自由射流预混合微火焰的燃烧特性

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第15卷第5期2009年10月燃　烧　科　学　与　技　术

JournalofCombustionScienceandTechnologyVol.15　No.5Oct.2009

自由射流预混合微火焰的燃烧特性

蒋利桥,赵黛青,杨卫斌,汪小憨

(中国科学院广州能源研究所,广州5100)

摘　要:对静止空气中自由射流微喷管甲烷/空气预混合火焰的燃烧特性进行了实验研究,考察了火焰高度特征及其相关影响因素,详细探讨了尺度变化对微火焰熄火极限的影响.结果表明:微喷管射流预混合火焰为层流火焰,火焰高度与微喷管出口流速成正比,火焰高度随当量比减小而减小;同一当量比下,无量纲参数H/d(火焰高度/微喷管直径)与出口Re数呈线性关系.微尺度效应导致预混合火焰淬熄速度明显增大,同时可燃极限当量比远大于

1,微预混合火焰发生淬熄的主要原因是微尺度下热量和质量扩散作用明显增强.

关键词:微尺度燃烧;预混合火焰;火焰高度;熄火极限

中图分类号:TK16　　　　文献标志码:A　　　　文章编号:100628740(2009)0520440205CombustionCharacteristicsofFree2JetMicroPremixedFlames

JIANGLi2qiao,ZHAODai2qing,YANGWei2bin,WANGXiao2han

(GuangzhouInstituteofEnergyConversion,ChineseAcademyofSciences,Guangzhou5100,China)

Abstract:Thecombustioncharacteristicsofmicromethane/airpremixedflamesinquiescentairhavebeenexperimentallystudied.Bothflameheightcharacteristicsandmicro2scaleeffectsonflameextinctioncharacteristicshavebeeninvestigated.Theresultsshowthatmicropremixedflamesarelaminarflames,thatflameheightisproportionaltomeanrejectionvelocity,andthatflameheightdecreasesasequivalenceratiodecreases.Atthesameequivalenceratio,dimensionlessparameterH/d(flameheight/diameter)islinearlyproportionaltoRenumberofmicrotubeport.Tomicropremixedflames,quenching

velocityandminimumequivalenceratioincreaseobviouslybecauseofmicro2scaleeffect,whichiscausedbyunstableandquenchingflamesresultingfromenhancedheatandmassdiffusioneffects.Keywords:microcombustion;premixedflame;flameheight;extinctionlimit

　　近年来,基于燃料燃烧的微动力/发电系统发展迅速

[1]

研究大多数侧重于开放空间中的扩散燃烧微火焰

[428]

.为研发适应于微动力/发电系统的高性能微燃,而对于微尺度火焰预混合燃烧特性研究报道

烧器,进行微尺度燃烧过程和微火焰的研究非常重要.此外,国外一些研究机构已开展了微微喷管火焰的直接应用研究,如微火焰氢/氧离子检测器在气相色谱分析仪中用于烃类的检测,所用到的微微喷管直径在20～80μm

[223]

较少.

微尺度下,预混合火焰呈现出与常规尺度不同的燃烧特征,特别是燃料当量比在稳定燃烧过程中作用重要.如Hiroyuki等

[9]

研究了管径0.1mm微喷管微

尺度预混合火焰,在空气中氢气/空气稳燃最小当量比为2左右,而丙烷/空气预混合气稳燃最小当量比为10.当燃料中参混其他惰性气体如N2、CO2等时,与燃

尽管实际微尺度燃烧器内的燃烧过程多数为气体燃料的预混合燃烧过程,但是目前对微尺度火焰

　　收稿日期:2008204214.

基金项目:广东省自然科学基金资助项目(06104525);中日NFSC2JST重大国际合作资助项目(50721140651).作者简介:蒋利桥(1974—　　),男,博士研究生,助理研究员,jianglq@ms.giec.ac.cn.通讯作者:赵黛青,zhaodq@ms.giec.ac.cn.

2009年10月　　　　　　　　　　　　　　蒋利桥等:自由射流预混合微火焰的燃烧特性・441・

料/空气微预混合火焰相比较,微火焰稳定性变差.Masato等

[10]

表1　微/小喷管材料及尺寸

管内径d/mm

2.0001.0000.5300.2500.200

实验研究CH4/CO2混合气在空气中燃烧

[11]

管外径/mm

3.0002.0000.6900.3700.320

材料不锈钢不锈钢石英毛细管石英毛细管石英毛细管

Re范围

微尺度火焰特性,随二氧化碳比例的增加,火焰变小,可燃极限范围变窄.赵黛青等

对于微喷管直径d=

0.4mm的甲烷/空气预混合火焰数值模拟结果表明,

>4.07.3～447.210.2～211.427.8～123.979.8～94.3

微火焰能维持稳定燃烧的最小当量比大于1,高燃料当量比下预混合火焰为双层火焰结构,内层为预混合火焰,外层为扩散火焰,随当量比的增大,外层火焰释放热量增多,稳燃范围扩大.

现有的研究没有详细探讨微预混合火焰燃烧过程随尺度变化的特性和规律.笔者将深入考察甲烷/空气预混合火焰随微喷管特征尺度变化时,微预混合火焰高度特征和稳燃特性变化规律,并探讨其火焰稳定机理.

2　实验结果及讨论

2.1　火焰特性

图2为微喷管直径d=0.25mm时不同流速下空

气中射流甲烷/空气预混合微火焰形态,火焰均呈蓝色,低流速下火焰呈现球形.

1　实验装置

甲烷/空气微尺度预混合自由射流火焰实验系统如图1所示,甲烷和空气流量分别由质量流量计控制,流量计型号为国产七星华创D07212A,流量计量程分别为100mL/min、200mL/min和500mL/min,流量计精度为±1%,满量程测量误差为1%.数显流量控制器D0823D可以调整到所需燃料流量范围,为防止回火,在系统中设置了单向阀.火焰形状采用数码相机(OlympusC740BOZ)直接拍照记录.火焰高度测量如

图2　自由射流甲烷/空气预混合微火焰形态

下:测量火焰高度标尺平行于微喷管轴线放置在火焰旁边,标尺最小刻度为0.5mm,在实验中用相机同时直接记录火焰与标尺图像,通过将微火焰与标尺按同一比例放大读取结果,其高度误差小于0.5mm.实验采用的微小喷管材料及尺寸如表1所示.

预混合微火焰的火焰高度主要受喷嘴出口平均流

速u、喷管直径和混合气燃料当量比的影响,火焰高度H定义为沿微喷管轴线从喷管出口截面到火焰最高点之间的距离.从图3可以看出,喷口速度与火焰高度成正比,预混合火焰高度低于扩散火焰(<=∞)高度,随

1—CH4气瓶;2—空气气瓶;3—质量流量计;4—流量控制器;5—阀门;6—单向阀;7—微喷管;8—相机

图1　开放空间中微尺度预混合火焰实验系统示意

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着燃料当量比降低,火焰高度相应降低,火焰面燃烧反

应区减小.图3还表明,随特征尺度的减小,火焰高度也明显降低.对于预混合微火焰,混合气燃料当量比一定时(<=25),无因次化的H/d(火焰高度/微喷管直径)与微喷管出口Re呈线性关系(见图4(a)),拟合曲线为

　H=-0158+01113Red

圆环直径不变,从该区域泄漏的燃料量与实际供给射流火焰燃烧的燃料比例随喷管出口速度的增加而降低,因此,随尺度减小,需要提高燃料供给速度,降低燃料泄漏比例来维持火焰的稳定.

(1)

尽管不同喷管直径下,H/d与Re的关系比例一致,但其线性关系式斜率受当量比的影响明显,随当量比的减小,H/d与Re比例系数将相应减小(见图4(b)).

图5　微预混火焰高度与火焰浮起高度

2.2　熄火特性

对于预混合微火焰来说,存在吹熄(blowoff)和淬

熄(quenching)现象,预混合微火焰熄火极限点照片如图6所示(d=0125mm),熄火前火焰均悬浮在微微喷管上方,不同当量比下熄火极限速度不同.图7为d=0.25mm时不同当量比下预混微火焰的吹熄和淬熄速度特性.从实验结果可以看出,预混合微尺度火焰可燃极限为开口向右的“U”型分布,微预混火焰最小稳定燃烧燃料当量比远大于1,这与常规尺度下当量比为1附近最适合的预混火焰存在显著的差别,微火焰稳定燃烧极限速度范围随当量比的减小而减小.

微预混合火焰的浮起高度随喷口流速变化如图5所示,其中微喷管直径d=0125mm,当量比<=25,火焰浮起高度定义为沿微喷管轴线从喷管出口截面到火焰根部截面的垂直距离.尽管随燃料流速的增大,火焰高度增加,但火焰的浮起高度几乎不变(u≤5.0m/s),从火焰照片中(图1)还可以看出火焰根部圆环直径也几乎不变.在火焰浮起高度与喷管出口截面之间,不能形成稳定火焰和无燃烧反应区,文献[5]在研究微扩散火焰时认为此区域部分燃料被空气稀释而不能维持燃烧,因此,部分燃料将从该区域向周围“泄漏”,在进行燃料“泄漏”量计算时仅考虑流动的因素.笔者认为,质量扩散在该区域的作用更为重要,一方面沿喷管出口径向方向的质量扩散直接减少了进入燃烧反应区的燃料量,另一方面径向质量扩散使得火焰根部燃料被稀释得更快.由于火焰浮起高度与火焰根部

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喷管直径变化对预混合微尺度火焰熄火极限影响如图8所示.可燃极限分布曲线均为开口向右范围不断增大的趋势,喷管直径的变小导致微预混火焰稳燃区间变窄.喷管直径大小对微火焰淬熄极限速度和可燃极限当量比影响显著,但对吹熄极限速度影响不大.当d<0.50mm后,淬熄极限速度和可燃极限当量比迅速增大,稳定燃烧区间明显减小,其主要原因是微尺度下的扩散效用影响增强,导致小的特征尺度下在维持下限燃烧释放功率时,必须保证一定的燃料浓度和燃料流量.为方便看出尺度变化对预混合微火焰可燃极限特性的影响,图8(b)为不同尺度下混合当量比与极限Re数的变化规律.

间的关系.由图9可知,在特征尺度小于火焰熄火距离(甲烷/空气火焰熄火距离为2.5mm)时,临界当量比由实验观察知,预混合微火焰均为层流火焰,微火焰熄火均从根部开始.在火焰根部,火焰的稳定必须满足两个条件:其一是在火焰面驻定位置,当地的火焰传播速度SL等于当地的混合气流度.层流火焰传播速度

SL∝

αwi,α为热量扩散系数,wi为反应速率;其二是

火焰面发热量大于或等于向周围气体和环境的散热量.火焰面的稳定是一个动态过程,只有同时满足上述两个条件,维持火焰面上的燃料/空气比例、流量和火焰面上反应温度一定,才能获得稳定火焰.

吹熄过程在燃烧接近熄火极限时,火焰面根部位置随流速和当量比的增大而逐渐远离微喷管,如图6所示.尽管扩散效应使得远离微喷管出口火焰根部位置燃料更容易被周围空气稀释,但是燃烧过程流动控制仍然占主导作用,火焰的吹熄由火焰传播速度与混合气供给平衡的破坏所导致.

淬熄过程是微喷管低混合气流速下的熄火过程.从热熄火角度来说,随着尺度的减小,微喷管出口附近可燃气组分浓度梯度增大,导致可燃气的热扩散速度大于化学反应速率,由于燃料的供给速度过低,火焰向周围空间和微喷管出口附近壁面的散热量大于供给燃料燃烧所释放的热量,使得火焰面附近燃料混合气温度不能被预热到足够的温度,根据阿累尼乌斯公式,化学反应速率主要受温度的影响,导致火焰不能自维持燃烧而发生熄火,即产生热熄火.另一方面,组分的扩散作用也将影响淬熄过程,接近淬熄时,微火焰悬浮在微微喷管出口上方,随着燃料流速的降低,组分扩散使得燃料流经该浮起高度区间时很快被稀释,使得到达火焰根部燃料/空气混合比例不能维持在合适的范围,无法形成稳定的火焰面,导致熄火发生.从实验结果看,随着特征尺度的减小,微扩散火焰淬熄速度和临界当量比明显提高,即需要大的燃料供给量来维持火焰稳定,大燃料流速除了可以释放更多的热量来维持火焰稳定外,还可以减小微尺度下质量扩散效应对燃料浓度稀释的影响,能够保证燃料经过喷口到火焰面之间的距离后,使得火焰面附件的燃料保持一定的浓度范围,对熄火起到抑制作用,从而维持火焰稳定.

将图8中不同喷管直径微火焰可燃临界当量比抽取出来,可得到图9所示的临界当量比同特征尺度之

图9　喷管直径对甲烷/空气预混合微尺度火焰临界当量

比的影响

3　结　论

(1)微尺度下甲烷/空气预混合火焰为层流蓝色

・444・燃　　烧　　科　　学　　与　　技　　术　　　　　　　　　　　　　第15卷第5期

[5]　ChengTS,ChaoYC,WuCY,etal.Experimentaland

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[6]　MattaLM,NeumeirieY,LemonB,etal,Characteristics

ofmicroscalediffusionflames[J].ProceedingsofCombus2tionInstitute,2002,29(1):9332939.

火焰,即使在高的燃料当量比情况下(富燃料),微火

焰不会出现由于碳烟生成导致的黄色火焰,低流速下微火焰呈现球形结构.

(2)火焰的高度受燃料流速、燃料当量比和微喷管直径的影响,燃料当量比和微喷管直径的减少使得火焰高度降低.相同当量比条件下,无因次参数H/d(火焰高度/微喷管直径)与喷管出口Re数呈同一线性关系,但随燃料当量比的减小,H/d2Re线性关系式斜率变小.

(3)喷管直径变化对微预混合火焰熄火极限影响很大,微喷管预混合火焰在不到理论当量比1时,微火焰已发生熄火;特别是当d<0.5mm时,微预混合火焰淬熄速度和稳定燃烧极限当量比急剧增大.参考文献:

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