本文關(guān)鍵詞：推進(jìn)技術(shù)雜志，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《推進(jìn)技術(shù)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(huán)形通道內(nèi)多孔介質(zhì)表面甲烷與空氣預(yù)混火焰開展了流量和雷諾數(shù)邊界特性實(shí)驗(yàn)研究。多孔介質(zhì)采用了燒結(jié)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(zhì)組成的小尺度環(huán)形通道中進(jìn)行。研究結(jié)果表明：隨著預(yù)混氣流量的增加，環(huán)形通道內(nèi)的火焰形態(tài)由多孔介質(zhì)表面火焰向推舉火焰衍變，與推舉火焰相比，多孔介質(zhì)表面火焰更適合于在微小型燃燒室內(nèi)組織燃燒。穩(wěn)態(tài)預(yù)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(tài)的基本重合，可以將溫度的轉(zhuǎn)折點(diǎn)作為表面火焰邊界的定量判據(jù)。對于多孔介質(zhì)表面火焰流量邊界而言，當(dāng)量比小于1.0時，甲烷預(yù)混氣的表面火焰流量邊界隨著當(dāng)量比的增大逐漸變寬；當(dāng)量比大于1.0時，隨著當(dāng)量比的增大，多孔介質(zhì)表面火焰流量邊界變窄。對于多孔介質(zhì)表面火焰雷諾數(shù)邊界而言，隨著當(dāng)量比的增大，雷諾數(shù)邊界逐漸變寬。

關(guān)鍵詞：

小尺度燃燒；多孔介質(zhì)；表面火焰；預(yù)混燃燒；環(huán)形通道；實(shí)驗(yàn)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(fā)展，對微小型能源系統(tǒng)和動力系統(tǒng)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(xué)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(shù)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(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的瓶頸［2～5］。與常規(guī)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(dǎo)致火焰的穩(wěn)定性差，這是微小尺度燃燒室開發(fā)中所遇到的一個關(guān)鍵問題。良好的熱管理技術(shù)成為保證微小尺度燃燒的熱效率和燃燒穩(wěn)定性的有力措施之一［3］。大量學(xué)者利用回?zé)嵩碓O(shè)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(yù)熱，實(shí)現(xiàn)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(shù)可以實(shí)現(xiàn)低溫下小尺度空間內(nèi)的穩(wěn)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(zhì)（porousmedia）可利用燃燒釋熱對反應(yīng)物進(jìn)行預(yù)熱，增強(qiáng)油氣混合，具有高反應(yīng)速率、寬熄火極限和低污染排放的優(yōu)勢，在微小尺度燃燒方面具有良好的應(yīng)用潛力［8］。試驗(yàn)表明采用多孔介質(zhì)的新型燃燒室能有效降低熱損失，燃燒穩(wěn)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(zhì)表面火焰方式，重點(diǎn)考慮了散熱損失的影響，開展了環(huán)形通道內(nèi)甲烷與空氣預(yù)混氣的表面火焰邊界的試驗(yàn)研究。

對于多孔介質(zhì)燃燒的基礎(chǔ)研究包含兩部分：多孔介質(zhì)內(nèi)的燃燒研究和多孔介質(zhì)表面火焰研究。數(shù)值計算方面，Mcintosh等［11］通過簡化的模型分析了不同負(fù)載下表面火焰的燃燒速度，而Diamantis等［12］對多孔介質(zhì)內(nèi)燃燒和表面燃燒進(jìn)行了數(shù)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(yīng)模型和GRI3.0化學(xué)反應(yīng)機(jī)理模擬了多孔介質(zhì)內(nèi)的預(yù)混燃燒過程，發(fā)現(xiàn)表面火焰?zhèn)鞑C(jī)理與反應(yīng)區(qū)有熱損失的層流預(yù)混自由火焰?zhèn)鞑C(jī)理相似［13］。實(shí)驗(yàn)方面，中科院廣州能源研究所以甲烷/空氣為預(yù)混氣，對暴露在大氣中的不銹鋼多孔介質(zhì)表面火焰的形成特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)考察多孔介質(zhì)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(zhì)和預(yù)混氣換熱特性［14］。除此之外，他們采用多孔銅燒結(jié)材料為進(jìn)氣壁面，研究了進(jìn)氣方式、空氣流量分配對燃燒器內(nèi)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(xué)和亞拉巴馬大學(xué)以碳化硅（SiC）涂層碳泡沫惰性多孔介質(zhì)材料作為超微燃燒室的噴嘴，采用了甲烷/空氣預(yù)混氣進(jìn)行燃燒試驗(yàn)。通過試驗(yàn)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(tǒng)的性能進(jìn)行了評價［15］。本課題組前期研究了不同多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)參數(shù)（孔徑和孔隙率）、不同預(yù)混氣初始溫度以及有無限制域?qū)Ρ砻婊鹧嫦ɑ鹛匦缘挠绊懀?6～18］，研究結(jié)果表明：孔徑減小或孔隙率減小都會使相同當(dāng)量比下熄火速度增加，熄火速度隨預(yù)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(xiàn)來看，針對在小尺度環(huán)形通道內(nèi)的多孔介質(zhì)表面火焰邊界特性的研究很少。而與脫離多孔介質(zhì)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(nèi)組織燃燒［10，14］。而采用環(huán)形通道更接近實(shí)際應(yīng)用的小尺度環(huán)形燃燒室的結(jié)構(gòu)和尺寸。因此，針對小尺度環(huán)形通道內(nèi)多孔介質(zhì)表面火焰邊界特性的試驗(yàn)研究是十分必要的，可以為優(yōu)化小尺度燃燒室設(shè)計提供重要的參考價值。

2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

本試驗(yàn)采用的環(huán)形多孔介質(zhì)稱為燒結(jié)金屬粉末多孔介質(zhì)，它是采用不銹鋼粉末為原料，通過成型和高溫?zé)Y(jié)而成、具有剛性結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)。其特點(diǎn)是內(nèi)部含有大量連通或半連通的孔隙，孔隙結(jié)構(gòu)由規(guī)則和不規(guī)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(yàn)采用的燒結(jié)金屬粉末多孔介質(zhì)，其孔徑為50μm，孔隙率為50%，外徑15mm，內(nèi)徑6mm，厚度5mm，如圖1所示。整個試驗(yàn)系統(tǒng)主要由空氣路、甲烷路、預(yù)混段、環(huán)形通道試驗(yàn)段以及測量系統(tǒng)組成，如圖2所示�？諝饴分饕筛邏簹庠�、截止閥、減壓閥、空氣過濾器和CS200A質(zhì)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(zhì)，防止其損害后面的質(zhì)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(zhì)量流量控制器組成。其中，CS200A質(zhì)量流量控制器的精度為±0.35%，甲烷路和空氣路的質(zhì)量流量控制器量程分別為3.6L/min與28L/min。預(yù)混段和環(huán)形通道試驗(yàn)段如圖3所示，預(yù)混段包括突擴(kuò)段、直流整流段和收縮勻流段，分別在預(yù)混氣入口處、整流板和多孔介質(zhì)阻尼之后。突擴(kuò)段在一定程度上會造成旋渦的形成，促使預(yù)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(jìn)行導(dǎo)向，從整流板出來的小旋渦受到多孔介質(zhì)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(jìn)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(huán)形通道試驗(yàn)段包括環(huán)形通道和點(diǎn)火系統(tǒng)，環(huán)形通道由四個部分組成：環(huán)形多孔介質(zhì)、石英玻璃管、不銹鋼管和底座，其結(jié)構(gòu)和尺寸如圖4所示。點(diǎn)火系統(tǒng)采用24V脈沖電子點(diǎn)火器，利用陶瓷管點(diǎn)火針（在圖3實(shí)物圖最上方）與不銹鋼管間形成的電火花來完成點(diǎn)火。測量系統(tǒng)主要含溫度測量系統(tǒng)、測壓差水排和攝像系統(tǒng)。其中溫度測量系統(tǒng)采用絲徑為1mm的K型鎧裝熱電偶，將它布置在距環(huán)形多孔介質(zhì)的下表面1mm處，從打孔處伸入到環(huán)形通道的中間，測量的是進(jìn)入環(huán)形多孔介質(zhì)時的預(yù)混氣溫度，溫度數(shù)據(jù)利用Adamacquisitionmodule進(jìn)行采集，結(jié)果可以顯示在數(shù)據(jù)采集程序面板中。測壓差水排可以監(jiān)測進(jìn)入環(huán)形多孔介質(zhì)前的氣壓。攝像系統(tǒng)采用尼康d7000CCD單反相機(jī)對火焰進(jìn)行拍攝，獲取火焰形態(tài)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(shí)驗(yàn)過程中，質(zhì)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(zhì)量流量。當(dāng)預(yù)混氣流量達(dá)到工況時，摁下點(diǎn)火電源按鈕，在不銹鋼管和點(diǎn)火針之間形成電火花，完成對預(yù)混氣的點(diǎn)火。調(diào)整單反相機(jī)的系統(tǒng)時間，使它和計算機(jī)的系統(tǒng)時間一致，每隔5min以上對火焰形態(tài)進(jìn)行拍照。記錄每個工況點(diǎn)的對應(yīng)拍照時間，試驗(yàn)完成后就可以依據(jù)照片的拍攝時間信息，將各張照片與各個工況點(diǎn)一一對應(yīng)。打開數(shù)據(jù)采集程序面板，對預(yù)混氣溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集頻率為1Hz。通過對數(shù)據(jù)采集程序進(jìn)行編程，可以將采集時間以及對應(yīng)溫度數(shù)據(jù)輸出到文檔中。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1環(huán)形通道內(nèi)火焰形態(tài)變化過程當(dāng)量比為1.0的預(yù)混氣點(diǎn)火后在環(huán)形通道內(nèi)形成火焰，調(diào)節(jié)預(yù)混氣進(jìn)氣流量，得到了各流量下對應(yīng)的火焰形態(tài)，如圖5所示。當(dāng)預(yù)混氣質(zhì)量流量較小時（mmix≤0.035g/s），多孔介質(zhì)表面火焰呈淡藍(lán)色，隨著流量的增加，火焰逐漸呈明亮藍(lán)色，火焰高度越來越低，火焰面越來越貼近多孔介質(zhì)表面。當(dāng)預(yù)混氣質(zhì)量流量達(dá)到0.045g/s時，火焰高度最低，平面火焰距離多孔介質(zhì)表面最近。隨著預(yù)混氣流量繼續(xù)增大，火焰面出現(xiàn)了明顯褶皺，接著逐漸脫離多孔介質(zhì)表面成為推舉火焰。從多孔介質(zhì)表面火焰衍變到推舉火焰的脫離過程受多孔介質(zhì)表面工藝影響，當(dāng)mmix=0.055g/s時表面火焰消失而推舉火焰從一側(cè)開始發(fā)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(yù)混氣流量的增加而升高，褶皺程度相應(yīng)加劇。推舉火焰的發(fā)生是由于預(yù)混氣的流量增加到一定程度以后，火焰前沿預(yù)混氣體進(jìn)入反應(yīng)區(qū)后不能立刻完全反應(yīng)，從而擴(kuò)大了反應(yīng)區(qū)的范圍。

3.2表面火焰與推舉火焰對穩(wěn)態(tài)預(yù)混氣溫度的影響本試驗(yàn)在進(jìn)氣端面采用燒結(jié)金屬粉末多孔介質(zhì)，改變通常的局部噴入可燃?xì)夥绞�，為預(yù)混氣經(jīng)過 多孔介質(zhì)端面均勻進(jìn)氣，未燃預(yù)混氣被預(yù)熱的同時也可減少火焰的熱損失，從而提高火焰穩(wěn)定性。因此，預(yù)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(yù)混氣溫度的監(jiān)測是通過布置在多孔介質(zhì)下表面1mm處的K型熱電偶實(shí)現(xiàn)的。在常溫常壓下，當(dāng)量比為1.0，流量為0.035g/s的預(yù)混氣成功點(diǎn)火后，預(yù)混氣溫度隨時間的變化的情況如圖6所示。在點(diǎn)火成功300s左右以內(nèi)時，預(yù)混氣溫度急劇上升，其后預(yù)混氣溫度上升趨勢漸趨平緩。在1000s以后，預(yù)混氣溫度1min內(nèi)上升幅度小于0.1℃，可以認(rèn)為環(huán)形通道試驗(yàn)段組成的系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)熱平衡。穩(wěn)態(tài)下的預(yù)混氣溫度應(yīng)與工況一一對應(yīng)，反映的是該工況下未燃預(yù)混氣被預(yù)熱的程度。常溫常壓下，當(dāng)環(huán)形通道試驗(yàn)段組成的系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)熱平衡時（即預(yù)混氣溫度1min內(nèi)上升幅度小于0.1℃），當(dāng)量比為1的預(yù)混氣溫度與預(yù)混氣流量的對應(yīng)關(guān)系如圖7所示，穩(wěn)態(tài)預(yù)混氣溫度隨預(yù)混氣質(zhì)量流量的增加先上升后下降。上升段的預(yù)混氣質(zhì)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(tài)對應(yīng)多孔介質(zhì)表面火焰；下降段的預(yù)混氣質(zhì)量流量范圍為0.055g/s以后，對應(yīng)的火焰形態(tài)為環(huán)形通道推舉火焰。其它當(dāng)量比下的最高穩(wěn)態(tài)預(yù)混氣溫度以及對應(yīng)的流量，如圖8所示，在當(dāng)量比0.9的時候，穩(wěn)態(tài)預(yù)混氣溫度達(dá)到峰值。在多孔介質(zhì)表面火焰區(qū)域，由于火焰高度較低，預(yù)混氣燃燒釋熱被充分地用于預(yù)熱預(yù)混氣，因此預(yù)混氣流量越大，穩(wěn)態(tài)預(yù)混氣溫度越高；在環(huán)形通道推舉火焰區(qū)域，火焰高度明顯爬升，被預(yù)混氣吸收的燃燒釋熱降低，此時，預(yù)混氣流量的增大成為穩(wěn)態(tài)預(yù)混氣溫度降低的原因。由于從多孔介質(zhì)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(wěn)態(tài)預(yù)混氣溫度從上升到下降的預(yù)混氣流量轉(zhuǎn)折點(diǎn)作為該當(dāng)量比下多孔介質(zhì)表面火焰的流量邊界點(diǎn)，這樣的表面火焰邊界定量判據(jù)可以避免人為因素的影響。

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

4結(jié)論

（1）在一定的預(yù)混氣當(dāng)量比和流量范圍內(nèi)，環(huán)形通道內(nèi)能形成穩(wěn)定火焰。預(yù)混氣流量較小時，多孔介質(zhì)表面火焰形成，隨著流量的逐步增大，多孔介質(zhì)表面火焰漸漸衍變成推舉火焰。與推舉火焰相比，多孔介質(zhì)表面火焰更適合于在微小型燃燒室內(nèi)組織燃燒。（2）穩(wěn)態(tài)條件下，保持預(yù)混氣當(dāng)量比一定，預(yù)混氣溫度是預(yù)混氣流量的單值函數(shù)。隨著預(yù)混氣流量的逐漸增大，預(yù)混氣溫度先升高后下降。預(yù)混氣溫度升高對應(yīng)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(yīng)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(wěn)態(tài)預(yù)混氣溫度從上升到下降的流量轉(zhuǎn)折點(diǎn)作為多孔介質(zhì)表面火焰流量邊界的定量判據(jù)。（3）對于多孔介質(zhì)表面火焰流量邊界而言，在當(dāng)量比小于1.0時，隨著當(dāng)量比的增大，表面火焰流量邊界變寬；在當(dāng)量比大于1.0時，隨著當(dāng)量比的增大，多孔介質(zhì)表面火焰流量邊界變窄。對于多孔介質(zhì)表面火焰雷諾數(shù)邊界而言，隨著當(dāng)量比的增大，雷諾數(shù)邊界逐漸變寬。下一步擬對不同燃料的表面火焰邊界進(jìn)行研究，并增加環(huán)形通道和火焰面的測溫點(diǎn)，進(jìn)行環(huán)形通道的熱平衡分析，以獲得燃燒釋熱各個部分（如預(yù)熱預(yù)混氣的熱量、向大氣的散熱以及試驗(yàn)件導(dǎo)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(xué) 能源與動力工程學(xué)院 航空發(fā)動機(jī)氣動熱力國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

  本文關(guān)鍵詞：推進(jìn)技術(shù)雜志，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。