本站小編為你精心準備了多孔介質表面火焰邊界的實驗研究參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《推進技術雜志》2015年第十二期

摘要：

為了更好地在小尺度燃燒室中組織燃燒，對小尺度環形通道內多孔介質表面甲烷與空氣預混火焰開展了流量和雷諾數邊界特性實驗研究。多孔介質采用了燒結金屬粉末材料，燃燒在石英玻璃管和不銹鋼管以及多孔介質組成的小尺度環形通道中進行。研究結果表明：隨著預混氣流量的增加，環形通道內的火焰形態由多孔介質表面火焰向推舉火焰衍變，與推舉火焰相比，多孔介質表面火焰更適合于在微小型燃燒室內組織燃燒。穩態預混氣溫度隨流量的增加先上升后下降，其流量范圍與兩個火焰形態的基本重合，可以將溫度的轉折點作為表面火焰邊界的定量判據。對于多孔介質表面火焰流量邊界而言，當量比小于1.0時，甲烷預混氣的表面火焰流量邊界隨著當量比的增大逐漸變寬；當量比大于1.0時，隨著當量比的增大，多孔介質表面火焰流量邊界變窄。對于多孔介質表面火焰雷諾數邊界而言，隨著當量比的增大，雷諾數邊界逐漸變寬。

關鍵詞：

小尺度燃燒；多孔介質；表面火焰；預混燃燒；環形通道；實驗研究

1引言

近年來，隨著便攜式裝置和微小型飛行器的快速發展，對微小型能源系統和動力系統的需求日益增加。太陽能電源易受天氣條件影響，一次性化學電池能量密度低，與二者相比，基于微小尺度燃料燃燒的裝置具有更高的功率密度，因此引起了國際上的廣泛研究興趣［1，2］。但是，微小尺度燃燒面臨著流動雷諾數低、駐留時間短、熱損失大等一系列問題，這成為限制基于微小尺度燃燒室的能源系統和推進系統技術發展的瓶頸［2～5］。與常規尺寸燃燒室相比，微小尺度燃燒室由于高表面體積比造成熱量損失大，而熱量損失的增加必然影響火焰的著火極限和熄火極限，將會導致火焰的穩定性差，這是微小尺度燃燒室開發中所遇到的一個關鍵問題。良好的熱管理技術成為保證微小尺度燃燒的熱效率和燃燒穩定性的有力措施之一［3］。大量學者利用回熱原理設計了Swiss-roll燃燒器，減少熱損失，同時使油氣混合物得到充分預熱，實現所謂的超焓燃燒，提高微尺度下的可燃邊界和燃燒效率［4，6］。催化燃燒技術可以實現低溫下小尺度空間內的穩定自維持燃燒，從而在一定程度上降低了熱損失［7］。多孔介質（porousmedia）可利用燃燒釋熱對反應物進行預熱，增強油氣混合，具有高反應速率、寬熄火極限和低污染排放的優勢，在微小尺度燃燒方面具有良好的應用潛力［8］。試驗表明采用多孔介質的新型燃燒室能有效降低熱損失，燃燒穩定性明顯改善［9，10］。本文提出的微小尺度燃燒概念采用多孔介質表面火焰方式，重點考慮了散熱損失的影響，開展了環形通道內甲烷與空氣預混氣的表面火焰邊界的試驗研究。

對于多孔介質燃燒的基礎研究包含兩部分：多孔介質內的燃燒研究和多孔介質表面火焰研究。數值計算方面，Mcintosh等［11］通過簡化的模型分析了不同負載下表面火焰的燃燒速度，而Diamantis等［12］對多孔介質內燃燒和表面燃燒進行了數值研究，比較了2種方式下輻射效率和污染物排放量。趙平輝等采用一維反應模型和GRI3.0化學反應機理模擬了多孔介質內的預混燃燒過程，發現表面火焰傳播機理與反應區有熱損失的層流預混自由火焰傳播機理相似［13］。實驗方面，中科院廣州能源研究所以甲烷/空氣為預混氣，對暴露在大氣中的不銹鋼多孔介質表面火焰的形成特性進行實驗研究，重點考察多孔介質表面平面火焰特性及形成條件、平面火焰溫度分布特性以及多孔介質和預混氣換熱特性［14］。除此之外，他們采用多孔銅燒結材料為進氣壁面，研究了進氣方式、空氣流量分配對燃燒器內火焰形成的影響，火焰在燃燒室壁面附近形成，討論了燃燒器的熱損失情況和壁面溫度分布［9］。美國加利福尼亞州大學和亞拉巴馬大學以碳化硅（SiC）涂層碳泡沫惰性多孔介質材料作為超微燃燒室的噴嘴，采用了甲烷/空氣預混氣進行燃燒試驗。通過試驗測量生成煙氣的溫度分布以及一氧化碳（CO）和氮氧化物（NOx）排放量為系統的性能進行了評價［15］。本課題組前期研究了不同多孔介質結構參數（孔徑和孔隙率）、不同預混氣初始溫度以及有無限制域對表面火焰熄火特性的影響［16～18］，研究結果表明：孔徑減小或孔隙率減小都會使相同當量比下熄火速度增加，熄火速度隨預混氣溫度的升高明顯增加，安裝限制域后更容易熄火。從公開文獻來看，針對在小尺度環形通道內的多孔介質表面火焰邊界特性的研究很少。而與脫離多孔介質表面的推舉火焰相比，表面火焰高度低，火焰面厚度薄，燃燒所需空間更小，更適合于在小尺度燃燒室內組織燃燒［10，14］。而采用環形通道更接近實際應用的小尺度環形燃燒室的結構和尺寸。因此，針對小尺度環形通道內多孔介質表面火焰邊界特性的試驗研究是十分必要的，可以為優化小尺度燃燒室設計提供重要的參考價值。

2實驗系統介紹

本試驗采用的環形多孔介質稱為燒結金屬粉末多孔介質，它是采用不銹鋼粉末為原料，通過成型和高溫燒結而成、具有剛性結構的多孔介質。其特點是內部含有大量連通或半連通的孔隙，孔隙結構由規則和不規則的粉末顆粒堆垛而成，孔隙的大小和分布以及孔隙率大小取決于粉末粒度組成和加工工藝［19］。本試驗采用的燒結金屬粉末多孔介質，其孔徑為50μm，孔隙率為50%，外徑15mm，內徑6mm，厚度5mm，如圖1所示。整個試驗系統主要由空氣路、甲烷路、預混段、環形通道試驗段以及測量系統組成，如圖2所示。空氣路主要由高壓氣源、截止閥、減壓閥、空氣過濾器和CS200A質量流量控制器組成，空氣過濾器主要過濾高壓氣源過來的空氣中所包含的水汽、灰塵等雜質，防止其損害后面的質量流量控制器及減壓閥。甲烷路主要由甲烷氣瓶、截止閥、減壓閥和CS200A質量流量控制器組成。其中，CS200A質量流量控制器的精度為±0.35%，甲烷路和空氣路的質量流量控制器量程分別為3.6L/min與28L/min。預混段和環形通道試驗段如圖3所示，預混段包括突擴段、直流整流段和收縮勻流段，分別在預混氣入口處、整流板和多孔介質阻尼之后。突擴段在一定程度上會造成旋渦的形成，促使預混氣的濃度場均勻。直流整流段的作用是將大旋渦變成小旋渦并對氣流進行導向，從整流板出來的小旋渦受到多孔介質阻尼會很快消失。收縮勻流段將從直流整流段流過來的氣流進行加速，并保證出口流場是速度均勻的一維流動，收縮勻流段曲線的形狀通常采用維多辛斯基曲線［20］。

環形通道試驗段包括環形通道和點火系統，環形通道由四個部分組成：環形多孔介質、石英玻璃管、不銹鋼管和底座，其結構和尺寸如圖4所示。點火系統采用24V脈沖電子點火器，利用陶瓷管點火針（在圖3實物圖最上方）與不銹鋼管間形成的電火花來完成點火。測量系統主要含溫度測量系統、測壓差水排和攝像系統。其中溫度測量系統采用絲徑為1mm的K型鎧裝熱電偶，將它布置在距環形多孔介質的下表面1mm處，從打孔處伸入到環形通道的中間，測量的是進入環形多孔介質時的預混氣溫度，溫度數據利用Adamacquisitionmodule進行采集，結果可以顯示在數據采集程序面板中。測壓差水排可以監測進入環形多孔介質前的氣壓。攝像系統采用尼康d7000CCD單反相機對火焰進行拍攝，獲取火焰形態的信息，主要信息包含是否為表面火焰、火焰高度和火焰顏色等。實驗過程中，質量流量控制器1，2通過控制軟件分別控制常溫常壓下甲烷和空氣的質量流量。當預混氣流量達到工況時，摁下點火電源按鈕，在不銹鋼管和點火針之間形成電火花，完成對預混氣的點火。調整單反相機的系統時間，使它和計算機的系統時間一致，每隔5min以上對火焰形態進行拍照。記錄每個工況點的對應拍照時間，試驗完成后就可以依據照片的拍攝時間信息，將各張照片與各個工況點一一對應。打開數據采集程序面板，對預混氣溫度數據進行采集，采集頻率為1Hz。通過對數據采集程序進行編程，可以將采集時間以及對應溫度數據輸出到文檔中。

3實驗結果分析

3.1環形通道內火焰形態變化過程當量比為1.0的預混氣點火后在環形通道內形成火焰，調節預混氣進氣流量，得到了各流量下對應的火焰形態，如圖5所示。當預混氣質量流量較小時（mmix≤0.035g/s），多孔介質表面火焰呈淡藍色，隨著流量的增加，火焰逐漸呈明亮藍色，火焰高度越來越低，火焰面越來越貼近多孔介質表面。當預混氣質量流量達到0.045g/s時，火焰高度最低，平面火焰距離多孔介質表面最近。隨著預混氣流量繼續增大，火焰面出現了明顯褶皺，接著逐漸脫離多孔介質表面成為推舉火焰。從多孔介質表面火焰衍變到推舉火焰的脫離過程受多孔介質表面工藝影響，當mmix=0.055g/s時表面火焰消失而推舉火焰從一側開始發生，漸漸延伸至小部分推舉火焰（mmix=0.065g/s時），然后蔓延至大部分推舉火焰（mmix=0.075g/s時），直到最終的整體推舉火焰（mmix=0.085g/s時）。推舉火焰的火焰高度隨著預混氣流量的增加而升高，褶皺程度相應加劇。推舉火焰的發生是由于預混氣的流量增加到一定程度以后，火焰前沿預混氣體進入反應區后不能立刻完全反應，從而擴大了反應區的范圍。

3.2表面火焰與推舉火焰對穩態預混氣溫度的影響本試驗在進氣端面采用燒結金屬粉末多孔介質，改變通常的局部噴入可燃氣方式，為預混氣經過 多孔介質端面均勻進氣，未燃預混氣被預熱的同時也可減少火焰的熱損失，從而提高火焰穩定性。因此，預混氣的溫度高低在一定程度上反映了燃燒釋熱的有效利用情況，對預混氣溫度的監測是通過布置在多孔介質下表面1mm處的K型熱電偶實現的。在常溫常壓下，當量比為1.0，流量為0.035g/s的預混氣成功點火后，預混氣溫度隨時間的變化的情況如圖6所示。在點火成功300s左右以內時，預混氣溫度急劇上升，其后預混氣溫度上升趨勢漸趨平緩。在1000s以后，預混氣溫度1min內上升幅度小于0.1℃，可以認為環形通道試驗段組成的系統達到穩態熱平衡。穩態下的預混氣溫度應與工況一一對應，反映的是該工況下未燃預混氣被預熱的程度。常溫常壓下，當環形通道試驗段組成的系統達到穩態熱平衡時（即預混氣溫度1min內上升幅度小于0.1℃），當量比為1的預混氣溫度與預混氣流量的對應關系如圖7所示，穩態預混氣溫度隨預混氣質量流量的增加先上升后下降。上升段的預混氣質量流量為0.025g/s～0.05g/s，與圖5對比可知該流量范圍的火焰形態對應多孔介質表面火焰；下降段的預混氣質量流量范圍為0.055g/s以后，對應的火焰形態為環形通道推舉火焰。其它當量比下的最高穩態預混氣溫度以及對應的流量，如圖8所示，在當量比0.9的時候，穩態預混氣溫度達到峰值。在多孔介質表面火焰區域，由于火焰高度較低，預混氣燃燒釋熱被充分地用于預熱預混氣，因此預混氣流量越大，穩態預混氣溫度越高；在環形通道推舉火焰區域，火焰高度明顯爬升，被預混氣吸收的燃燒釋熱降低，此時，預混氣流量的增大成為穩態預混氣溫度降低的原因。由于從多孔介質表面火焰衍變到推舉火焰是個逐步過渡的過程，如果從觀測上判斷二者的邊界，難免帶有主觀性因素。因此，可以將穩態預混氣溫度從上升到下降的預混氣流量轉折點作為該當量比下多孔介質表面火焰的流量邊界點，這樣的表面火焰邊界定量判據可以避免人為因素的影響。

3.3甲烷預混氣多孔介質表面火焰邊界依照上述多孔介質表面火焰邊界的判據，將穩態預混氣溫度從上升到下降的甲烷預混氣流量轉折點作為該當量比下的流量邊界點，可以獲得常溫常壓下不同當量比甲烷預混氣的多孔介質表面火焰流量邊界，如圖9（a）所示。縱坐標為預混氣流量而不是預混氣速度，是考慮了在不同當量比下穩態預混氣溫度不同，從而導致預混氣流速的影響因素比預混氣流量更為復雜。較具有普遍意義的預混氣流雷諾數邊界與當量比的關系如圖9（b）所示，其中穩態預混氣雷諾數Re的計算公式。從圖9可以看出，對于多孔介質表面火焰流量邊界而言，在當量比小于1.0時，隨著當量比的增大，多孔介質表面火焰流量邊界變寬；在當量比大于1.0時，隨著當量比的增大，多孔介質表面火焰流量邊界變窄。對于多孔介質表面火焰雷諾數邊界而言，隨著當量比的增大，雷諾數邊界逐漸變寬。當量比大于1.0時，雷諾數邊界與流量邊界的趨勢不一致，原因是這時最高穩態預混氣溫度急劇下降（如圖8所示），致使對應的動力粘度μmix,Tps下降幅度較大。因此，依據公式（1），雖然此時預混氣流量邊界的質量流量已經下降，但是雷諾數Re卻仍保持上升。

4結論

（1）在一定的預混氣當量比和流量范圍內，環形通道內能形成穩定火焰。預混氣流量較小時，多孔介質表面火焰形成，隨著流量的逐步增大，多孔介質表面火焰漸漸衍變成推舉火焰。與推舉火焰相比，多孔介質表面火焰更適合于在微小型燃燒室內組織燃燒。（2）穩態條件下，保持預混氣當量比一定，預混氣溫度是預混氣流量的單值函數。隨著預混氣流量的逐漸增大，預混氣溫度先升高后下降。預混氣溫度升高對應的流量范圍與觀測到的表面火焰流量范圍基本重合，溫度下降對應的流量范圍與推舉火焰的流量范圍基本重合。因此，可以將穩態預混氣溫度從上升到下降的流量轉折點作為多孔介質表面火焰流量邊界的定量判據。（3）對于多孔介質表面火焰流量邊界而言，在當量比小于1.0時，隨著當量比的增大，表面火焰流量邊界變寬；在當量比大于1.0時，隨著當量比的增大，多孔介質表面火焰流量邊界變窄。對于多孔介質表面火焰雷諾數邊界而言，隨著當量比的增大，雷諾數邊界逐漸變寬。下一步擬對不同燃料的表面火焰邊界進行研究，并增加環形通道和火焰面的測溫點，進行環形通道的熱平衡分析，以獲得燃燒釋熱各個部分（如預熱預混氣的熱量、向大氣的散熱以及試驗件導熱等）的百分比，從而評判不同燃料的燃燒效率。

作者：林培華 林宇震 薛鑫 張良 張弛 單位：北京航空航天大學 能源與動力工程學院 航空發動機氣動熱力國家級重點實驗室