低速过滤燃烧热斑不稳定性实验研究

陈 露，夏永放，李本文,3，史俊瑞，徐有宁

(1.东北大学 材料与冶金学院，辽宁 沈阳 110178； 2.沈阳工程学院 辽宁省洁净燃烧发电与供热技术实验室，辽宁 沈阳 110136； 3.大连理工大学 热能工程研究所，辽宁 大连 116024)



低速过滤燃烧热斑不稳定性实验研究

陈 露1，夏永放2，李本文1,3，史俊瑞2，徐有宁2

(1.东北大学 材料与冶金学院，辽宁 沈阳 110178； 2.沈阳工程学院 辽宁省洁净燃烧发电与供热技术实验室，辽宁 沈阳 110136； 3.大连理工大学 热能工程研究所，辽宁 大连 116024)

通过对多孔介质燃烧器内低速过滤燃烧胞状结构不稳定性的实验研究发现，在直径3.5 mm氧化铝小球堆积床内，出现在主燃烧波上游的胞状结构体对主燃烧波传播的稳定性起着支配作用。另外，通过分析比较局部热斑分布图发现，热斑不均匀地驻定在燃烧器内，而且堆积床内孔隙率对热斑影响显著，孔隙率小，热斑点多且其单个体积小；孔隙率大，热斑数量少且其单个体积大。

低速过滤燃烧；热斑稳定性；燃烧波传播；孔隙率

多孔介质燃烧具有低NOx和CO排放、高能流密度及调节范围广等优点，可以广泛应用于内燃机、低热值气体燃烧器、挥发性有机化合物氧化器及辐射供热器等[1]。因此，许多研究人员通过实验、数值计算及理论分析等手段研究发展多孔介质燃烧器技术[2-7]。

Weinberg[8]在初步研究中首次提出了超绝热燃烧或超焓燃烧的概念，通过理论研究表明：如果通过多孔介质回收部分反应化学热传给未燃反应物，燃烧温度高于理论绝热燃烧温度是可能的。Zhdanok等[9]研究了在惰性多孔介质燃烧器甲烷/空气预混气体过滤燃烧波的传播特性，通过理论分析得到了一个燃烧波传播速度与热波传播速度间的关系式，此关系式为化学反应热和热损失的一个函数，而且该函数关系式与实验结果正好相吻合。Henneke等[10]对堆积床内过滤燃烧传播特性做了数值模拟研究，计算结果表明：固相温度与文献[9]的实验结果正好相吻合。

然而，超绝热燃烧波在多孔介质燃烧器内传播的过程中，火焰面倾斜和热斑等不稳定现象经常发生。在实际应用中，由于这些不稳定现象的发生会影响到设备运行的稳定性。因此，近几十年来，该问题受到了许多研究人员的关注。

Saveliev等[11]通过实验研究了贫氢气/空气预混气体在氧化铝小球堆积床内的低速过滤燃烧多燃烧波结构，给出了过滤速度ug=1.3 m/s和氢气浓度体积YH2=6.8%实验工况的一张空间胞状结构体图像，基于孔驱动燃烧的热扩散不稳定框架，分析讨论了胞状结构体的机理，但没给出更低实验参数(μg和YH2)的实验结果，而且在分析过程中未考虑多孔介质孔隙率的影响。因此，有必要探明在更低的实验参数下热斑不稳定特性及多孔介质孔隙率对热斑的影响。Kakutkina[12]考虑了火焰面的曲率和倾斜角度，使用单温热模型进行理论分析，提出了曲波火焰面传播速度的一般表达式和热斑不稳定性发生的判定标准。Yang等[13]通过实验研究了甲烷/空气在惰性高孔隙微纤维介质填充不同管径石英管内的过滤燃烧特点，实验结果呈现出火焰面锚定效应及燃烧波劈裂现象，而用传统模拟方法无法解释这些现象。

因此，通过实验研究稀氢气/空气预混低速过滤燃烧波的传播过程，观测燃烧波的不稳定传播及胞状结构的不稳定性特点，分析胞状结构体对主燃烧波传播不稳定的影响，以及胞状结构体的演变特性。此外，为了确认预混气体过滤速度、氢气浓度及多孔介质孔隙率等参数对胞状结构不稳定性的影响，分析比较不同实验工况下胞状结构的形成及其堆积床内的分布特点。

1 实验过程

1.1 实验装置

实验装置系统如图1所示。低速过滤燃烧实验燃烧器为内径63 mm、长度600 mm的石英管，其内部由氧化铝小球填充，堆积床的高度为450 mm。为了研究堆积床孔隙率对胞状结构不稳定性的影响，实验中使用氧化铝小球的平均直径分别为3.5 mm和8.5 mm，其堆积床孔隙率分别约为0.39和0.45[14]。燃烧器外壁的保温材料为氧化铝微纤维，保温层厚度为40 mm。燃烧波传播过程图像使用FLUKE Ti32热像仪和OLYMPUS相机SZ-30MR同时进行采集。预混氢气/空气预混合物流量由电子流量控制器控制，标准大气压下其控制精度为4%。实验使用的燃料氢的纯度为99.998%。

图1 实验装置

1.2 实验过程

实验中过滤气体速度μg的范围为0.6 m/s～1.1 m/s,氢气浓度YH2的变化范围为4.0～7.5%。实验测温采用红外热像非接触式测温技术，测得燃烧器表面的高温区用来定性代表火焰形状，而且把捕捉到的中心温度的图像提取出来，对燃烧波的传播规律做定量分析。实验过程中每次捕捉图像时，热像仪和相机的位置不变，捕捉角度保持恒定，过滤燃烧波传播速度的数量级为10-4m/s，捕捉传播图像的时间间隔设定为3 min。

2 实验结果与讨论

2.1 燃烧波传播不稳定性

实验工况为d=3.5 mm、ug=0.6 m/s、YH2=6.0%时，火焰面不稳定性演变过程及热斑不稳定性现象如图2所示。初始时刻火焰面具有一个朝向左侧方向的倾斜角α，随着燃烧波传播的进行，在180 s后，当燃烧器上游开始出现热斑时，倾斜角不但没有增加，反而被抑制；在360 s后，火焰面完全变成平火焰面；在传播到540 s时，由于燃烧波上游出现更多的热斑形成胞状结构体，火焰面开始渐渐向右侧方向倾斜。然而，在接下来的传播过程中，倾斜角增长率(定义为倾斜角增长量随时间的变化率)的变化并不是太剧烈。由此表明，热斑组成的胞状结构体对主燃烧波的稳定性具有显著地支配作用。另外，当主燃烧波离开燃烧器后，胞状结构体燃烧波经过演变到4 320 s时，稳定而随机地驻定在燃烧器内，燃烧器壁面的最高温大约为125 ℃，低于超绝热燃烧波的温度，这是由于胞状结构体属于单个燃烧点的燃烧，不是连续的整体火焰面占据燃烧器截面，从而导致氢气不完全燃烧。因此，胞状结构体温度比超绝热燃烧波的温度低很多。

为了研究堆积床孔隙率对燃烧波传播不稳定性的影响，实验中还使用了平均直径为8.5 mm的氧化铝小球，其堆积床孔隙率为0.45。实验工况为d=8.5 mm、ug=0.6 m/s、YH2=5.0%时火焰面不稳定性的演变过程如图3所示。结果发现，虽然主燃烧波上游出现胞状结构，但是主燃烧波在传播过程中表现得比较稳定。与图2中的实验结果相比，图3中由于多孔介质孔隙率增大，燃烧波传播速度较快，高温区拉伸。主燃烧波离开燃烧器后，胞状结构体经过演变到2 880 s，不均匀地驻定在燃烧器内。与文献[11]结果进行比较可以发现，在更低的实验运行参数(ug=0.6 m/s、YH2=5.0%)和大孔隙率的影响下，热斑也会不稳定。

图2 实验工况为d=3.5mm、ug=0.6m/s、YH2=6.0%时火焰面不稳定性演变过程及热斑不稳定性

图3 实验工况d=8.5mm、ug=0.6m/s、YH2=5.0%时火焰面不稳定性演变过程及热斑不稳定性

为了定量分析燃烧波变化规律，与图3对应的燃烧器壁面中心的温度分布如图4所示。由于平均的高温区域扩大，温度波的峰值区域逐渐变得平缓，温度波峰值温度逐渐降低，在900 s～2 160 s传播时间段出现双波结构，整个传播过程形成温度波的衰减。导致衰减的原因可能有两点：一是燃烧器上游的热斑出现，一部分氢气被燃烧掉，主燃烧区氢气的释热量下降；二是多孔介质孔隙率大，加快了高温区热量传递速度，火焰面拉伸变长，高温区域扩大，从而加剧了温度波的衰减。

图4 燃烧器壁面中心的温度分布

实验工况为d=8.5 mm、ug=0.6 m/s、YH2=6.0%时火焰面不稳定性的演变过程如图5所示。与图3相比，高温区域依然扩大。而在燃烧器底部出现一个显著的胞状结构体燃烧区，形成与文献[11]结果类似的双波结构。

2.2 热斑特性

为了解胞状结构体的特点，图6给出了实验工况为d=3.5 mm,ug=0.5 m/s,YH2=6.5%时不同捕捉角度的热斑分布。由图6可以看出，胞状结构体由热斑组成，每个热斑可以看作是一个具有内热源的多孔介质，内热源项由该区的化学反应热提供。未燃的氢气/空气预混气体与热斑点区进行稳态的热值交换，未燃预混气流形成尾迹区包围热斑，稳定在燃烧器内部。从不同角度观测的结果表明，各个热斑在燃烧器内的分布是不均匀的，各热斑连结起来组成的胞状结构体不均匀地驻定在燃烧器内。

图5 实验工况为d=8.5 mm、ug=0.6 m/s、YH2=6.0%时火焰面不稳定性演变过程及热斑不稳定性

图6 实验工况为d=3.5 mm,ug=0.5 m/s,YH2=6.5%时不同捕捉角度热斑分布

2.3 孔隙率影响

实验工况为ug=0.6 m/s、YH2=6.0%时，氧化铝小球直径为3.5 mm的热斑分布如图7中的a图所示；氧化铝小球直径为8.5 mm的热斑分布如图7中的b图所示，堆积床孔隙率分别为0.39和0.45。从a、b两图的比较结果可以看出，孔隙率小的堆积床内热斑数量多，且体积小；而孔隙率大的堆积床内热斑分布数量少且为体积较大的块状结构。由此可见，孔隙率对热斑的形成和分布具有显著的影响。

图7 不同实验工况热斑分布

3 结 论

通过对稀氢气/空气低速过滤燃烧不稳定性实验研究，得出如下结论：

1)胞状结构体对主燃烧波传播的稳定性起着显著的支配作用；

2)直径为8.5 mm氧化铝小球堆积床内的过滤燃烧波衰减迅速；

3)未燃预混气体与热斑区进行稳态热质交换，各热斑点组成胞状结构体不均匀地驻定在燃烧器内；

4)堆积床孔隙率对热斑的产生影响显著，孔隙率小，热斑点多且单个体积小；孔隙率大，热斑数量少且单个体积大。

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[14]Mueller G E.Numerically packing spheres in cylinders[J].Powder Technology，2005,159:105-110.

(责任编辑 张 凯 校对 佟金锴)

Experimental Study of Hot-Spot Instability for Low-Velocity Filtration Combustion

CHEN Lu1,XIA Yong-fang2,LI Ben-wen1,3,SHI Jun-rui2,XU You-ning2

(1.School of Materials and Metallurgy,Northeastern University,Shenyang 110819,Liaoning Province; 2.Key Laboratory of Clean Combustion for Electricity Generation and Heat-supply Technology of Liaoning Province,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province; 3.School of Energy and Power Engineering,Institute of Thermal Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,Liaoning Province)

The hot-spot instability of low-velocity filtration combustion within inert porous media is studied experimentally.The main combustion wave stability is dominated by upstream cellular flame structure consisted of hot spots.Additionally,according to analysis of local hot-spot distribution,it can be found that,the hot spots non-uniformly stabilize in the burner,and the porosity of packed bed affects remarkably on the hot-spot characteristics.As the porosity of packed bed is small,an amount of hot spots is standing in packed bed,and a single hot-spot volume is small;conversely,the amount is less,and the hot-spot volume is bigger.

low-velocity filtration combustion;hot-spot instability;combustion wave propagation;porosity

2015-01-16

国家自然科学基金资助项目(No.51406123)，辽宁省教育厅资助项目(No.L2014529)

陈 露(1991-)，女，辽宁义县人，硕士研究生。

李本文(1965-)，男，湖南澧县人，教授，博士，博士生导师，主要从事辐射磁流体、多孔介质燃烧方面的研究。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.03.005

O643.2

A

1673-1603(2015)03-0213-06