ匦匀鐖D5所示，火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)可分為4種，以乙烷為例[圖5(a)]：①在當(dāng)量比較低時(shí)（=1.0），火焰光亮暗淡，火焰鋒面光滑，火焰可傳播至燃燒室盡頭；②=1.2，火焰鋒面光滑，火焰可傳播至燃燒室盡頭；③=1.4，火焰鋒面有褶皺，火焰可傳播至燃燒室盡頭；④=1.6，火焰?zhèn)鞑ブ型鞠?。從圖5中還可以看到，火焰?zhèn)鞑D片中的左右兩邊先出現(xiàn)皺褶，這是進(jìn)排氣口所在位置導(dǎo)致的。由于進(jìn)排氣通道與燃燒室直接連通，而進(jìn)排氣管上的閥門與燃燒腔有一小段距離，當(dāng)進(jìn)排氣閥門關(guān)閉時(shí)，燃燒室封閉空間包含進(jìn)排氣通道這一段管內(nèi)空間，盡管進(jìn)排氣通道體積占燃燒室體積比例較?。偤图s為0.13 ml，而燃燒室體積為2 ml），但對(duì)燃燒后燃燒室內(nèi)流場(chǎng)有著明顯的影響。當(dāng)預(yù)混氣中心著火后向外火焰?zhèn)鞑バ纬?，熱氣體膨脹推動(dòng)未燃冷氣體向外流動(dòng)，而在進(jìn)排氣口位置處，未燃?xì)怏w形成匯流進(jìn)入進(jìn)排氣口通道，從而改變火焰鋒面結(jié)構(gòu)，使得火焰?zhèn)鞑D像不是一個(gè)正圓形，也容易形成皺褶。
通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，3種燃料火焰?zhèn)鞑ニ俣炔煌?，乙烷火焰?zhèn)鞑ネ瓿缮钥?，丙烷與正丁烷相當(dāng)，具體火焰?zhèn)鞑ニ俣仍诤竺鎯?nèi)容中定量分析比較。隨著當(dāng)量比升高，火焰?zhèn)鞑ジ硬环€(wěn)定，3種燃料均出現(xiàn)火焰皺褶。并且在高當(dāng)量比條件下會(huì)出現(xiàn)中途熄滅的情況，如乙烷在=1.6和丙烷在=1.55高當(dāng)量比下的情況。
火焰?zhèn)鞑ブ谢鹧婷孑喞木植吭鰪?qiáng)或減弱，導(dǎo)致火焰面產(chǎn)生皺褶發(fā)生不穩(wěn)定性傳播，火焰不穩(wěn)定由3種不同機(jī)制單獨(dú)或相互作用所導(dǎo)致，分別是熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性、水動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性和因?yàn)楦×υ斐傻牟环€(wěn)定性[15]。由于本文中微燃燒室水平放置，且間距是2 mm，浮力影響可以忽略。
對(duì)于富燃料的乙烷/空氣、丙烷/空氣和正丁烷/空氣預(yù)混火焰，它們的Lewis數(shù)≠1，且隨著當(dāng)量比的增加，總體增大，非平衡擴(kuò)散效應(yīng)增強(qiáng)，因此，非平衡熱質(zhì)擴(kuò)散容易造成傳播中火焰面褶皺的發(fā)生[15]，這與實(shí)際觀察到的火焰皺褶在高當(dāng)量比下較早出現(xiàn)現(xiàn)象一致。
水動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性是傳播后期發(fā)生褶皺和斷裂的主要原因，在火焰?zhèn)鞑ズ笃?，受壁面影響，在壁面附近，在黏性無(wú)滑移邊界層的作用下，小間距的狹縫間流場(chǎng)速度梯度很大，導(dǎo)致火焰拉伸增強(qiáng)，增加了不穩(wěn)定性。當(dāng)隨著當(dāng)量比繼續(xù)增大，熱擴(kuò)散速度相較于質(zhì)量擴(kuò)散速度繼續(xù)增大，同時(shí)，高當(dāng)量比下燃燒速度降低導(dǎo)致熱釋放率降低，在微尺度下大的壁面散熱增加的共同作用下，就會(huì)出現(xiàn)火焰不能繼續(xù)傳播而發(fā)生熄滅現(xiàn)象。
2.3 火焰?zhèn)鞑ニ俣忍匦?/p>
根據(jù)球形定容彈中火焰?zhèn)鞑ダ碚摚鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊扔趩挝粫r(shí)間內(nèi)火焰?zhèn)鞑グ霃剑ň嚯x）的增加量。通過(guò)計(jì)算不同時(shí)刻下火焰照片中提取的距離數(shù)據(jù)，獲得本實(shí)驗(yàn)中火焰鋒面的傳播速度，即火焰鋒面相對(duì)于固定壁面移動(dòng)速度。對(duì)于3種燃料火焰?zhèn)鞑ニ俣扔?jì)算，不考慮出現(xiàn)火焰褶皺和中途熄滅等不穩(wěn)定燃燒工況，故選取=1.0～1.3的火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。可以看出，在開(kāi)始時(shí)刻，受點(diǎn)火能量影響，火焰?zhèn)鞑ニ俣冗h(yuǎn)高于各自燃料的層流燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣?。Liao等[16]和Bradley等[17]的研究表明球形定容彈中，在火核半徑6 mm范圍內(nèi)，火焰?zhèn)鞑ニ俣葧?huì)受到點(diǎn)火能量影響。在半徑超過(guò)這個(gè)臨界點(diǎn)，不同點(diǎn)火能量的層流燃燒速度趨于一致，當(dāng)火焰?zhèn)鞑グ霃匠鳇c(diǎn)火能量影響范圍時(shí)，傳播速度隨傳播半徑增大呈現(xiàn)下降的特性。圖6表明火焰?zhèn)鞑ニ俣仍?～2 m·s-1范圍內(nèi)，如丙烷[圖6(b)]，這比常規(guī)尺度定容燃燒腔中的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊停ǜ哂? m·s-1）[12]。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是微尺度下較高的表面積體積比加劇了微燃燒器的壁面散熱，隨著火焰鋒面半徑的增大，燃燒區(qū)域散熱面積呈平方增大，這導(dǎo)致散熱急劇增大，火焰溫度降低，從而降低了燃燒反應(yīng)強(qiáng)度和火焰?zhèn)鞑ニ俣?。另一方面，火焰?zhèn)鞑ニ俣仁钱?dāng)?shù)匚慈細(xì)饬鲃?dòng)速度和層流火焰燃燒速度疊加的結(jié)果，壓力的增加使得燃燒速度降低，而后期封閉空間壁面的影響降低了火焰鋒面未燃?xì)饬鲃?dòng)速度，從而導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档汀?/p>
2.4 火焰?zhèn)鞑サ亩虝和F(xiàn)象
在接近火焰?zhèn)鞑ハ缟舷蕻?dāng)量比時(shí)，會(huì)出現(xiàn)火焰?zhèn)鞑ザ虝和F(xiàn)象。以丙烷為例，圖7表明，在=1.5時(shí)，火焰的傳播半徑隨時(shí)間變化曲線出現(xiàn)明顯的不光滑現(xiàn)象。在14.6～16 ms和18～19.4 ms時(shí)間范圍內(nèi)，火焰?zhèn)鞑グ霃交緵](méi)有變化，說(shuō)明這兩個(gè)時(shí)段內(nèi)火焰鋒面位置沒(méi)有變化。圖8表明，在火焰?zhèn)鞑ネr(shí)，火焰鋒面厚度發(fā)生了很小變化。
壁面與火焰之間的非均衡換熱是造成這種現(xiàn)象的原因之一，在封閉空間內(nèi)，火焰?zhèn)鞑シ较蚺c未燃?xì)怏w質(zhì)量擴(kuò)散方向相反[18]。在熱輻射和壁面散熱的作用下，火焰溫度降低，燃燒反應(yīng)強(qiáng)度降低，火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u下降。當(dāng)在某一時(shí)刻，火焰面中燃燒所消耗的反應(yīng)物質(zhì)的量剛好等于未燃燒氣體質(zhì)量擴(kuò)散的物質(zhì)的量，此時(shí)火焰面不再向前傳播而停滯。當(dāng)火焰停滯不動(dòng)時(shí)，固定位置的持續(xù)放熱使得附近壁面溫度上升，高溫壁面對(duì)火焰面前未燃預(yù)混氣的預(yù)熱作用增強(qiáng)，這種壁面回?zé)嶙饔糜欣谠鰪?qiáng)燃燒[19-20]，導(dǎo)致火焰停滯后繼續(xù)向前傳播。
3 結(jié) 論
本文在常溫常壓下分別對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究了不同當(dāng)量比的乙烷、丙烷、正丁烷和空氣的預(yù)混氣在2 mm間距、35 mm內(nèi)徑圓形定容燃燒腔內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ヌ匦?，得到如下結(jié)論。
（1）3種燃料可形成火焰?zhèn)鞑サ娜剂袭?dāng)量比范圍不同，乙烷當(dāng)量比范圍最寬，丙烷次之，正丁烷最窄，與3種燃料各自的層流燃燒速度由大到小次序排列一致。
（2）在微尺度定容燃燒腔中，火焰?zhèn)鞑ブ谢鹧娉尸F(xiàn)光滑、褶皺與斷裂3種形態(tài)。隨當(dāng)量比增加，火焰容易發(fā)生褶皺，熱質(zhì)擴(kuò)散不穩(wěn)定性是皺褶發(fā)生時(shí)刻變化的主要原因；火焰?zhèn)鞑ズ笃?，水?dòng)力學(xué)拉伸是皺褶發(fā)展的主要原因。
（3）實(shí)驗(yàn)中乙烷、丙烷和正丁烷火焰?zhèn)鞑ニ俣仍?～2 m·s-1范圍內(nèi)，且隨著火焰向外傳播逐漸降低，比常規(guī)尺度定容燃燒腔中的火焰?zhèn)鞑ニ俣纫汀?/p>
（4）微尺度下火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中會(huì)出現(xiàn)火焰面短暫停滯駐留現(xiàn)象，火焰與壁面的非平衡換熱是主要原因。
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Flame propagation of C2—C4hydrocarbons/air mixture in a constant-volume micro-chamber
SU Hang1,2, JIANG Liqiao1, CAO Hailiang2, LIU Qinfei1, LI Yanqin2, ZHAO Daiqing1
(1Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, Guangdong, China;2School of Chemical Engineering and Energy, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, Henan, China)
At ambient temperature and pressure condition, the outwardly propagating characteristics of quiescent ethane/air, propane/air and n-butane/air flames were experimentally investigated in a visible constant-volume micro-chamber with 35 mm diameter and 2 mm height respectively. The results showed that the flammable equivalence ratio ranges of these three fuels were different in the micro chamber. The sequence of them was ethane>propane>-butane. Both smooth flame-front and wrinkled flame-front shapes were observed during flame propagating of these fuels. The flame speed was lower in the micro chamber than that in conventional combustion chamber, and the flame speed declined along the radial direction during flame propagating. With the increase of equivalence ratio, the flame-front was prone to appear wrinkles and crack. In addition, at high flammable equivalence ratio, sometimes, the flame propagation had a brief stagnation.
micro combustion; constant-volume combustion; flame propagation; flame wrinkles; flame speed
2016-04-26.
Prof. JIANG Liqiao, jianglq@ms.giec.ac.cn
10.11949/j.issn.0438-1157.20160548
TQ 028.8
A
0438—1157（2016）11—4574—06
蘇航（1991—），男，碩士研究生。
國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2014CB239600）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51336010，51176174）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2016A040403095）。
2016-04-26收到初稿，2016-08-15收到修改稿。
聯(lián)系人：蔣利橋。
supported by the National Basic Research Program of China(2014CB239600), the National Natural Science Foundation of China (51336010, 51176174) and the Science and Technology Project of Guangdong Province(2016A040403095).
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