高温预混气体火焰传播速度研究*

范周琴,刘卫东,孙明波

(国防科学技术大学航天与材料工程学院,长沙 410073)

0 引言

利用主动或被动的方式在流场中形成低速回流区以使火焰稳定的方法是高速气流中普遍的火焰稳定措施,关于利用回流区稳定火焰的机理,目前尚未有统一完整的理论[1]。传统上认为是回流区点火机制,即新鲜预混气从低速高温回流区吸收热量,经过点火延迟时间后达到着火温度实现自点火。最近的实验表明[2]可能存在triple flame[3]稳焰机制,即低速高温回流区内预混气燃烧产生的火焰传播速度与回流区和主流交界的剪切层流动速度相配合,从而在回流区内形成稳定的火焰锋面及向下游发展的扩散火焰面。由于超声速来流条件下回流区具有高温高湍流度的特点,且回流区边缘的流动速度可达百米/秒量级,而传统常温下火焰传播速度均低于该水平,因此有必要对高温、高湍流度下湍流火焰传播速度ST开展研究,从理论上说明回流区剪切层存在火焰锋的可能性。

鉴于用实验方法精确测定ST的困难性,文中采用数值方法计算高温条件下ST的值及变化规律。首先计算常温下层流火焰传播速度SL,然后研究高温下SL变化规律,最后计算高温下ST随不同脉动速度u′和SL的变化。研究结果将扩展火焰传播速度数据库,使得数据库范围由常温条件增至高温条件;而且给出高温下SL和ST的定量值,为以后的实验研究和理论分析提供参考和依据。

1 常温下层流火焰传播速度

为验证计算软件和化学反应动力学机理的合理性,首先计算P=0.1MPa,T=298K条件下三种燃料的SL随当量比变化规律。计算结果由图1给出,通过与实验结果[4]对比,发现两者符合很好。说明采用的软件和化学动力学模型(氢气燃烧选用九组分十九方程模型,甲烷、乙烯燃烧选用GRI3.0机理)能很好的预测预混气层流火焰传播速度;另外也为高温下SL和ST的准确计算提供了保证。乙烯的计算结果与实验略有差异,这主要与采用的GRI3.0反应机理有关。

图1 P=0.1MPa,T=298K时SL随当量比变化

2 高温下层流火焰传播速度

实验和理论分析均表明,层流火焰传播速度与预混气的初始物理状态有关,因此下面主要探讨层流火焰传播速度随预混气初始温度和初始压力的变化情况。

图2和图3分别给出了P=0.1MPa和1MPa时三种燃料在高温下的SL随当量比变化规律。可以发现:1)同一压力条件下,SL随预混气初始温度 Tu升高而增大;2)同一温度条件下,SL随预混气初始压力P升高而减小;3)同一温度、压力及当量比条件下,氢气的SL最大,甲烷的SL最小;4)SL最大值在 Φ=1附近。

文献[5]给出了火焰传播速度与初始压力和燃烧温度的变化关系式:

其中ν为化学反应级数。对式(1)进行分析可以发现:随着燃烧温度Tb升高,层流火焰传播速度SL增大;当反应级数ν＜2时,层流火焰传播速度SL随预混气初始压力P增大而减小。对应于文中情况,预混气初始温度Tu增高可以大大促进化学反应速度,从而使得燃烧温度Tb增加,进而使得SL增大;另外高温下自由基的浓度及其扩散量的增加也有助于火焰传播。一般的轻质碳氢燃料在空气中燃烧反应级数均小于2,因此SL随预混气初始压力增大P而减小。计算得到的SL随预混气初始温度、初始压力变化规律与经验公式一致,说明文中计算得到的高温下层流火焰传播速度是合理有效的,可以用于预测高温下湍流火焰传播速度的大小及变化规律。

3 高温下湍流火焰传播速度

目前湍流火焰传播的理论很不成熟,尤其对高温条件下湍流火焰传播速度研究的就更少。已有经验和实验数据表明[1]:脉动速度u′和层流火焰传播速度SL是影响ST的两个重要的因素,所以文中将根据一些经验公式考察高温下ST的大小及其与湍流脉动速度u′和层流火焰传播速度SL的关系。现有经验公式都是各个研究者在一定实验条件下(如特定的可燃混合气性质、组成、温度、压力等)由实验结果拟合出来,均不具普适性。此处仅利用这些经验公式作定性分析,文中所用经验公式取自文献[1]和Pocheau的湍流火焰速度模型,分别由式(2)和式(3)给出。

图4、图5分别为根据式(2)和式(3)计算得到的ST分布,其中SL取P=0.1MPa,Φ=1时高温下的计算结果。由图4可以看出,ST随着u′和SL的增加而增大;且相对于层流火焰传播速度SL,ST要大得多,可以达到百米/秒量级。从图5可以看出,当湍流脉动速度较小时,ST随脉动速度u′和层流火焰传播速度SL的增加而增大;但当脉动速度u′约大于20m/s时,ST几乎与SL无关,仅随u′呈线性增长,这与“强湍流中u′对ST起着较重要影响”的结论[1]一致。图4和图5计算结果的差异主要来源于所用的经验公式的差别,但两者得到的高温下湍流火焰传播速度均可达到百米/秒量级。

超燃冲压发动机燃烧室内的低速回流区及剪切层一般处于超声速和亚声速交织的复杂流区,速度约为百米/秒量级。这和计算得到的湍流火焰传播速度量级相当,因此在回流区内很有可能存在火焰前锋始终驻留其中,不断点燃上游的部分预混气体,即存在triple flame火焰锋。

4 结论

文中研究了高温条件下氢气/空气、甲烷/空气及乙烯/空气三种预混气的层流火焰传播速度随当量比变化规律,发现层流火焰传播速度随预混气初始温度升高而增加,随初始压力增大而减小。在此基础上计算了高温下湍流火焰传播速度随湍流脉动速度的变化,发现湍流火焰传播速度随层流火焰传播速度和湍流脉动速度的增加而增加,且高温高湍流度情况下,湍流火焰传播速度可达数百米/秒,这从理论上说明了超声速燃烧复杂流区存在火焰锋的可能性。

[1]童正明,张松寿,周文铸.工程燃烧学[M].北京:中国计量出版社,2008.

[2]Law C K.Combustion physics[M].Cambridge University Press,2006.

[3]Micka Daniel J,James F.Dual-mode combustion of a jet in cross-flow with cavity flameholder.AIAA 2008-1062[R].2008.

[4]Norbert Peters,Bernd Rogg.Reduced kinetic mechanisms of application in combustion systems[M].Berlin:Springer-Verlag,1993.

[5]Xuesong Bai.Turbulent combustion[M].Lund:Lund Institute of Technology,2005.