安振華,張 猛,毛潤(rùn)澤,衛(wèi)旭濤,王金華,黃佐華
(西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710049)
燃?xì)廨啓C(jī)作為先進(jìn)的熱工轉(zhuǎn)換裝置,已經(jīng)在世界范圍的能源動(dòng)力和電力系統(tǒng)中發(fā)揮了不可或缺的重要作用.2019 年燃?xì)廨啓C(jī)工業(yè)界計(jì)劃在2030 年達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)100%氫氣燃燒[1].而目前作為過(guò)渡階段,為實(shí)現(xiàn)從碳基燃料逐步過(guò)渡到純氫燃料,天然氣、生物合成氣的摻氫燃燒得到了較為廣泛的研究.
將稀燃預(yù)混燃燒(LPC)技術(shù)應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī),可以獲得更低的燃燒溫度從而降低NOx的排放[2],但是同時(shí)會(huì)增加燃燒的不穩(wěn)定性,如燃燒振蕩、火焰吹熄等.這些問(wèn)題都制約了稀燃預(yù)混燃燒在燃?xì)廨啓C(jī)中的應(yīng)用.為了更加有效地穩(wěn)定火焰,燃燒室中一般的穩(wěn)焰裝置有鈍體穩(wěn)焰器[3]、旋流穩(wěn)焰器[4]以及穩(wěn)焰伴流等[5].同時(shí),燃料摻混一定比例的氫氣也將會(huì)增加火焰的穩(wěn)定性,尤其是在稀薄燃燒的條件下.因此天然氣、生物合成氣的摻氫燃燒不僅能夠降低碳基燃料的使用比例,而且有助于火焰穩(wěn)定.
眾多學(xué)者對(duì)甲烷預(yù)混鈍體火焰進(jìn)行了廣泛的研究.Dawson 等[6]使用高頻PLIF 研究了甲烷鈍體火焰的吹熄過(guò)程,指出了臨近吹熄時(shí)出現(xiàn)“M”型火焰以及吹熄過(guò)程中回流區(qū)的變化情況.Michaels 等[7]對(duì)不同摻氫比例以及不同初始條件的層流鈍體火焰進(jìn)行了二維數(shù)值模擬,研究了最高摻氫比例40%的甲烷鈍體火焰,使用熄滅拉伸率表征的化學(xué)時(shí)間尺度統(tǒng)一了火焰結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定范圍.文獻(xiàn)[8-9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)以及大渦模擬(LES)的手段對(duì)丙烷鈍體火焰結(jié)構(gòu)和臨近吹熄的現(xiàn)象進(jìn)行了研究分析,發(fā)展了新的數(shù)值模擬方法,指出了實(shí)驗(yàn)中所得二維火焰結(jié)構(gòu)的不足,同時(shí)也研究了臨近吹熄時(shí)渦量場(chǎng)的變化情況.但是目前鈍體摻氫火焰的實(shí)驗(yàn)所研究工況大多氫比例較低,數(shù)值模擬研究也集中在二維數(shù)值模擬,部分鈍體火焰吹熄的三維數(shù)值模擬僅結(jié)合了單步機(jī)理或簡(jiǎn)化機(jī)理.為了應(yīng)對(duì)未來(lái)燃?xì)廨啓C(jī)高摻氫比的應(yīng)用,有必要開(kāi)展高比例摻氫火焰的吹熄機(jī)理詳細(xì)的三維數(shù)值模擬研究.
基于以上研究中的不足以及問(wèn)題,本文對(duì)實(shí)驗(yàn)室尺度的鈍體穩(wěn)焰燃燒器進(jìn)行了大渦模擬研究.首先利用OH-PLIF、PIV 測(cè)量鈍體火焰的宏觀結(jié)構(gòu)、流場(chǎng)信息結(jié)果驗(yàn)證了模擬的可靠性,然后使用大渦模擬捕捉火焰吹熄過(guò)程中的瞬時(shí)信息,分析鈍體火焰的吹熄過(guò)程,以及高摻氫比對(duì)吹熄過(guò)程的影響.
圖1 是鈍體穩(wěn)焰燃燒器的幾何結(jié)構(gòu),甲烷和氫氣在上游預(yù)混段進(jìn)行充分混合,火焰靠燃燒器直徑35 mm 的出口中心處的鈍體來(lái)穩(wěn)定,鈍體上端直徑25 mm,下端直徑13 mm,剖面為45°角結(jié)構(gòu),整個(gè)鈍體靠固定支架支撐,阻塞比約為0.51.整個(gè)燃燒腔為長(zhǎng)、寬各70 mm 的長(zhǎng)方體構(gòu)成,高180 mm.所研究的模型燃燒室為單頭部燃燒室,是從實(shí)際環(huán)形燃燒室中提取、簡(jiǎn)化后的模型,其尺寸與實(shí)際燃燒室單頭部尺寸屬同一量級(jí).燃燒腔壁面為石英玻璃,可作為激光診斷設(shè)備的光路.燃燒器開(kāi)口與大氣相通,所有實(shí)驗(yàn)?zāi)M都在25 ℃室溫和101 kPa 大氣壓下完成.
圖1 鈍體穩(wěn)焰燃燒器結(jié)構(gòu)(單位:mm)Fig.1 Structure of bluff body flame burner(unit:mm)
為進(jìn)一步深入研究高摻氫比火焰的穩(wěn)定性,本文采用實(shí)驗(yàn)結(jié)合模擬的方式研究了兩個(gè)不同的工況:30%氫氣與70%甲烷混合氣和90%氫氣與10%甲烷混合氣,這兩個(gè)工況分別稱作工況1、工況2.其中摻氫比是指氫氣在燃料中的體積分?jǐn)?shù),即:
其中X 表征燃料摩爾分?jǐn)?shù),燃燒器鈍體出口處的平均流速為特征流速,特征流速為定值10 m/s,兩個(gè)工況當(dāng)量比都為0.75.
本研究使用了LaVision 的OH-PLIF 系統(tǒng),使用該激光診斷的方法測(cè)量瞬時(shí)火焰結(jié)構(gòu),所得的OH 場(chǎng)信號(hào)可用于分析火焰結(jié)構(gòu)以及模擬結(jié)果的驗(yàn)證.同樣使用LaVision 的PIV 系統(tǒng)測(cè)量平面速度場(chǎng)信息.直徑0.5 μm 的TiO2粒子通過(guò)空氣帶入混合氣中,拍攝頻率為 10 Hz.拍攝區(qū)域?yàn)?116 mm×87 mm,可以測(cè)量感興趣的區(qū)域.實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖2 所示(紅框?yàn)镺H-PLIF 系統(tǒng),藍(lán)框?yàn)镻IV 系統(tǒng)).實(shí)驗(yàn)圖片數(shù)據(jù)通過(guò)Davis 7.2 軟件處理.
圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意Fig.2 Schematic of experimental equipment
大渦模擬(LES)的基本思想是直接求解濾波尺度以上的湍流運(yùn)動(dòng),使用亞格子模型?;〕叨鹊臏u,LES 方法可以用相對(duì)較小的計(jì)算量獲得較為詳細(xì)的模擬結(jié)果.隨著計(jì)算機(jī)硬件水平的提高,LES 研究的應(yīng)用程度越來(lái)越高,同時(shí)LES 已經(jīng)成為探究湍流與化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)耦合燃燒現(xiàn)象的重要研究方法.LES耦合有限化學(xué)反應(yīng)速率能夠很好地求解復(fù)雜的湍流火焰相互作用,LES 三維濾波非穩(wěn)態(tài)的控制方程可以在很多文獻(xiàn)[10]中查閱,這里只介紹燃燒模型.
LES 的網(wǎng)格尺度不足以解析火焰面,火焰面增厚方法可以克服這個(gè)問(wèn)題[11],該方法的核心思想是當(dāng)火焰面被人為增厚后,火焰的層流火焰速度保持不變,當(dāng)增厚因子足夠大時(shí),火焰面可通過(guò)式(2)求解:
詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理可以獲得詳細(xì)中間組分場(chǎng)信息,能夠得到更為準(zhǔn)確的模擬結(jié)果,但是對(duì)于有限化學(xué)反應(yīng)速率方法求解的問(wèn)題,意味著要求解機(jī)理中所有組分的輸運(yùn)方程,計(jì)算量將十分龐大.降低計(jì)算量的方法有兩種.其一,減少網(wǎng)格數(shù)量.本文的研究目的是模擬火焰脫火過(guò)程,對(duì)放熱率以及火焰結(jié)構(gòu)的獲取有更高的要求,要保證網(wǎng)格的尺寸在0.5 mm 左右,所以本文使用第二種方法,即使用組分較少機(jī)理.本文使用Karalus 從GRI3.0 簡(jiǎn)化的30 組分177步反應(yīng)的骨架機(jī)理(以下稱Karalus-30)[15].為了驗(yàn)證機(jī)理的準(zhǔn)確性,對(duì)比了Karalus-30 和GRI3.0 在不同摻氫比工況的絕熱火焰溫度和層流火焰速度,結(jié)果如圖3 所示,Karalus-30 能夠得到很好的預(yù)測(cè)結(jié)果.
圖3 Karalus-30 和GRI3.0 計(jì)算絕熱火焰溫度、層流火焰速度對(duì)比Fig.3 Comparison of adiabatic flame temperature and laminar flame velocity calculated by Karalus-30 and GRI3.0
實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究了工況1(30%H2+70%CH4)和工況2(90%H2+10%CH4)兩個(gè)工況,當(dāng)量比0.75,來(lái)流特征流速10 m/s.計(jì)算區(qū)域設(shè)置參照實(shí)驗(yàn),鈍體直徑25 mm,鈍體處出口為外徑35 mm.入口采用濾波噪聲湍流發(fā)生器產(chǎn)生湍流速度場(chǎng)[16],作各向同性假設(shè),并測(cè)得管內(nèi)積分尺度為 10 mm,湍流強(qiáng)度為1.22 m/s,該積分尺度和湍流強(qiáng)度作為湍流發(fā)生器的輸入?yún)?shù),同時(shí)在鈍體出口上游預(yù)留了37 mm 的發(fā)展段,使入口流場(chǎng)適應(yīng)鈍體外形從而更貼合實(shí)際.對(duì)于管壁和石英玻璃壁面,速度均使用無(wú)滑移邊界條件,出口速度采用無(wú)反射邊界條件以減小出口壓力波動(dòng)對(duì)燃燒的影響.鈍體上壁面溫度根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測(cè)溫度,指定為450 K 等溫條件,石英玻璃壁面根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測(cè)指定了760 K 等溫壁面,其余壁面均采用絕熱條件.
使用非均勻結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,燃燒區(qū)域的網(wǎng)格尺寸控制在0.5 mm,燃燒器出口處最大網(wǎng)格尺寸2 mm.總網(wǎng)格數(shù)320 萬(wàn),網(wǎng)格如圖4 所示.使用GAMG 求解壓力場(chǎng),速度和標(biāo)量場(chǎng)使用PBiCG 求解,PISO 算法求解速度與壓力的解耦,梯度項(xiàng)和拉普拉斯項(xiàng)采用二階精度的TVD格式離散,瞬態(tài)項(xiàng)使用隱式Euler 格式離散,時(shí)間步長(zhǎng)為1×10-6s,保證計(jì)算過(guò)程中的庫(kù)朗數(shù)低于0.2,每個(gè)算例花費(fèi)大約40 000 核時(shí).
圖4 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格Fig.4 Computing area and meshing
層流火焰和增厚火焰模型參數(shù)如表1 所示;其中Sl為層流火焰速度;Tad為絕熱燃燒溫度.
表1 層流火焰和增厚火焰模型參數(shù)Tab.1 Parameters of laminar flame and thickened flame model
非反應(yīng)條件下,模擬(實(shí)線)和實(shí)驗(yàn)(點(diǎn))的軸向、方位角平均速度場(chǎng)對(duì)比如圖5(a)所示,可以看出在冷態(tài)條件下,模擬能夠很好地捕捉回流區(qū)的大小和高度,總體的吻合程度較高,模擬結(jié)果在火焰根部?jī)?nèi)回流區(qū)處與實(shí)驗(yàn)有較小偏差.
圖5(b)、(c)對(duì)比了30%H2和90%H2兩工況火焰在不同高度實(shí)驗(yàn)和模擬的平均軸向速度與平均方位角速度值,總體上兩工況熱態(tài)流場(chǎng)吻合程度較高,在較低位置處,模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)有一定差別.較低位置處內(nèi)外剪切層的速度差異是由于使用定值褶皺系數(shù)引起對(duì)火焰面信息捕捉不足造成的,可以采用動(dòng)態(tài)褶皺因子的方式改進(jìn).
圖5 實(shí)驗(yàn)、模擬流場(chǎng)對(duì)比Fig.5 Comparison between experimental and simulation results
實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果的火焰結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖6 所示,模擬使用OH 組分平均濃度表示火焰平均結(jié)構(gòu).模擬能較好地捕捉火焰OH 熒光信號(hào)分布,說(shuō)明模擬可以預(yù)測(cè)火焰結(jié)構(gòu).分別對(duì)比30%H2和90%H2兩工況的OH 信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度,選擇對(duì)比的區(qū)域?yàn)殁g體出口以上.在30%H2工況中,模擬結(jié)果很好地預(yù)測(cè)了火焰根角和OH 相對(duì)強(qiáng)度.在90%H2工況中,由于氫氣比例高達(dá)90%,所以火焰高度相對(duì)較低,模擬很好地預(yù)測(cè)了火焰高度、根角等信息.總體而言,模擬結(jié)果很好地捕捉了兩種火焰的平均結(jié)構(gòu).
圖6 實(shí)驗(yàn)、模擬火焰結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.6 Comparison of flame structure between experimental and simulation results
當(dāng)氫含量為30%時(shí),火焰高度為33 mm,氫含量為90%時(shí),火焰高度降低到15 mm,這主要是由于更高的氫含量使得火焰速度增快,來(lái)流速度與火焰?zhèn)鞑ニ俣绕胶馕恢孟陆邓?,因此更高氫含量可以明顯降低火焰高度,增大火焰張角.
對(duì)于30%H2和90%H2兩個(gè)工況,計(jì)算36 ms 至火焰穩(wěn)定,計(jì)算穩(wěn)定之后,將當(dāng)量比從0.75 降低至0.2,當(dāng)量比改變時(shí)刻規(guī)定為0 ms.稀薄混合氣在3.7 s 之后到達(dá)鈍體出口,從開(kāi)始吹熄計(jì)時(shí)起對(duì)整個(gè)燃燒區(qū)域的放熱率進(jìn)行體積積分,以穩(wěn)定燃燒時(shí)最大的放熱功率對(duì)吹熄過(guò)程的放熱功率進(jìn)行歸一,得到歸一的放熱功率隨時(shí)間的變化規(guī)律,如圖7.認(rèn)為當(dāng)熱釋放占比小于穩(wěn)定熱釋放40%時(shí)為吹熄,30%H2在接近11 ms 后吹熄,90%H2在接近8 ms 后吹熄.
圖7 放熱功率隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.7 Variation of exothermic power against time
鈍體火焰吹熄分為兩個(gè)階段,第1 階段稀薄混合氣還未對(duì)燃燒過(guò)程產(chǎn)生顯著影響,放熱量降低緩慢,火焰相對(duì)穩(wěn)定;第2 階段放熱量以相對(duì)較快的速率下降,放熱量下降速率的變化可以作為火焰吹熄的先兆信號(hào).即接近6 ms 之后30%H2進(jìn)入第2 階段,即將吹熄;接近4 ms 之后90%H2進(jìn)入第2 階段火焰即將吹熄.對(duì)比低氫含量火焰和高氫含量火焰,30%H2吹熄過(guò)程總體較為平穩(wěn),放熱量緩慢下降,在吹熄過(guò)程開(kāi)始6 ms 之后,放熱量下降速率加快;摻氫90%之后,整個(gè)吹熄過(guò)程更為迅速,在吹熄過(guò)程開(kāi)始4 ms 之后,放熱量開(kāi)始迅速下降.由于當(dāng)量比降低至可燃極限以下,鈍體火焰放熱率的降低是造成吹熄的直接原因,高氫含量的鈍體火焰放熱率的下降比低氫含量火焰更為迅速,這與高比例摻氫之后火焰結(jié)構(gòu)的改變有很大的關(guān)系,根據(jù)上文對(duì)火焰結(jié)構(gòu)的分析,高氫含量的火焰高度非常低,火焰面面積小,在稀薄混合氣到達(dá)火焰面之后,由于放熱區(qū)域很小,整個(gè)燃燒區(qū)域放熱功率會(huì)驟減,而30%H2火焰的火焰高度高,火焰面面積大,稀薄混合氣對(duì)整個(gè)火焰面的影響并不直接,所以放熱量的降低有一個(gè)較為緩慢的過(guò)程,整個(gè)吹熄過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng).
為了探究不同氫氣含量回流區(qū)中未燃?xì)怏w的影響,對(duì)鈍體火焰和一維火焰進(jìn)行了對(duì)比.圖8 為甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨溫度的變化.黑實(shí)線為CHEMKIN 計(jì)算當(dāng)量比0.75 的對(duì)應(yīng)氫氣含量工況的一維火焰中甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,散點(diǎn)為兩工況鈍體火焰根部區(qū)域甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度的對(duì)應(yīng)分布,選取的區(qū)域?yàn)閨r/d|≤1,x/d≤2.5.0 ms 對(duì)應(yīng)了30%H2和90%H2的穩(wěn)定工況,其余為吹熄過(guò)程中甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與溫度的對(duì)應(yīng)分布.對(duì)于穩(wěn)定工況,甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與一維計(jì)算結(jié)果非常接近,表征著火焰穩(wěn)定在鈍體上,回流區(qū)中包含較少的未燃混合物.相反,在吹熄過(guò)程中,甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)不再分布在接近無(wú)拉伸結(jié)果附近,回流區(qū)中出現(xiàn)更多的未燃甲烷,這些未燃混合物在回流區(qū)中,將降低回流區(qū)的溫度,進(jìn)一步導(dǎo)致了熄火.
圖8 吹熄中CH4 質(zhì)量分?jǐn)?shù)散點(diǎn)圖隨溫度變化Fig.8 Variation of CH4 mass fraction scatter plot against temperature during blow-off
可以看出,兩工況算例進(jìn)入吹熄第2 階段之后,散點(diǎn)分布開(kāi)始遠(yuǎn)離一維計(jì)算結(jié)果,這表示有更多的未燃甲烷進(jìn)入回流區(qū).當(dāng)30%H2進(jìn)入吹熄第2 階段之后(6 ms),散點(diǎn)分布相比于90%H2進(jìn)入吹熄第2 階段有更大的概率遠(yuǎn)離一維計(jì)算結(jié)果,相對(duì)而言30%H2工況未燃混合氣有更大的概率進(jìn)入回流區(qū).當(dāng)兩工況接近吹熄時(shí),散點(diǎn)分布已經(jīng)完全遠(yuǎn)離黑線,這一方面是由于未燃混合氣進(jìn)入回流區(qū)冷卻的影響,另一方面是因?yàn)楸疚牟捎媒档彤?dāng)量比的方式控制吹熄,使得在接近吹熄時(shí),火焰根部區(qū)域的甲烷更接近于吹熄設(shè)定的當(dāng)量比0.2.
為了進(jìn)一步分析高氫含量對(duì)吹熄過(guò)程的影響,對(duì)比了30%氫含量和90%氫含量?jī)蓚€(gè)工況的吹熄過(guò)程.吹熄過(guò)程結(jié)果如圖9 所示.計(jì)算至穩(wěn)定后,將當(dāng)量比從0.75 變化至0.2,從變化當(dāng)量比之后開(kāi)始計(jì)時(shí),即0 ms,稀薄混合氣在3~4 ms 之后到達(dá)鈍體出口.30%H2火焰在6 ms 時(shí),由于來(lái)流混合氣的影響,火焰根部出現(xiàn)變化,放熱率迅速降低,進(jìn)入吹熄第2階段.我們認(rèn)為放熱率小于穩(wěn)定燃燒最大放熱率40%時(shí)為熄火.30%H2火焰到12 ms 完全吹熄.以同樣的方式計(jì)算90%氫含量火焰的吹熄過(guò)程,在4 ms以后,火焰放熱率迅速下降,進(jìn)入吹熄第2 階段,在10 ms 完全吹熄.
30%H2鈍體火焰高度較高,吹熄過(guò)程中,新鮮混合氣回流使得回流區(qū)區(qū)域減小,火焰根部放熱率降低,隨后整個(gè)火焰面放熱率降低,出現(xiàn)局部熄火現(xiàn)象.所以30%H2鈍體火焰熄火的原因之一在于新鮮混合氣對(duì)回流區(qū)的降溫,使得回流區(qū)無(wú)法繼續(xù)起到穩(wěn)焰的作用,回流區(qū)區(qū)域反應(yīng)強(qiáng)度相應(yīng)降低,使得火焰根部放熱率急劇降低,在9 ms 時(shí)火焰根部出現(xiàn)局部熄火,直至完全吹熄.90%H2鈍體火焰的火焰高度低,整體放熱率比純甲烷高3 倍多,并且熱釋放區(qū)域集中,在來(lái)流稀薄混合氣到達(dá)火焰根部之后,整個(gè)火焰面放熱率降低迅速,但是火焰結(jié)構(gòu)并未出現(xiàn)非常大的變化.本文采用的增厚火焰燃燒模型由于對(duì)火焰面進(jìn)行了增厚(90%H2火焰面增厚系數(shù)為9),所以并沒(méi)有成功捕捉90%H2火焰面的褶皺信息,但是依舊很好地還原了火焰高度張角等宏觀信息.在8 ms時(shí),火焰高度升高為穩(wěn)定火焰的兩倍,放熱率繼續(xù)降低,直至火焰完全熄滅.
為進(jìn)一步研究放熱率的降低和拉伸作用對(duì)吹熄的協(xié)同影響,對(duì)拉伸率和放熱率進(jìn)行聯(lián)合概率密度分析.氫含量30%時(shí),熄滅拉伸率為2 243,氫含量90%時(shí),熄滅拉伸率為19 197.在本模擬中進(jìn)展變量為0.75 處可以很好地表征火焰面的位置,提取進(jìn)展變量為0.75 等值面上的放熱率和拉伸率,做概率密度分布,如圖9(上半部分為熱釋放率,下半部分為拉伸率和放熱率聯(lián)合概率密度).30%H2鈍體火焰熄滅拉伸率相對(duì)較低,可以看出,隨著時(shí)間推移,散點(diǎn)分布有一定概率在大于熄滅拉伸率區(qū)域,所以30%H2工況吹熄有一部分原因在于火焰抗拉伸能力較弱,火焰面上的拉伸率大于極限拉伸,而高氫含量鈍體火焰熄滅拉伸遠(yuǎn)大于火焰面處的拉伸率,所以高氫含量的火焰有很強(qiáng)的抗拉伸的能力.對(duì)于兩工況,放熱率都是明顯降低的,尤其是分別進(jìn)入吹熄過(guò)程的第2 階段之后.所以30%H2火焰吹熄是由于熱釋放率降低和拉伸作用的共同影響,而90%H2吹熄主要是由于放熱率降低引起,拉伸作用的影響不顯著.
圖9 吹熄過(guò)程Fig.9 Blow-off process
本文基于OpenFOAM 使用增厚火焰模型計(jì)算了30%和90%摻氫甲烷鈍體火焰的吹熄過(guò)程,分析了宏觀火焰結(jié)構(gòu)以及放熱率和火焰拉伸的影響,結(jié)果表明高摻氫比能夠顯著改變火焰結(jié)構(gòu),降低火焰高度,同時(shí)回流區(qū)的長(zhǎng)度也會(huì)相應(yīng)降低,火焰張角由于摻氫之后增加了火焰?zhèn)鞑ニ俣榷龃?火焰宏觀的結(jié)構(gòu)變化對(duì)應(yīng)著熱釋放率的變化,模擬研究發(fā)現(xiàn),無(wú)論是含氫量30%的火焰還是含氫90%的火焰,放熱率降低都是引起火焰吹熄的原因,由于30%H2火焰高度較高,熱釋放區(qū)域較大,在吹熄過(guò)程中,放熱率變化較為平緩,而90%H2火焰高度低,熱釋放區(qū)域小,在吹熄過(guò)程中放熱率下降迅速,整個(gè)吹熄過(guò)程用時(shí)更短.
放熱率降低速率的變化是火焰吹熄的先兆.此外,未燃混合物進(jìn)入回流區(qū)對(duì)火焰的冷卻作用在火焰吹熄中也起到了一定的影響.考慮熱釋放率降低和拉伸的協(xié)同影響,可以看出,30%H2火焰的吹熄是由于熱釋放率降低和強(qiáng)拉伸共同引起,而90%H2火焰抗拉伸能力強(qiáng),吹熄主要是由于熱釋放率迅速降低引起.