劉貴軍，錢文凱，李蘇輝

(清華大學(xué)能源與動力工程系，北京 100084)

富氧燃燒能夠極大地提高碳減排效率.近年來，國際上提出了應(yīng)用富氧燃燒的燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)[1]和超臨界CO2燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)[2-3]，通過提高燃燒室來流的CO2濃度，降低N2含量，在提高碳捕捉效率的同時(shí)，還可以降低NOx排放.但是富氧燃燒要求提高空氣中的O2濃度以穩(wěn)定火焰，這就使得燃料和富氧空氣在燃燒室預(yù)混段混合時(shí)易發(fā)生自點(diǎn)火，進(jìn)而引起回火或掛火，影響燃?xì)廨啓C(jī)穩(wěn)定運(yùn)行[4].因此，研究燃料與富氧空氣混合過程的自點(diǎn)火現(xiàn)象和火焰穩(wěn)定機(jī)理有重要意義.

傳統(tǒng)的自點(diǎn)火研究多在均勻組分場、均勻溫度場等條件下開展[5-6]，側(cè)重于著火的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)過程.但燃料與空氣混合過程中的自點(diǎn)火是受流動與化學(xué)反應(yīng)耦合作用影響的，特別是在湍流條件下，湍流輸運(yùn)影響組分場和溫度場，進(jìn)而影響自點(diǎn)火的發(fā)生和后續(xù)火焰的傳播與穩(wěn)定[7].近年來，國際上逐漸開展了燃料混合過程中的自點(diǎn)火研究，在流動對自點(diǎn)火的作用機(jī)理、火焰抬升高度預(yù)測和火焰穩(wěn)定機(jī)理等方面取得了一定進(jìn)展.

Deng 等[8]采用數(shù)值模擬研究了二甲醚射流在協(xié)流空氣中自點(diǎn)火火焰的穩(wěn)定機(jī)理，發(fā)現(xiàn)當(dāng)協(xié)流溫度較高時(shí)，局部流動速度與火焰?zhèn)鞑ニ俣戎g的平衡是主要的火焰穩(wěn)定機(jī)理；而當(dāng)協(xié)流溫度較低時(shí)，自點(diǎn)火化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)是主要的火焰穩(wěn)定機(jī)理.

在火焰?zhèn)鞑シ€(wěn)定方面，Wu 等[9]發(fā)現(xiàn)對于湍流射流火焰，當(dāng)火焰抬升高度變大時(shí)，火焰穩(wěn)定機(jī)理更偏向于火焰?zhèn)鞑?Cabra[10]通過實(shí)驗(yàn)指出，射流火焰抬升高度隨射流速度和協(xié)流速度的增加而增加，并在較低協(xié)流速度下與Gautam[11]得出的預(yù)混火焰抬升高度關(guān)系式擬合良好.Bradley 等[12]通過實(shí)驗(yàn)建立了傳統(tǒng)射流火焰高度和抬升高度的數(shù)據(jù)庫，涵蓋了6 種不同的燃料和流動狀態(tài)，并通過數(shù)學(xué)建模定義了一個(gè)新的參數(shù)U，給出了火焰高度和抬升高度的關(guān)系.

在自點(diǎn)火動力學(xué)穩(wěn)定方面，Chung 等[13-14]指出層流射流在高溫空氣中自點(diǎn)火形成的抬升火焰類似于MILD 燃燒，且抬升高度隨射流速度與化學(xué)當(dāng)量均勻混合物自點(diǎn)火延遲時(shí)間平方的乘積成正比.Reuter等[15]同樣指出二甲醚射流在協(xié)流空氣中自點(diǎn)火抬升高度與自點(diǎn)火時(shí)間有很大關(guān)系.Williams 等[16]發(fā)現(xiàn)，基于燃料射流-空氣協(xié)流流動時(shí)間計(jì)算出的點(diǎn)火時(shí)間遵循Arrhenius 關(guān)系式，這說明自點(diǎn)火對火焰穩(wěn)定起著重要作用.Masri 等[17]通過概率密度函數(shù)方法也證實(shí)了自點(diǎn)火的產(chǎn)生對火焰穩(wěn)定機(jī)理的重要作用.

但Oldenhof 等[18]發(fā)現(xiàn)自點(diǎn)火抬升高度在不同Re 數(shù)下隨射流速度呈不同的變化趨勢，并指出湍流對自點(diǎn)火的產(chǎn)生具有重要作用.Markides 等[19]和Echekki 等[20]也通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一結(jié)論.因此，在湍流輸運(yùn)-自點(diǎn)火動力學(xué)耦合的情況下，上述兩種火焰穩(wěn)定機(jī)理都存在局限性.Li 等[21]進(jìn)一步在湍流混合時(shí)間和自點(diǎn)火時(shí)間相當(dāng)?shù)那闆r下，基于湍流大尺度混合模型對自點(diǎn)火抬升火焰高度預(yù)測模型進(jìn)行了修正，預(yù)測效果良好.

上述研究初步揭示了自點(diǎn)火非預(yù)混射流火焰的穩(wěn)定機(jī)理，以及湍流混合、火焰?zhèn)鞑ヒ约白渣c(diǎn)火化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)對抬升高度的影響機(jī)制，但目前尚無在富氧條件下的相關(guān)研究報(bào)道.在富氧條件下，針對傳統(tǒng)射流火焰的研究發(fā)現(xiàn)，氧氣含量對火焰穩(wěn)定性有重要影響，增加氧氣含量可以提高火焰穩(wěn)定性，降低火焰抬升高度[22-23].然而，這些研究都是針對傳統(tǒng)射流火焰，自點(diǎn)火條件下富氧射流火焰的穩(wěn)定機(jī)理還未被研究.因此，本文開展富氧條件下的自點(diǎn)火抬升火焰穩(wěn)定機(jī)理研究，通過高溫自點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，探究火焰抬升高度隨射流速度的變化規(guī)律.

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測量方法

高溫自點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由空氣供應(yīng)系統(tǒng)、燃料供應(yīng)系統(tǒng)、尾氣排放系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)和雙層石英管實(shí)驗(yàn)段組成，如圖1 所示.

圖1 高溫自點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 High temperature autoignition experimental system

燃料供應(yīng)系統(tǒng)通過熱式質(zhì)量流量控制器(Bronkhost EL-flow)提供燃料和稀釋氣體的混合物，流量控制器最大流量為1 000 L/min，誤差為0.1%FS.燃料為 C2H2(99.9%純度)，稀釋氣體為 N2(99.9%純度).數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)由NI 機(jī)箱和NI 板卡組成，可以采集熱電偶溫度信息、各控制器中質(zhì)量流量信息，并通過模擬電流信號控制流量.

圖2(a)展示了實(shí)驗(yàn)段部分的剖面圖和實(shí)物圖，該實(shí)驗(yàn)段由整流段和反應(yīng)段組成.乙炔通過內(nèi)徑為4.93 mm、外徑為6.35 mm 的燃料噴射管向上注入雙層抽真空的石英管，石英管內(nèi)部直徑 25 mm，長0.6 m，可屏蔽外界對抬升火焰的影響.富氧空氣從整流段底部進(jìn)入，對燃料管加熱后經(jīng)擾流板產(chǎn)生湍流，在石英管中與燃料混合發(fā)生自點(diǎn)火.圖2(b)是在無燃料通入、高溫空氣流速保持20 m/s 的工況下測量得到的石英管內(nèi)部溫度沿軸向的分布情況，在0～30 cm 的范圍內(nèi)管內(nèi)溫度下降不超過12 ℃.同時(shí)，為了防止熱損失對自點(diǎn)火過程產(chǎn)生影響，實(shí)驗(yàn)段中除石英管外的區(qū)域都被包裹了保溫材料，因此可以認(rèn)為雙層抽真空石英管近似絕熱.

圖2 實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu)及溫度分布Fig.2 Experimental setup and its temperature distribution

在本次實(shí)驗(yàn)中，通過熱式質(zhì)量流量控制器控制常規(guī)空氣和氧氣(99.9%純度)的流量，使兩種氣體混合形成富氧空氣，協(xié)流速度保持20 m/s 恒定，對應(yīng)雷諾數(shù)為6 260，加熱器處空氣溫度維持在570 ℃.在實(shí)驗(yàn)開始前，通過持續(xù)1 h 的熱空氣通入使得實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡狀態(tài).隨著氧氣含量的增加，理論火焰溫度的增幅逐漸減小，在氧氣體積分?jǐn)?shù)為26%～31%時(shí)，綜合效益較高[4].因此，本實(shí)驗(yàn)中富氧空氣中O2體積分?jǐn)?shù)為25%.燃料稀釋氣體為N2，燃料摩爾分?jǐn)?shù)及對應(yīng)產(chǎn)生自點(diǎn)火的射流速度區(qū)間見表1.

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Experimental parameters

此外，本次實(shí)驗(yàn)采用數(shù)碼相機(jī)在黑暗的條件下拍攝火焰照片，用來確定火焰類型和抬升高度.MATLAB 軟件被用來對火焰照片進(jìn)行后處理，通過尋找火焰軸線上亮度突變的位置，確定抬升火焰根部的位置，進(jìn)而通過石英管旁刻度尺，可以確定燃料管口到火焰根部的距離，進(jìn)而確定抬升高度.考慮相機(jī)拍攝像素畸變誤差、直尺讀數(shù)誤差，該方法測得抬升高度的誤差約為2%，可以接受.

2 結(jié)果與討論

2.1 自點(diǎn)火火焰類型

當(dāng)燃料進(jìn)入熱空氣時(shí)會發(fā)生自點(diǎn)火，通過改變?nèi)剂仙淞魉俣群腿剂舷♂尦潭?，常?guī)空氣和富氧空氣中都會獲得3 種火焰類型：附著火焰、帶有間歇點(diǎn)火的抬升火焰和抬升火焰.由數(shù)碼相機(jī)(佳能EOS 6D)拍攝到的火焰類型如圖3 所示，光圈f/1.8，感光度ISO為6 400，附著火焰關(guān)頭和帶有間歇點(diǎn)火的抬升火焰的曝光時(shí)間為0.1 s，抬升火焰的曝光時(shí)間為1 s.

圖3 自點(diǎn)火火焰類型Fig.3 Combustion modes of autoignition jet flame

固定燃料摩爾分?jǐn)?shù)、固定氧氣含量的工況下，附著火焰常發(fā)生在較低燃料射流速度區(qū)域，火焰附著在燃料管口，呈明亮的黃色；當(dāng)燃料射流速度進(jìn)一步增加時(shí)，火焰會發(fā)生抬升，由黃色變?yōu)樗{(lán)色，抬升火焰上方會隨機(jī)出現(xiàn)間歇點(diǎn)火并伴有“噼里啪啦”的聲音；繼續(xù)增大燃料射流速度，間歇點(diǎn)火消失，轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的微藍(lán)色抬升火焰.

2.2 自點(diǎn)火抬升高度

圖4 展示了常規(guī)空氣(氧氣體積分?jǐn)?shù)φO2＝21%)和富氧空氣(氧氣體積分?jǐn)?shù)φO2＝25%)兩種條件下發(fā)生自點(diǎn)火時(shí)形成的射流火焰的抬升高度HL隨燃料射流速度Ujet的變化情況.

圖4 自點(diǎn)火射流火焰抬升高度Fig.4 Lift-off height of autoignition jet flame

已知Ucoflow＝20 m/s，常規(guī)空氣條件下不同燃料摩爾分?jǐn)?shù)(Xf)的自點(diǎn)火抬升火焰在燃料射流速度大于10 m/s 時(shí)即可發(fā)生.但是，在富氧空氣條件下，無論燃料摩爾分?jǐn)?shù)取何值，只能在燃料射流速度大于20 m/s 的時(shí)候形成抬升火焰，低于此臨界值火焰就會附著在燃料管出口.從火焰?zhèn)鞑サ慕嵌葋砜矗?dāng)氧氣含量更高時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S之增大，更容易在較低射流速度下向上游傳播，形成附著火焰，因此需要更大的射流速度形成抬升火焰；從化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的角度來看，火焰在高氧氣濃度下反應(yīng)速率更高[24]，進(jìn)而縮短自點(diǎn)火延遲時(shí)間，容易在近管口處發(fā)生自點(diǎn)火，造成火焰附著.

根據(jù)圖4 可知，抬升火焰的吹熄極限速度隨燃料摩爾分?jǐn)?shù)增大而提升.且富氧條件下3 組數(shù)據(jù)的抬升火焰吹熄極限速度均大于常規(guī)氧氣條件.由此可知，在相同燃料摩爾分?jǐn)?shù)和射流速度時(shí)，富氧條件下自點(diǎn)火火焰的抬升高度更低，火焰穩(wěn)定性更好.這是因?yàn)?，在富氧條件下，化學(xué)反應(yīng)速率更快、反應(yīng)強(qiáng)度更大，更能抵抗吹熄，因此自點(diǎn)火抬升火焰的穩(wěn)定性更好[23].Merlo 等[22]針對傳統(tǒng)富氧火焰的研究發(fā)現(xiàn)氧濃度的增加可以降低火焰抬升高度，降低火焰高度波動，提高火焰穩(wěn)定性.

兩種氧氣濃度下火焰抬升高度均隨射流速度的增加而增加，圖4(a)中火焰抬升高度近似為線性增加，與文獻(xiàn)[10，14]的結(jié)果一致，但圖4(b)中火焰抬升高度在Ujet＝30 m/s 附近存在突增區(qū)域.為了更好地分析該區(qū)域形成的原因，本文將φO2＝25%，Xf＝0.36 工況下的火焰圖像按其隨射流速度的變化情況排列起來，如圖5 所示.

圖4(b)中的突增區(qū)域?qū)?yīng)圖5 中火焰類型由“間歇點(diǎn)火＋抬升”變?yōu)椤疤钡男蛄袇^(qū)間.圖4(a)中Ujet處于10～15 m/s 的區(qū)間也存在一個(gè)較小的抬升高度突增區(qū)域，但該突增區(qū)域前的數(shù)據(jù)點(diǎn)更少，拍攝得到的火焰圖像表明該較小突增之前的火焰類型也是“間歇點(diǎn)火＋抬升”，在突增之后火焰類型變?yōu)椤疤?對于這種現(xiàn)象，Li 等[21]通過ICCD 相機(jī)拍攝的OH*化學(xué)熒光圖像對“間歇點(diǎn)火＋抬升”火焰形成機(jī)理進(jìn)行了分析，結(jié)果表明間歇點(diǎn)火和抬升火焰之間存在一段無OH*區(qū)域，該區(qū)域未能發(fā)生燃燒反應(yīng)，而是在更下游的區(qū)域發(fā)生了間歇點(diǎn)火.其原因可能是當(dāng)燃料射流速度與空氣協(xié)流速度相差較小時(shí)，燃料和空氣之間的剪切混合效應(yīng)較差，沒有充足的氧氣與燃料混合使之燃燒完全，未燃盡的燃料在下游接觸到新鮮的高溫空氣后被再次點(diǎn)燃.

圖5 富氧條件下火焰隨射流速度變化的圖像Fig.5 Images of oxygen-enriched flames with different jet velocities

此外，富氧空氣使得抬升火焰下游更容易形成間歇自點(diǎn)火，因此盡管燃料射流速度在不斷增加，火焰仍能較長時(shí)間保持“間歇點(diǎn)火＋抬升”狀態(tài)，因此火焰抬升高度在突增前緩慢增長.當(dāng)燃料射流速度增大到一定程度，與空氣速度之差足夠大，燃料和空氣可以充分混合，火焰類型進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)椤疤保瑫r(shí)高氧氣導(dǎo)致射流火焰?zhèn)鞑ニ俣容^大，能夠與較高的射流速度平衡.此外，脫離了“間歇點(diǎn)火＋抬升”狀態(tài)后，射流速度提高時(shí)，射流的流動距離會明顯增大.這兩個(gè)因素共同作用，導(dǎo)致火焰抬升高度的突增.

2.3 自點(diǎn)火穩(wěn)定機(jī)理

在了解富氧條件下自點(diǎn)火射流火焰的抬升特性后，尚需進(jìn)一步了解其內(nèi)在的穩(wěn)定機(jī)理.由前言部分的論述可知，對于自點(diǎn)火形成的射流抬升火焰，目前主要有3 種穩(wěn)定機(jī)理：化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)穩(wěn)定[14-15]、火焰?zhèn)鞑シ€(wěn)定[10-11]、湍流混合-化學(xué)反應(yīng)耦合穩(wěn)定[20-21].因此，本文通過將富氧條件下自點(diǎn)火抬升高度數(shù)據(jù)與以上3 種穩(wěn)定機(jī)理對應(yīng)的抬升高度預(yù)測模型擬合，對比分析得出影響富氧自點(diǎn)火抬升火焰穩(wěn)定性的主要因素.

化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)穩(wěn)定機(jī)理對應(yīng)的抬升高度預(yù)測模型將反應(yīng)物停留時(shí)間與化學(xué)反應(yīng)時(shí)間相關(guān)聯(lián)，認(rèn)為火焰根部的穩(wěn)定位置是反應(yīng)物停留時(shí)間與自點(diǎn)火延遲時(shí)間平衡的結(jié)果.其表達(dá)式如方程(1)所示[15]，式中τign為化學(xué)當(dāng)量的均勻混合物自點(diǎn)火延遲時(shí)間.忽略空氣在管中流動時(shí)的熱損失，絕熱條件下化學(xué)當(dāng)量自點(diǎn)火混合物延遲時(shí)間τign,ad可以代替τign，并采用一次方的形式，τign,ad可由CHEMKIN-PRO 軟件中的均相反應(yīng)器計(jì)算得到.

基于自點(diǎn)火化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型擬合得到的抬升高度如圖6 所示.為便于對比，文中給出了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合線，可以看出，無論在何射流速度下，該模型中各數(shù)據(jù)點(diǎn)都距擬合線較遠(yuǎn)，故該模型整體擬合情況較差.通過計(jì)算可知，富氧條件下τign,ad相比常規(guī)空氣條件下τign,ad的變化很小.而富氧條件下燃料射流速度較大，反應(yīng)物停留時(shí)間大大縮短，無法與自點(diǎn)火時(shí)間平衡.且方程(1)的抬升高度模型是基于層流火焰自點(diǎn)火提出的，與本實(shí)驗(yàn)中湍流自點(diǎn)火射流火焰性質(zhì)差異較大.因此，基于自點(diǎn)火延遲時(shí)間與流動時(shí)間平衡的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型無法對非預(yù)混射流火焰的抬升高度做出準(zhǔn)確預(yù)測.

圖6 基于自點(diǎn)火化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型的抬升高度Fig.6 Lift-off height based on the autoignition-controlled model

由于燃料射流與空氣協(xié)流之間存在湍流混合作用，較高的燃料射流速度使得燃料與空氣間速度差變大，二者之間的剪切混合作用變大，故本文考慮采用預(yù)混火焰模型進(jìn)行擬合.預(yù)混火焰模型認(rèn)為當(dāng)燃料射流與空氣協(xié)流混合較好時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c反應(yīng)物的流動速度之間的平衡對火焰的穩(wěn)定起到關(guān)鍵作用，決定了火焰根部的位置，即火焰抬升的高度.該模型表達(dá)式如方程(2)所示[11]，式中ρjet/ρcoflow為在初始溫度(570 ℃)下燃料射流與空氣協(xié)流的密度比，vjet為初始溫度下燃料射流運(yùn)動學(xué)黏度，SL，st表示化學(xué)當(dāng)量下的層流火焰速度，由CHEMKIN-PRO 軟件中一維層流預(yù)混火焰模型計(jì)算得到.

基于預(yù)混火焰模型擬合得到的抬升高度如圖7所示.結(jié)合擬合直線可以看出，當(dāng)燃料射流速度較低時(shí)，數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合比較分散，但隨著燃料射流速度的增加，經(jīng)過抬升高度突增區(qū)后，數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合情況變好.這說明預(yù)混火焰模型更適用于高速燃料射流工況.這是因?yàn)槿剂仙淞魉俣容^高時(shí)，燃料射流與空氣協(xié)流之間的速度差增大，二者的剪切效應(yīng)增強(qiáng)，促進(jìn)了燃料與空氣的混合，從而使得射流火焰表現(xiàn)出預(yù)混火焰的特性.此外，富氧條件下火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兇螅沟没鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣扰c同樣較大的局部流動速度形成平衡，從而實(shí)現(xiàn)射流火焰抬升高度的準(zhǔn)確預(yù)測.

圖7 基于預(yù)混火焰模型的抬升高度Fig.7 Lift-off height based on the premixed flame model

圖6 和圖7 表明，在高速射流時(shí)，燃料和空氣湍流混合較好，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c局部流動速度的平衡決定了射流火焰的抬升高度和穩(wěn)定；但在低速射流時(shí)，無論是自點(diǎn)火動力學(xué)模型還是預(yù)混火焰模型擬合效果都比較差.這說明在低速時(shí)，湍流混合作用較差，火焰的抬升高度不是由單一的自點(diǎn)火化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)或火焰?zhèn)鞑ブ鲗?dǎo)，要想較好地預(yù)測火焰抬升高度，需要將湍流混合與化學(xué)反應(yīng)耦合的作用考慮進(jìn)來.

對于湍流混合-化學(xué)反應(yīng)耦合穩(wěn)定機(jī)理，其代表模型是Li 等基于湍流大尺度混合模型[25]提出的自點(diǎn)火-湍流大尺度混合模型[21].湍流大尺度混合模型常用于預(yù)測常規(guī)射流火焰的抬升高度，Li 等通過修正使其適用于預(yù)測自點(diǎn)火射流火焰的抬升高度.湍流大尺度混合模型的表達(dá)式如方程(3)所示[25]，Li 等將化學(xué)反應(yīng)時(shí)間 τchem替換為絕熱自點(diǎn)火延遲時(shí)間τign,ad，修正后的自點(diǎn)火-湍流大尺度混合模型的表達(dá)式如方程(4)所示[21].由方程(4)可知，該模型下火焰抬升高度與混合時(shí)間的倒數(shù)及絕熱自點(diǎn)火延遲時(shí)間成正相關(guān)，即火焰抬升高度同時(shí)受自點(diǎn)火化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)和湍流混合兩者的作用.

式中：dj為燃料噴口直徑；αst為化學(xué)當(dāng)量下燃料/空氣混合物的熱擴(kuò)散系數(shù)；Yf,o是摻混燃料射流混合物中的燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Yf,st是摻混燃料射流混合物在化學(xué)當(dāng)量下的燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù).其中，τchem用αst/(SL2,st)衡量，τmix用dj/Ujet衡量.

基于自點(diǎn)火-湍流大尺度混合模型的抬升高度情況如圖8 所示.該模型燃料射流速度較低時(shí)，數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合情況很好；但隨著燃料射流速度的增加，抬升高度突增區(qū)域之后數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布非常分散，擬合效果較差.這說明自點(diǎn)火-湍流大尺度混合模型適用于較低Ujet區(qū)域，此時(shí)湍流混合時(shí)間與自點(diǎn)火時(shí)間相近，湍流混合和化學(xué)反應(yīng)耦合強(qiáng)度較高.而在較高Ujet區(qū)域，湍流混合時(shí)間很短，湍流混合和化學(xué)反應(yīng)耦合強(qiáng)度較低，此時(shí)該模型的準(zhǔn)確性較差.因此，當(dāng)燃料射流速度較低時(shí)，湍流混合和自點(diǎn)火化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)共同決定射流火焰的抬升高度.

圖8 基于自點(diǎn)火-湍流大尺度混合模型的抬升高度Fig.8 Lift-off height based on the modified large-scale mixing model of autoignition

上述分析表明，對于富氧條件下自點(diǎn)火形成的非預(yù)混射流火焰，自點(diǎn)火-湍流大尺度混合模型在燃料射流速度較低時(shí)能夠較好地預(yù)測其抬升高度，而預(yù)混火焰模型在燃料射流速度較高時(shí)能夠較好地預(yù)測其抬升高度.這說明，當(dāng)燃料射流速度較低時(shí)，湍流混合與自點(diǎn)火化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)共同決定火焰穩(wěn)定位置；當(dāng)燃料射流速度較高時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c局部流動速度的平衡是火焰穩(wěn)定的決定因素.

3 結(jié)論

本文研究了燃料射流在高溫富氧空氣協(xié)流中發(fā)生自點(diǎn)火后形成的射流火焰的火焰特性、抬升高度和穩(wěn)定機(jī)理.

(1) 相比于常規(guī)空氣，在相同燃料摩爾分?jǐn)?shù)、相同射流速度下，富氧空氣中更容易形成自點(diǎn)火附著火焰，因此需要更高的射流速度才能形成抬升火焰，并且抬升高度更低，吹熄極限速度更大，火焰穩(wěn)定性更好.這是因?yàn)楦谎鯒l件下氧含量的提高增大了燃燒速度.

(2) 隨著燃料射流速度增加，火焰類型由“間歇點(diǎn)火＋抬升”轉(zhuǎn)變?yōu)椤疤睍r(shí)，富氧條件下自點(diǎn)火抬升高度會發(fā)生明顯突增，突增變化量遠(yuǎn)大于常規(guī)空氣條件.這是因?yàn)楦谎蹩諝馐埂伴g歇點(diǎn)火＋抬升”向“抬升”的轉(zhuǎn)變過程發(fā)生延遲，而燃料射流速度的進(jìn)一步增加使火焰類型發(fā)生轉(zhuǎn)變，射流的流動距離增大，導(dǎo)致火焰抬升高度突增.

(3) 通過將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與預(yù)混火焰模型、自點(diǎn)火化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型、湍流大尺度混合模型以及自點(diǎn)火-湍流大尺度混合模型進(jìn)行擬合，結(jié)果表明，當(dāng)燃料射流速度較低時(shí)，湍流混合與自點(diǎn)火化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)共同決定火焰穩(wěn)定位置；當(dāng)燃料射流速度較高時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c局部流動速度的平衡是火焰穩(wěn)定的決定因素.