蘇 航,蔣利橋,曹海亮,劉秦飛,李言欽,汪小憨,趙黛青

(1.中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣東 廣州 510640；2.中國科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；3.廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；5.鄭州大學(xué)，河南 鄭州 450001)

與常規(guī)能量儲(chǔ)存的能源系統(tǒng)相比，基于燃燒的微型能源動(dòng)力系統(tǒng)的能量密度高、續(xù)航時(shí)間長、燃料易更換[1-2]，是高能量密度便攜能源的重要獲取方式[3]。在微尺度空間內(nèi)，由于火焰與壁面之間的相互作用，火焰?zhèn)鞑ケ却蟪叨认乱獜?fù)雜得多[4]。總的來看，當(dāng)前的微尺度燃燒主要集中在圓管、平板狹縫等開放空間[5-7]。對微小封閉空間內(nèi)的火焰?zhèn)鞑パ芯亢苌?，對微型?nèi)燃機(jī)的指導(dǎo)意義有限，比如對于火焰?zhèn)鞑ブ械纳嵊绊懷芯炕净诶碚撚?jì)算。而微尺度燃燒中，燃燒室的比表面積較常規(guī)尺度大了兩個(gè)數(shù)量級[8]，因此微尺度燃燒過程中，散熱損失會(huì)對火焰?zhèn)鞑ギa(chǎn)生較大影響，在之前的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)微尺度定容空間內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊陀诔Ｒ?guī)尺度下火焰?zhèn)鞑ニ俣萚9-11]。

當(dāng)采用層流燃燒速度比較高的燃料時(shí)，火焰?zhèn)鞑ト菀准铀伲瑫r(shí)火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)容易發(fā)生轉(zhuǎn)變，如Tang等[12]在定容燃燒彈中研究了氫氣/丙烷/空氣層流燃燒的特性，程關(guān)兵等[13]在氫氣/丙烷/空氣的爆轟性能實(shí)驗(yàn)研究中觀察到了自持爆轟波，Wu等[14-15]研究了毫米級管道和微米級平板狹縫中的火焰?zhèn)鞑ヌ匦?，探索了在微尺度下發(fā)生爆燃轉(zhuǎn)爆轟的作用機(jī)制。

鑒于目前對于微小定容空間內(nèi)的非穩(wěn)態(tài)火焰?zhèn)鞑パ芯枯^少，本文中在之前設(shè)計(jì)的一種狹縫圓盤狀微型燃燒室[9-11]的基礎(chǔ)上，期望通過實(shí)驗(yàn)獲取微小定容空間內(nèi)火焰的傳播規(guī)律，并嘗試在定容的小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)燃料的快速燃燒。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 圓盤狹縫微型燃燒室

實(shí)驗(yàn)中所用圓盤狹縫微型燃燒室的直徑為150.0 mm，間距H可在2.0～5.0 mm之間調(diào)整，由兩塊石英玻璃蓋板(d0=230.0 mm)構(gòu)成。下蓋板開有一個(gè)圓形通道(d1=3.0 mm)作為點(diǎn)火電極通道和進(jìn)排氣通道。點(diǎn)火電極由兩根鎢絲(d2=0.2 mm)組成。石英玻璃燃燒室由一個(gè)法蘭結(jié)構(gòu)的緊固裝置緊固密封，兩塊石英玻璃之間以及石英玻璃燃燒室與不銹鋼之間有墊片。實(shí)驗(yàn)所用微尺度燃燒室及其結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖2為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，所用燃料為丙烷(純度>99.9%)和氧化劑(壓縮干空氣)，分別由質(zhì)量流量計(jì)控制(MKSGE50a 誤差0.1%，流量計(jì)使用皂膜流量計(jì)標(biāo)定)。在進(jìn)入燃燒室之前，丙烷和空氣保證充分混合，預(yù)混氣由安捷倫氣象色譜儀取樣分析,保證配氣成分符合設(shè)計(jì)當(dāng)量比要求。實(shí)驗(yàn)開始前，先用真空泵以-96 kPa的壓力抽空，然后打開進(jìn)氣閥，以0.2 MPa的壓力將丙烷/空氣預(yù)混氣充入燃燒室，再關(guān)閉排氣閥，打開進(jìn)氣閥用真空泵以-96 kPa的壓力抽空，上述過程重復(fù)20次，以確保燃燒室內(nèi)換氣干凈，充入的全部是設(shè)置好當(dāng)量比的新鮮預(yù)混氣，最后一次充氣后打開進(jìn)氣旁路閥，將燃燒室壓力降至大氣壓，然后關(guān)閉閥門靜置20 min，在常溫常壓的初始條件下點(diǎn)火進(jìn)行火焰?zhèn)鞑?shí)驗(yàn)。為防止浮力影響，實(shí)驗(yàn)裝置水平放置，在石英玻璃窗下放置傾角45°的前鍍膜反射鏡進(jìn)行光路調(diào)整，使用高速攝像機(jī)(MEMRECAM HX-6)拍攝實(shí)驗(yàn)過程，曝光時(shí)間196.6 μs，拍攝記錄頻率5 000 s-1。

1.3 數(shù)據(jù)處理

對拍攝的每張圖片進(jìn)行編程處理，其過程如圖3所示。首先提取圖片上每一點(diǎn)的亮點(diǎn)值，篩選出火焰面邊界的離散點(diǎn)。將離散點(diǎn)擬合成圓，圓的半徑值作為此刻火焰?zhèn)鞑ギ?dāng)量半徑。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 火焰基本形態(tài)

在狹縫間距H=2.5 mm、當(dāng)量比φ=1.10時(shí)，常溫常壓初始條件下狹縫微型燃燒室內(nèi)丙烷/空氣火焰?zhèn)鞑ミ^程如圖4所示。初始階段，火焰?zhèn)鞑コ蕡A形向外傳播，火焰面光滑，在火焰?zhèn)鞑?1.8 ms時(shí)，開始出現(xiàn)皺褶火焰鋒面，隨火焰繼續(xù)傳播，皺褶不斷發(fā)展，最后成為花瓣?duì)罨鹧嬷敝寥急M熄滅?；鹧姘欛薜漠a(chǎn)生由火焰不穩(wěn)定性導(dǎo)致，由于火焰面隨著局部燃燒的增強(qiáng)或者削弱而拉伸，火焰面會(huì)形成褶皺，甚至發(fā)生斷裂[16]。

2.2 當(dāng)量比的影響

在狹縫間距H=2.0 mm時(shí)，丙烷/空氣預(yù)混氣在不同當(dāng)量比下的火焰?zhèn)鞑ト鐖D5所示。在當(dāng)量比φ=1.00～1.05時(shí)，燃燒強(qiáng)度比較低，但是火焰前鋒比較光滑，在傳播一段時(shí)間后，僅出現(xiàn)單個(gè)皺褶，火焰半徑增長慢，火焰?zhèn)鞑ゾ徛辉讦?1.10～1.35時(shí)，燃燒強(qiáng)度有所加強(qiáng)，在開始階段火焰鋒面光滑，隨著火焰?zhèn)鞑コ霈F(xiàn)皺褶現(xiàn)象，火焰皺褶不斷發(fā)展，在后期形成花瓣?duì)?，并且隨當(dāng)量比增加，火焰皺褶出現(xiàn)時(shí)刻提前；在φ=1.40～1.45時(shí)，火焰變暗，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兟?，褶皺在初期就開始出現(xiàn)，例如在φ=1.45時(shí)，火焰鋒面在t=16.2 ms時(shí)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

圖中Le數(shù)根據(jù)定義計(jì)算得到：

(1)

式中：α為熱擴(kuò)散系數(shù)，DAB為質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，可分別由下式計(jì)算獲得[17]：

(2)

(3)

式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)，ρ為密度，cp為比定壓熱容，p為壓力，MA、MB為A、B的摩爾質(zhì)量，MAB=2[(1/MA)+(1/MB)]-1，σAB為特征長度，ΩD為擴(kuò)散碰撞積分。

根據(jù)優(yōu)先擴(kuò)散理論，在富燃條件下，計(jì)算了少數(shù)組分O2的Le數(shù)LeO2。

如圖6所示，火焰?zhèn)鞑グ霃诫S時(shí)間增加而增大。在φ=1.10、1.20和1.30時(shí)，火焰?zhèn)鞑グ霃诫S時(shí)間變化的曲線比較光滑，而在φ=1.00、1.40和1.45的情況時(shí)，曲線會(huì)出現(xiàn)不光滑現(xiàn)象，且整體斜率小，表明火焰?zhèn)鞑プ兟?/p>

火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤筛鶕?jù)下式計(jì)算：

(4)

Liao等[18]和Bradley等[19]的研究表明，在常規(guī)尺度定容燃燒彈中，在點(diǎn)火半徑6～8 mm的范圍內(nèi)，點(diǎn)火能量會(huì)影響火焰?zhèn)鞑ニ俣?。在本?shí)驗(yàn)中，選取點(diǎn)火能影響區(qū)域外火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M(jìn)行討論。由圖7可知，隨著半徑的增大，火焰?zhèn)鞑ニ俣日w上是下降的，并且在0～2.5 m/s范圍內(nèi)，這比常規(guī)尺度微型燃燒彈中的丙烷/空氣火焰?zhèn)鞑ニ俣萚12,20]要低。另外,火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著當(dāng)量比減小先增大后減小，這與圖5中的火焰?zhèn)鞑顟B(tài)相對應(yīng)，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍讦?1.20時(shí)最大，丙烷/空氣的燃料特性一致[10]。

2.3 狹縫間距的影響

實(shí)驗(yàn)對比了H=2.0、2.5、3.0和5.0 mm四種微燃燒室內(nèi)火焰?zhèn)鞑?。首先，燃燒室?nèi)丙烷/空氣火焰?zhèn)鞑タ扇紭O限當(dāng)量比范圍受尺度效應(yīng)的影響比較明顯，如圖8所示。實(shí)驗(yàn)中丙烷/空氣可燃極限當(dāng)量比范圍窄于常規(guī)尺度，在間距2.0～3.0 mm時(shí)，貧燃預(yù)混氣(當(dāng)量比φ<1)無法形成火焰?zhèn)鞑ィ浑S著間距增加，可燃極限當(dāng)量比范圍增大，主要是富燃料工況的范圍增大，在H=5.0 mm時(shí)，貧燃料工況φ=0.9也可以形成火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

其次，間距變化對火焰形態(tài)存在明顯的影響，圖9為φ=1.20時(shí)不同間距燃燒室內(nèi)火焰照片對比結(jié)果。隨著間距的減小，火焰面的燃燒強(qiáng)度減弱，同時(shí)火焰鋒面更早出現(xiàn)皺褶，且火焰面上皺褶數(shù)目也更多。

此外，燃燒室的尺度變化對火焰?zhèn)鞑ニ俣纫泊嬖谳^大影響，如圖10所示。不同間距下，整體上火焰?zhèn)鞑ニ俣入S半徑增大而減小，而在間距5.0 mm燃燒室內(nèi)，火焰初期存在一個(gè)明顯的傳播速度加速過程，在到達(dá)速度峰值后，火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u下降。并且對比三個(gè)間距下的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著間距變化不是線性變化，隨間距變小，火焰?zhèn)鞑ニ俣认仍龃蠛鬁p小，在H=3.0 mm時(shí)最大。

2.4 火焰皺褶與速度特性機(jī)制分析

通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，微小定容空間內(nèi)的火焰?zhèn)鞑?，燃燒室尺度越小，皺褶越容易產(chǎn)生。一方面，由于實(shí)驗(yàn)中混合氣的初始狀態(tài)基本為富燃狀態(tài)，氧氣是未燃混合氣中的少數(shù)組分，有效Le<1，根據(jù)優(yōu)先擴(kuò)散理論[10]，少數(shù)組分的Le<1，火焰的熱擴(kuò)散是不穩(wěn)定的，會(huì)造成傳播中火焰面皺褶發(fā)生。并且隨著當(dāng)量比的增加會(huì)使氧的Le數(shù)減小，擴(kuò)散不穩(wěn)定效應(yīng)增強(qiáng)，火焰更容易產(chǎn)生皺褶(見圖5)；如果當(dāng)量比繼續(xù)增大，氧的Le數(shù)繼續(xù)減小，就會(huì)出現(xiàn)火焰斷裂或熄滅的現(xiàn)象。另一方面，在燃燒室內(nèi)的非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)也會(huì)使火焰出現(xiàn)褶皺，在固定當(dāng)量比下，少數(shù)組分的Le數(shù)相等，即熱質(zhì)擴(kuò)散效應(yīng)相同，受壁面黏性效應(yīng)的影響，狹縫間火焰鋒面是彎曲的[21]，且隨間距減小，火焰面變形越大，火焰拉伸作用越強(qiáng)，因而更容易產(chǎn)生皺褶(見圖9)。

隨著燃燒室的尺度減小，火焰?zhèn)鞑ニ俣炔⒉皇菃握{(diào)下降，而是在間距3 mm時(shí)最大(見圖10)，這表明空間尺度對火焰?zhèn)鞑ビ兄@著的影響。由于已燃熱氣體膨脹會(huì)推動(dòng)火焰鋒面之前的未燃?xì)庀蚯斑\(yùn)動(dòng)，壁面的黏性邊界層效應(yīng)對狹縫間未燃?xì)饬鲃?dòng)可能起著重要作用，在合適的間距下，火焰鋒面前沿狹縫主流區(qū)未燃?xì)馑俣葧?huì)達(dá)到某個(gè)最大值[21]，從而使得火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲蟆?/p>

2.5 摻氫的影響

圖11為間距2.5mm、丙烷/空氣當(dāng)量比為1.0時(shí)，分別摻入體積分?jǐn)?shù)φH2=0%、7.8%、13.2%和18.0%的H2的預(yù)混氣燃燒過程。隨著H2的摻入，火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@比未摻入的速度要快而且燃燒強(qiáng)度也隨之增加。在φH2=13.2%時(shí)，發(fā)生了爆燃現(xiàn)象，伴隨有震動(dòng)和尖嘯聲。圖12為四種摻比預(yù)混氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，可以看出，摻入H2之后，火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@加快，其中φH2=13.2%、18%時(shí)的速度達(dá)到了8 m/s左右。

摻入H2后，初期火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，并且火焰不穩(wěn)定性增強(qiáng)，表現(xiàn)在褶皺的數(shù)量和大小都有所增加，因而增加了燃燒反應(yīng)面積，使得燃燒強(qiáng)度增加，放熱量也隨之增加。這與常規(guī)尺度下定容燃燒彈中，丙烷/空氣摻氫比例小于40%時(shí)，火焰?zhèn)鞑ミ^程中表面基本光滑的情況不同[23]?；鹧?zhèn)鞑ズ笃?，燃燒室?nèi)壓力和溫度迅速升高，使得殘留未燃預(yù)混氣同時(shí)自燃，從而產(chǎn)生了爆燃，這與內(nèi)燃機(jī)末端未燃?xì)怏w引發(fā)爆燃機(jī)理一致[24]。圖12表明，摻入13.2%的H2的曲線雖然整體呈下降趨勢，但在半徑33～52 mm的過程中有一個(gè)的加速過程，使得燃燒室壓力和溫度繼續(xù)升高，從而引發(fā)了爆燃。隨著摻入H2比例的增加，爆燃現(xiàn)象沒有出現(xiàn)，一方面是由于預(yù)混氣已經(jīng)處于富燃狀態(tài)，燃料的繼續(xù)添加即當(dāng)量比增加會(huì)降低反應(yīng)速率，如圖12所示，雖然初期速度與摻入13.2%的H2相當(dāng)，但摻入18%的H2火焰?zhèn)鞑デ€始終是下降的，燃燒室內(nèi)沒有發(fā)生爆燃；另一方面，摻入的H2自燃溫度高于丙烷，受燃燒室內(nèi)的壓力和溫度條件限制，過濃的摻氫比例反而不易引發(fā)末端自燃，因此沒能產(chǎn)生爆燃。

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)研究了常溫常壓下間距2.0～5.0 mm的狹縫圓盤狀微燃燒室內(nèi)丙烷/空氣火焰?zhèn)鞑ゼ凹託浔继匦裕玫饺缦陆Y(jié)論：

(1)在直徑150 mm的微型定容燃燒室內(nèi)，丙烷/空氣預(yù)混氣的火焰?zhèn)鞑コ霈F(xiàn)光滑、褶皺和斷裂三種現(xiàn)象。隨著當(dāng)量比增加和間距減小，褶皺出現(xiàn)位置更早。熱質(zhì)擴(kuò)散不穩(wěn)定和流體力學(xué)不穩(wěn)定是褶皺產(chǎn)生的主要原因。

(2)在直徑150 mm的微型定容燃燒室內(nèi)，隨火焰?zhèn)鞑グ霃皆龃?，火焰?zhèn)鞑ニ俣日w是下降的?；鹧?zhèn)鞑ニ俣入S著間距的減小，先增大后減小，在間距3.0 mm時(shí)最大。隨間距尺度減小，火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸尸F(xiàn)先增大后減小的趨勢，散熱和狹縫內(nèi)壁面黏性邊界層效應(yīng)耦合可能是主要原因。微尺度帶來的火焰與壁面之間的相互作用是原因之一，燃燒室內(nèi)壓力增加也是另一個(gè)主要原因。

(3)在丙烷/空氣預(yù)混氣中摻入適當(dāng)比例的氫氣會(huì)在狹縫微型燃燒室內(nèi)出現(xiàn)爆燃現(xiàn)象，該裝置可以作為一種研究爆燃發(fā)生機(jī)制的新手段。

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