康?鑫，鄧友程，范愛武

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小尺度燃燒器壁面熱性能對火焰穩(wěn)定性的影響

康?鑫1, 2，鄧友程2，范愛武3

(1. 武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430070；2. 武漢理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063； 3. 華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，武漢 430074)

從調(diào)整小型燃燒器壁面熱性能的角度出發(fā)，對改善其穩(wěn)燃性能進行了研究，共進行了兩個實驗．第1個實驗采用多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)，比較研究了不同導(dǎo)熱率的壁面材料(硅與石英)對燃燒器穩(wěn)燃性的影響．結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盡管兩種材料燃燒器有著相同的低速極限，但是高導(dǎo)熱率的硅燃燒器比石英燃燒器有著更大的高速極限，使火焰能夠穩(wěn)定在多孔介質(zhì)材料上而不被吹出．第2個實驗探索了各向異性材料熱解石墨燃燒器的性能，作為對比，對各向同性的不銹鋼316常規(guī)材料燃燒器也進行了研究．由于壁面被增強的流向?qū)峒氨粶p弱的法向熱損失，熱解石墨與各向同性的不銹鋼相比，穩(wěn)燃極限擴大，有著更大的穩(wěn)燃區(qū)間．

微尺度燃燒；穩(wěn)燃極限；多孔介質(zhì)燃燒；各向熱異性材料

氫氣和烴類化合物在微小尺度下的燃燒有著廣泛的應(yīng)用前景，例如便攜式能量系統(tǒng)和微型火箭推進器．與傳統(tǒng)的電化學(xué)電池相比，小尺度燃燒具有極高的能量密度(兩個數(shù)量級以上)、立即的可再充性(只需更換燃料元件盒)，良好的環(huán)保性能(沒有廢棄物的處理問題)[1]．另一方面，微小尺度的燃燒器在未來的應(yīng)用也面臨著技術(shù)挑戰(zhàn)．最顯著的問題是燃燒器尺寸縮小帶來的被放大的表面熱損失效應(yīng)，以及被縮短的流動遲滯時間．這些問題可能導(dǎo)致火焰燃燒不穩(wěn)定，甚至導(dǎo)致火焰的熄滅[2]．

因此，小尺度下的火焰穩(wěn)定性問題在領(lǐng)域內(nèi)引起廣泛的關(guān)注和興趣．Kim等[3]實驗研究了一種“瑞士卷”(“Swiss Roll”)小型燃燒器，高溫燃燒產(chǎn)物通過螺旋形流道的固體壁面對低溫未燃預(yù)混氣進行預(yù)熱，達到了提高燃燒穩(wěn)定性、擴大可燃范圍的目的. Wan等[4-5]提出了在微尺度燃燒器內(nèi)裝置鈍體來提高火焰吹熄極限的方法，其機理在于鈍體后部的渦街能提供一個穩(wěn)定的反應(yīng)區(qū)域，在高速情況下能使火焰穩(wěn)定在鈍體后方．并通過實驗和模擬發(fā)現(xiàn)了燃燒器中的凹腔對火焰穩(wěn)定性的正面作用．即凹腔中的流動循環(huán)和低速區(qū)域、優(yōu)先擴散效應(yīng)以及上游凹腔內(nèi)壁面對氣體的預(yù)熱作用是火焰穩(wěn)定性提高的主要因素.而關(guān)于多孔介質(zhì)燃燒，在微尺度燃燒中也有著廣泛的研究[6-7]．由于燃燒器通道內(nèi)的多孔介質(zhì)能夠存儲燃燒放熱，進而對未燃氣體預(yù)熱產(chǎn)生作用，因此能有效地穩(wěn)定火焰以及擴大穩(wěn)燃區(qū)域．此外，Kang等[8]模擬研究了在甲烷/空氣預(yù)混火焰中摻入少量氫氣或一氧化碳對微尺度火焰行為的影響．結(jié)果發(fā)現(xiàn)在摻雜情況下，由于一些重要基元反應(yīng)的強化導(dǎo)致燃燒放熱率增強，最終有效地抑制了火焰的振蕩性．

上述工作主要通過改變?nèi)紵鹘Y(jié)構(gòu)(如在燃燒器內(nèi)安裝鈍體或加工出凹腔)，加入多孔介質(zhì)輔助手段或者調(diào)整燃料組分(摻雜少量其他燃料)來改進燃燒的穩(wěn)定性．另一方面，燃燒器本身的熱物理性質(zhì)對內(nèi)部火焰的行為也有著重要的影響．Veeraragavan等[9]通過理論研究發(fā)現(xiàn)從火焰下游區(qū)域向上游區(qū)域通過燃燒氣體及固體壁面的導(dǎo)熱是火焰穩(wěn)定的決定性因素．Federici等[10]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)高導(dǎo)熱率的固體內(nèi)壁能通過其軸向?qū)?，提供對未燃氣體的預(yù)熱作用，從而有效地穩(wěn)定火焰．由于文獻中的這些理論和數(shù)值模擬研究指出了燃燒器本身的導(dǎo)熱性對小尺度下火焰的穩(wěn)定有著關(guān)鍵性的影響，因此，筆者在本文中從實驗研究的角度，通過調(diào)整小尺度燃燒器的熱性能達到改善其穩(wěn)燃性能的目的．

1?實驗裝置與方法

圖1展示了實驗裝置示意圖．整個系統(tǒng)由甲烷和空氣供氣瓶、質(zhì)量流量控制器、管式氣體混合器、箱體氣體混合器以及小尺度的燃燒器組成．各個部件由Swagelok不銹鋼管道以及卡套管接頭連接．由Sierra Instruments公司生產(chǎn)的流量控制器精度為滿量程(甲烷1000mL/min，空氣10000mL/min)的±1%.通過流量控制器，可以調(diào)節(jié)燃燒器內(nèi)未燃混合氣的速度和當(dāng)量比．

圖1?實驗裝置示意

燃燒器本身是由兩塊高80mm×寬60mm×厚2mm的平行平板(作為燃燒器壁面)組成，實驗中的燃燒反應(yīng)在兩塊平板之間的通道內(nèi)進行．這兩塊平板安裝在可移動的支撐板上，通過移動支撐板可以調(diào)節(jié)平板之間的距離．兩塊陶瓷材料從側(cè)面夾住平行平板，并提供熱絕緣．甲烷和空氣經(jīng)過管式及箱體混合器預(yù)混后，穿過燃燒器下方的不銹鋼鐵絲網(wǎng)，以均勻的速度分別進入燃燒器．同時，這個不銹鋼鐵絲網(wǎng)也起到了防止燃燒過程中回火的作用．

本文共進行了兩個實驗，以探討燃燒器壁面熱性能的調(diào)整對其穩(wěn)燃性能改善的作用．高性能的紅外線照相機FLIR A655(分辨率640×480)在實驗中被用來測量燃燒器外壁面的溫度分布，從一個側(cè)面表征燃燒器的性能．

第1個實驗采用了多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)，并比較了不同導(dǎo)熱率的燃燒器壁面材料對穩(wěn)燃性的影響．多孔介質(zhì)材料能以額外的固體導(dǎo)熱方式，增強從火焰下游往火焰上游的傳熱，來預(yù)熱新進未燃氣體，以達到有效穩(wěn)定火焰的目的．圖2展示了本文中使用的碳化硅(SiC)多孔泡沫材料．兩塊高50mm×寬25mm×厚1.7mm的多孔泡沫被組合成一個整體(高80mm×寬50mm×厚1.7mm)后插入通道內(nèi)，緊靠燃燒器內(nèi)壁面的一側(cè)．實驗中平板燃燒器間距被固定在3.5mm，該間距是能使火焰緊貼在多孔泡沫上的最小距離，因為火焰需要一定的空間進行傳播(對此間距為3.5mm-1.7mm＝1.8mm)．對于更小的平板間距，發(fā)現(xiàn)火焰不能貼在多孔泡沫上，而是坐落在泡沫的上方(高度方向)．兩種不同的材料，硅和石英被用作燃燒器的壁面材料．硅是近年來微機電系統(tǒng)(MEMS)中最為流行的使用材料，而石英由于其透明可視性也被廣泛用于實驗研究中以觀測燃燒器內(nèi)部情況．由于這兩種材料在導(dǎo)熱性能上有著較大的差別，在常溫下石英導(dǎo)熱率僅為硅材料的1/16(10W/(m·K)vs 160W/(m·K)[11]，筆者認為可以較為明顯地比較研究燃燒器壁面導(dǎo)熱率對其穩(wěn)燃性的影響．

本文中第2個實驗使用了各向異性材料作為燃燒器的壁面材料．Norton等[12]在他們的數(shù)值模擬研究中指出，燃燒器壁面導(dǎo)熱性對火焰穩(wěn)定起著雙面性的作用，燃燒器固體壁面沿流向的導(dǎo)熱有利于火焰的穩(wěn)定，而垂直壁面方向上的導(dǎo)熱會增大熱損失，甚至導(dǎo)致火焰熄滅．因此，筆者研究一種各向異性的材料對燃燒器性能的影響，其沿流向?qū)崧蔬h大于壁面法向?qū)崧?，在增強流向?qū)岬耐瑫r，減小法向熱損失．在這個實驗中，筆者使用了各向異性的熱解石墨材料，作為對比，對各向同性的不銹鋼316常規(guī)材料燃燒器也進行了研究．表1列出了熱解石墨與不銹鋼316的物性參數(shù)[13]．由表1可以看出，熱解石墨有著高度的各向異性，在常溫下其切平面(沿燃燒器流向)方向的導(dǎo)熱率是法向上的一百倍．另外，不銹鋼的熱擴散率(導(dǎo)熱率/密度/比熱容)與熱解石墨相當(dāng)(常溫下0.03cm2/s vs 0.02cm2/s)，因此是一個很好的參考基準．在該實驗中沒有使用多孔介質(zhì)材料，燃燒器平板間距被固定在2mm．

圖2?插入碳化硅多孔介質(zhì)材料的燃燒器

表1?熱解石墨與不銹鋼316的物性參數(shù)對比

Tab.1?Comparisonof physical properties between pyrolytic graphite and stainless steel 316

2?實驗結(jié)果與討論

2.1?結(jié)合多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)，不同壁面材料燃燒器的穩(wěn)燃效果

由實驗1的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于當(dāng)量比為1的甲烷/空氣預(yù)混氣體，當(dāng)燃燒器進口流速in低于同一個速度極限37cm/s時，火焰在石英和硅材料燃燒器中首先經(jīng)歷了一段時間的不穩(wěn)定振蕩，最終被熄滅．這是因為在低流速下能量輸入不足，不能補償燃燒器外壁面熱損失，所以燃燒無法穩(wěn)定進行．當(dāng)進口流速接近(但略高于)這個低速極限時，火焰在靠近燃燒器入口的位置穩(wěn)定燃燒，因為預(yù)熱長度(從燃燒器進口至火焰位置)十分有限，不同材料燃燒器壁面的熱循環(huán)對未燃氣體的預(yù)熱作用差別很?。虼耍⒑凸璨牧先紵骶哂邢嗤退贅O限，繼續(xù)降低進口流速，火焰將熄滅．

另一方面，石英壁面燃燒器在氣體進口速度大于51cm/s時，碳化硅多孔泡沫無法穩(wěn)定住火焰，火焰將坐落在多孔泡沫的上方．而對于硅材料燃燒器，發(fā)現(xiàn)在更高的進口流速下，多孔介質(zhì)材料仍能穩(wěn)定住火焰．直到本實驗測試的最高進口流速in＝77cm/s，火焰仍緊貼著多孔泡沫材料．由于該速度已接近流量控制器滿量程，實驗中沒有進一步提高燃燒器進口流速．硅材料燃燒器比石英材料有著更大的高速極限的原因在于，從燃燒器火焰下游區(qū)域往上游區(qū)域的熱傳導(dǎo)在高導(dǎo)熱率的硅材料壁面中被極大地增強了．與接近低速極限時的情況不同，當(dāng)進口流速朝向高速極限增大時，火焰在遠離燃燒器進口的位置，使得未燃氣體在進口到火焰位置的較長距離內(nèi)被預(yù)熱，因此不同燃燒器壁面材料在穩(wěn)燃性上有著很大的區(qū)別，高導(dǎo)熱率的硅材料能提供更大的預(yù)熱量，增大了火焰?zhèn)鞑ニ俣龋瑥亩c更高的進口流速達到平衡來穩(wěn)定火焰．

圖3展示了實驗中在進口流速in＝49cm/s時，兩種不同燃燒器的紅外熱像及外觀照片．可以看出，石英燃燒器有更大的最高外壁溫度，高導(dǎo)熱率的硅材料燃燒器有著更均勻的外壁面溫度分布．更重要的是，硅相對于石英材料，在靠近燃燒器進口處的壁面溫度更高，可以對未燃氣體產(chǎn)生更大的預(yù)熱作用．因此，當(dāng)石英燃燒器中的火焰將要脫離多孔泡沫時，硅材料燃燒器中的火焰穩(wěn)定在更上游的位置，仍然緊貼著多孔介質(zhì)材料．

圖3 石英和硅材料燃燒器的紅外熱像及外觀照片

另外一個重要的發(fā)現(xiàn)是，石英燃燒器和硅材料燃燒器有著相反的火焰彎曲形狀，前者的火焰是下凹的，而后者的火焰是上凸的．Singh等[14]通過數(shù)值計算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燃燒器表面與外界環(huán)境對流換熱系數(shù)減小時(壁面熱損失減小)，“流動再定向”(flow redirection)作用在火焰的更上游處被增強(在火焰-流動相互作用下，展向速度分量相對于流向上分量的比重增大)，引起了火焰彎曲方向的轉(zhuǎn)變(凹向燃燒器出口變?yōu)橥瓜蛉紵鞒隹?．而在本實驗中，高導(dǎo)熱率的硅片材料極大地增強了燃燒器壁面對未燃氣體的預(yù)熱作用，從而有效地彌補了系統(tǒng)的熱損失，導(dǎo)致火焰呈現(xiàn)出上凸的形狀．另一方面，由于缺乏有效的預(yù)熱作用，石英燃燒器中的火焰呈現(xiàn)出下凹的形狀．

2.2?各向異性材料燃燒器的穩(wěn)燃效果

圖4展示了實驗2中各向異性熱解石墨燃燒器與各向同性不銹鋼316燃燒器的穩(wěn)燃區(qū)間．穩(wěn)燃區(qū)間是指在兩個當(dāng)量比極限和兩個速度極限之間的區(qū)域．在當(dāng)量比極限和低速極限之外，火焰發(fā)生熄滅.在高速極限之外，火焰被吹出燃燒器．

圖4 與不銹鋼316相比，熱解石墨燃燒器被擴大的穩(wěn)燃極限

由圖4可見，兩種材料燃燒器有著相同的當(dāng)量比極限，低于貧油極限(當(dāng)量比0.8)或高于富油極限(當(dāng)量比1.25)時，均會發(fā)生火焰熄滅現(xiàn)象．然而，與不銹鋼316相比，熱解石墨燃燒器明顯有著更大的速度極限．如同前文分析，這是因為在沿流向高導(dǎo)熱率作用下，燃燒器固體壁面從火焰下游區(qū)域往上游區(qū)域的熱傳導(dǎo)被極大地增強．從而，燃燒器壁面對未燃氣體提供了更大的預(yù)熱量，因此增大了火焰?zhèn)鞑ニ俣?，提高了火焰吹出極限．另一方面，雖然在低速條件下燃燒器表面熱損失是導(dǎo)致火焰不穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素[12]，然而由于實驗中燃燒器壁面的厚度有限(2mm)，兩種燃燒器材料在低速極限上的差別并不明顯．實驗結(jié)果表明，壁面法向上低導(dǎo)熱率的熱解石墨僅能有限地減少熱損失，在富油側(cè)稍微降低了低速極限．

圖5 實驗前熱解石墨材料的實物照片及在實驗中被火焰加熱后的紅外熱像

另外，各向異性材料熱解石墨由于其極高的導(dǎo)熱性，在實驗中被火焰加熱之后有著非常均勻的溫度分布，如圖5所示．這能有效避免燃燒器壁面“熱點”的出現(xiàn)，從而避免材料在高溫下失效．從能量轉(zhuǎn)化的角度來說，這種均勻的壁面溫度分布對提高熱電(thermoelectric)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率(將 燃燒器表面的熱能通過熱電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能)非常有利[15]．

3?結(jié)?論

本文從調(diào)整小型燃燒器熱性能的角度出發(fā)，對改善其穩(wěn)燃性能進行了研究，一共進行了兩個實驗．第1個實驗采用多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)，比較研究了不同導(dǎo)熱率的壁面材料對燃燒器穩(wěn)燃性的影響．第2個實驗探索了各向異性材料熱解石墨燃燒器的性能．

(1) 不同燃燒器壁面材料由于其導(dǎo)熱率的差異，在穩(wěn)燃性上有著很大區(qū)別．相較于石英材料，更高導(dǎo)熱率的硅材料能提供更大的預(yù)熱量，增大了火焰?zhèn)鞑ニ俣?，從而能與更高的進口流速達到平衡，使火焰穩(wěn)定在多孔介質(zhì)材料上．

(2) 與各向同性不銹鋼316燃燒器相比，各向異性熱解石墨燃燒器的固體壁面從火焰下游區(qū)域往上游區(qū)域的熱傳導(dǎo)在沿流向高導(dǎo)熱率的作用下被極大增強，而同時壁面對環(huán)境的熱損失由于其法向上的低導(dǎo)熱率有效減少，從而導(dǎo)致熱解石墨燃燒器有著更大的穩(wěn)燃區(qū)間．

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Impact of Wall Thermal Properties on Flame Stability of Small-scale Combustors

Kang Xin1, 2，Deng Youcheng2，F(xiàn)an Aiwu3

(1. School of Civil Engineering and Architecture，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China； 2. School of Energy and Power Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China； 3. School of Energy and Power Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)

In this study, we performed two sets of experiment to investigateconditions that would improve the flame stability of small-scale combustorsbyadjusting the thermal properties of walls. In the first experiment, we used porous media combustion technology to study the effects of the thermal conductivities of different wall materials (silicon and quartz) on the flame stability. We found that although two types of wall materials had the same low-velocity limit, the silicon combustor with higher thermal conductivity had a higher high-velocity limit than the quartz combustor,which stabilized the flame on porous media to prevent blow-off extinction. In the second experiment, we investigated the performance of a pyrolytic graphite combustor with respect to its thermally orthotropic properties. For comparison, we also studied theperformance of the conventional isotropic material stainless steel 316. The results showed that the pyrolytic graphite combustor exhibited wider flame-stability limits than the stainless steel combustor, due to its enhanced stream-wise heat conduction and reduced span-wise heat loss.

microscale combustion；flame stability limit；porous media combustion；orthotropic material

TK11

A

1006-8740(2019)01-0011-05

10.11715/rskxjs.R201809019

2018-09-10．

國家自然科學(xué)基金資助項目(51806158)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2018IVA055).

康?鑫（1984—??），男，博士，副教授.

康?鑫，xkang@whut.edu.cn．