多孔介质表面火焰边界的实验研究范文

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《推进技术杂志》2015年第十二期

摘要：

为了更好地在小尺度燃烧室中组织燃烧，对小尺度环形通道内多孔介质表面甲烷与空气预混火焰开展了流量和雷诺数边界特性实验研究。多孔介质采用了烧结金属粉末材料，燃烧在石英玻璃管和不锈钢管以及多孔介质组成的小尺度环形通道中进行。研究结果表明：随着预混气流量的增加，环形通道内的火焰形态由多孔介质表面火焰向推举火焰衍变，与推举火焰相比，多孔介质表面火焰更适合于在微小型燃烧室内组织燃烧。稳态预混气温度随流量的增加先上升后下降，其流量范围与两个火焰形态的基本重合，可以将温度的转折点作为表面火焰边界的定量判据。对于多孔介质表面火焰流量边界而言，当量比小于1.0时，甲烷预混气的表面火焰流量边界随着当量比的增大逐渐变宽；当量比大于1.0时，随着当量比的增大，多孔介质表面火焰流量边界变窄。对于多孔介质表面火焰雷诺数边界而言，随着当量比的增大，雷诺数边界逐渐变宽。

关键词：

小尺度燃烧；多孔介质；表面火焰；预混燃烧；环形通道；实验研究

1引言

近年来，随着便携式装置和微小型飞行器的快速发展，对微小型能源系统和动力系统的需求日益增加。太阳能电源易受天气条件影响，一次性化学电池能量密度低，与二者相比，基于微小尺度燃料燃烧的装置具有更高的功率密度，因此引起了国际上的广泛研究兴趣［1，2］。但是，微小尺度燃烧面临着流动雷诺数低、驻留时间短、热损失大等一系列问题，这成为限制基于微小尺度燃烧室的能源系统和推进系统技术发展的瓶颈［2～5］。与常规尺寸燃烧室相比，微小尺度燃烧室由于高表面体积比造成热量损失大，而热量损失的增加必然影响火焰的着火极限和熄火极限，将会导致火焰的稳定性差，这是微小尺度燃烧室开发中所遇到的一个关键问题。良好的热管理技术成为保证微小尺度燃烧的热效率和燃烧稳定性的有力措施之一［3］。大量学者利用回热原理设计了Swiss-roll燃烧器，减少热损失，同时使油气混合物得到充分预热，实现所谓的超焓燃烧，提高微尺度下的可燃边界和燃烧效率［4，6］。催化燃烧技术可以实现低温下小尺度空间内的稳定自维持燃烧，从而在一定程度上降低了热损失［7］。多孔介质（porousmedia）可利用燃烧释热对反应物进行预热，增强油气混合，具有高反应速率、宽熄火极限和低污染排放的优势，在微小尺度燃烧方面具有良好的应用潜力［8］。试验表明采用多孔介质的新型燃烧室能有效降低热损失，燃烧稳定性明显改善［9，10］。本文提出的微小尺度燃烧概念采用多孔介质表面火焰方式，重点考虑了散热损失的影响，开展了环形通道内甲烷与空气预混气的表面火焰边界的试验研究。

对于多孔介质燃烧的基础研究包含两部分：多孔介质内的燃烧研究和多孔介质表面火焰研究。数值计算方面，Mcintosh等［11］通过简化的模型分析了不同负载下表面火焰的燃烧速度，而Diamantis等［12］对多孔介质内燃烧和表面燃烧进行了数值研究，比较了2种方式下辐射效率和污染物排放量。赵平辉等采用一维反应模型和GRI3.0化学反应机理模拟了多孔介质内的预混燃烧过程，发现表面火焰传播机理与反应区有热损失的层流预混自由火焰传播机理相似［13］。实验方面，中科院广州能源研究所以甲烷/空气为预混气，对暴露在大气中的不锈钢多孔介质表面火焰的形成特性进行实验研究，重点考察多孔介质表面平面火焰特性及形成条件、平面火焰温度分布特性以及多孔介质和预混气换热特性［14］。除此之外，他们采用多孔铜烧结材料为进气壁面，研究了进气方式、空气流量分配对燃烧器内火焰形成的影响，火焰在燃烧室壁面附近形成，讨论了燃烧器的热损失情况和壁面温度分布［9］。美国加利福尼亚州大学和亚拉巴马大学以碳化硅（SiC）涂层碳泡沫惰性多孔介质材料作为超微燃烧室的喷嘴，采用了甲烷/空气预混气进行燃烧试验。通过试验测量生成烟气的温度分布以及一氧化碳（CO）和氮氧化物（NOx）排放量为系统的性能进行了评价［15］。本课题组前期研究了不同多孔介质结构参数（孔径和孔隙率）、不同预混气初始温度以及有无限制域对表面火焰熄火特性的影响［16～18］，研究结果表明：孔径减小或孔隙率减小都会使相同当量比下熄火速度增加，熄火速度随预混气温度的升高明显增加，安装限制域后更容易熄火。从公开文献来看，针对在小尺度环形通道内的多孔介质表面火焰边界特性的研究很少。而与脱离多孔介质表面的推举火焰相比，表面火焰高度低，火焰面厚度薄，燃烧所需空间更小，更适合于在小尺度燃烧室内组织燃烧［10，14］。而采用环形通道更接近实际应用的小尺度环形燃烧室的结构和尺寸。因此，针对小尺度环形通道内多孔介质表面火焰边界特性的试验研究是十分必要的，可以为优化小尺度燃烧室设计提供重要的参考价值。

2实验系统介绍

本试验采用的环形多孔介质称为烧结金属粉末多孔介质，它是采用不锈钢粉末为原料，通过成型和高温烧结而成、具有刚性结构的多孔介质。其特点是内部含有大量连通或半连通的孔隙，孔隙结构由规则和不规则的粉末颗粒堆垛而成，孔隙的大小和分布以及孔隙率大小取决于粉末粒度组成和加工工艺［19］。本试验采用的烧结金属粉末多孔介质，其孔径为50μm，孔隙率为50%，外径15mm，内径6mm，厚度5mm，如图1所示。整个试验系统主要由空气路、甲烷路、预混段、环形通道试验段以及测量系统组成，如图2所示。空气路主要由高压气源、截止阀、减压阀、空气过滤器和CS200A质量流量控制器组成，空气过滤器主要过滤高压气源过来的空气中所包含的水汽、灰尘等杂质，防止其损害后面的质量流量控制器及减压阀。甲烷路主要由甲烷气瓶、截止阀、减压阀和CS200A质量流量控制器组成。其中，CS200A质量流量控制器的精度为±0.35%，甲烷路和空气路的质量流量控制器量程分别为3.6L/min与28L/min。预混段和环形通道试验段如图3所示，预混段包括突扩段、直流整流段和收缩匀流段，分别在预混气入口处、整流板和多孔介质阻尼之后。突扩段在一定程度上会造成旋涡的形成，促使预混气的浓度场均匀。直流整流段的作用是将大旋涡变成小旋涡并对气流进行导向，从整流板出来的小旋涡受到多孔介质阻尼会很快消失。收缩匀流段将从直流整流段流过来的气流进行加速，并保证出口流场是速度均匀的一维流动，收缩匀流段曲线的形状通常采用维多辛斯基曲线［20］。

环形通道试验段包括环形通道和点火系统，环形通道由四个部分组成：环形多孔介质、石英玻璃管、不锈钢管和底座，其结构和尺寸如图4所示。点火系统采用24V脉冲电子点火器，利用陶瓷管点火针（在图3实物图最上方）与不锈钢管间形成的电火花来完成点火。测量系统主要含温度测量系统、测压差水排和摄像系统。其中温度测量系统采用丝径为1mm的K型铠装热电偶，将它布置在距环形多孔介质的下表面1mm处，从打孔处伸入到环形通道的中间，测量的是进入环形多孔介质时的预混气温度，温度数据利用Adamacquisitionmodule进行采集，结果可以显示在数据采集程序面板中。测压差水排可以监测进入环形多孔介质前的气压。摄像系统采用尼康d7000CCD单反相机对火焰进行拍摄，获取火焰形态的信息，主要信息包含是否为表面火焰、火焰高度和火焰颜色等。实验过程中，质量流量控制器1，2通过控制软件分别控制常温常压下甲烷和空气的质量流量。当预混气流量达到工况时，摁下点火电源按钮，在不锈钢管和点火针之间形成电火花，完成对预混气的点火。调整单反相机的系统时间，使它和计算机的系统时间一致，每隔5min以上对火焰形态进行拍照。记录每个工况点的对应拍照时间，试验完成后就可以依据照片的拍摄时间信息，将各张照片与各个工况点一一对应。打开数据采集程序面板，对预混气温度数据进行采集，采集频率为1Hz。通过对数据采集程序进行编程，可以将采集时间以及对应温度数据输出到文档中。

3实验结果分析

3.1环形通道内火焰形态变化过程当量比为1.0的预混气点火后在环形通道内形成火焰，调节预混气进气流量，得到了各流量下对应的火焰形态，如图5所示。当预混气质量流量较小时（mmix≤0.035g/s），多孔介质表面火焰呈淡蓝色，随着流量的增加，火焰逐渐呈明亮蓝色，火焰高度越来越低，火焰面越来越贴近多孔介质表面。当预混气质量流量达到0.045g/s时，火焰高度最低，平面火焰距离多孔介质表面最近。随着预混气流量继续增大，火焰面出现了明显褶皱，接着逐渐脱离多孔介质表面成为推举火焰。从多孔介质表面火焰衍变到推举火焰的脱离过程受多孔介质表面工艺影响，当mmix=0.055g/s时表面火焰消失而推举火焰从一侧开始发生，渐渐延伸至小部分推举火焰（mmix=0.065g/s时），然后蔓延至大部分推举火焰（mmix=0.075g/s时），直到最终的整体推举火焰（mmix=0.085g/s时）。推举火焰的火焰高度随着预混气流量的增加而升高，褶皱程度相应加剧。推举火焰的发生是由于预混气的流量增加到一定程度以后，火焰前沿预混气体进入反应区后不能立刻完全反应，从而扩大了反应区的范围。

3.2表面火焰与推举火焰对稳态预混气温度的影响本试验在进气端面采用烧结金属粉末多孔介质，改变通常的局部喷入可燃气方式，为预混气经过 多孔介质端面均匀进气，未燃预混气被预热的同时也可减少火焰的热损失，从而提高火焰稳定性。因此，预混气的温度高低在一定程度上反映了燃烧释热的有效利用情况，对预混气温度的监测是通过布置在多孔介质下表面1mm处的K型热电偶实现的。在常温常压下，当量比为1.0，流量为0.035g/s的预混气成功点火后，预混气温度随时间的变化的情况如图6所示。在点火成功300s左右以内时，预混气温度急剧上升，其后预混气温度上升趋势渐趋平缓。在1000s以后，预混气温度1min内上升幅度小于0.1℃，可以认为环形通道试验段组成的系统达到稳态热平衡。稳态下的预混气温度应与工况一一对应，反映的是该工况下未燃预混气被预热的程度。常温常压下，当环形通道试验段组成的系统达到稳态热平衡时（即预混气温度1min内上升幅度小于0.1℃），当量比为1的预混气温度与预混气流量的对应关系如图7所示，稳态预混气温度随预混气质量流量的增加先上升后下降。上升段的预混气质量流量为0.025g/s～0.05g/s，与图5对比可知该流量范围的火焰形态对应多孔介质表面火焰；下降段的预混气质量流量范围为0.055g/s以后，对应的火焰形态为环形通道推举火焰。其它当量比下的最高稳态预混气温度以及对应的流量，如图8所示，在当量比0.9的时候，稳态预混气温度达到峰值。在多孔介质表面火焰区域，由于火焰高度较低，预混气燃烧释热被充分地用于预热预混气，因此预混气流量越大，稳态预混气温度越高；在环形通道推举火焰区域，火焰高度明显爬升，被预混气吸收的燃烧释热降低，此时，预混气流量的增大成为稳态预混气温度降低的原因。由于从多孔介质表面火焰衍变到推举火焰是个逐步过渡的过程，如果从观测上判断二者的边界，难免带有主观性因素。因此，可以将稳态预混气温度从上升到下降的预混气流量转折点作为该当量比下多孔介质表面火焰的流量边界点，这样的表面火焰边界定量判据可以避免人为因素的影响。

3.3甲烷预混气多孔介质表面火焰边界依照上述多孔介质表面火焰边界的判据，将稳态预混气温度从上升到下降的甲烷预混气流量转折点作为该当量比下的流量边界点，可以获得常温常压下不同当量比甲烷预混气的多孔介质表面火焰流量边界，如图9（a）所示。纵坐标为预混气流量而不是预混气速度，是考虑了在不同当量比下稳态预混气温度不同，从而导致预混气流速的影响因素比预混气流量更为复杂。较具有普遍意义的预混气流雷诺数边界与当量比的关系如图9（b）所示，其中稳态预混气雷诺数Re的计算公式。从图9可以看出，对于多孔介质表面火焰流量边界而言，在当量比小于1.0时，随着当量比的增大，多孔介质表面火焰流量边界变宽；在当量比大于1.0时，随着当量比的增大，多孔介质表面火焰流量边界变窄。对于多孔介质表面火焰雷诺数边界而言，随着当量比的增大，雷诺数边界逐渐变宽。当量比大于1.0时，雷诺数边界与流量边界的趋势不一致，原因是这时最高稳态预混气温度急剧下降（如图8所示），致使对应的动力粘度μmix,Tps下降幅度较大。因此，依据公式（1），虽然此时预混气流量边界的质量流量已经下降，但是雷诺数Re却仍保持上升。

4结论

（1）在一定的预混气当量比和流量范围内，环形通道内能形成稳定火焰。预混气流量较小时，多孔介质表面火焰形成，随着流量的逐步增大，多孔介质表面火焰渐渐衍变成推举火焰。与推举火焰相比，多孔介质表面火焰更适合于在微小型燃烧室内组织燃烧。（2）稳态条件下，保持预混气当量比一定，预混气温度是预混气流量的单值函数。随着预混气流量的逐渐增大，预混气温度先升高后下降。预混气温度升高对应的流量范围与观测到的表面火焰流量范围基本重合，温度下降对应的流量范围与推举火焰的流量范围基本重合。因此，可以将稳态预混气温度从上升到下降的流量转折点作为多孔介质表面火焰流量边界的定量判据。（3）对于多孔介质表面火焰流量边界而言，在当量比小于1.0时，随着当量比的增大，表面火焰流量边界变宽；在当量比大于1.0时，随着当量比的增大，多孔介质表面火焰流量边界变窄。对于多孔介质表面火焰雷诺数边界而言，随着当量比的增大，雷诺数边界逐渐变宽。下一步拟对不同燃料的表面火焰边界进行研究，并增加环形通道和火焰面的测温点，进行环形通道的热平衡分析，以获得燃烧释热各个部分（如预热预混气的热量、向大气的散热以及试验件导热等）的百分比，从而评判不同燃料的燃烧效率。

作者：林培华 林宇震 薛鑫 张良 张弛 单位：北京航空航天大学 能源与动力工程学院 航空发动机气动热力国家级重点实验室