同轴管甲烷逆流燃烧器中火焰结构与燃烧稳定性

黄景怀，李军伟，陈新建，魏志军，王宁飞



同轴管甲烷逆流燃烧器中火焰结构与燃烧稳定性

黄景怀，李军伟，陈新建，魏志军，王宁飞

(北京理工大学宇航学院，北京 100081)

用骨架反应机理对同轴管甲烷逆流燃烧器进行分析能够很好地了解火焰结构与燃烧器内的温度分布，并得到各处的火焰拉伸率及相关参数。随着空气流量(A)的增加，火焰形状由扁平型变化为弯曲型，并逐渐将内管管口包覆，火焰厚度逐渐减小。当量比(ER)较大时，火焰附近温度与物质的分布较为稀疏，而ER较小时，其分布较为紧密。内管壁面上热通量f随着的A增加而逐渐加强；总的传热量在A=2540 ml·min-1达到最大。当ER≥3.00时，火焰拉伸率开始时缓慢变化，在越过燃烧器内管边缘后快速增加，但最终不大于65 s-1。在ER<1.00时，火焰呈弯曲状，长度较长，值变化剧烈，最大可以达到638 s-1，并在火焰末端值变为负数，最小值为-262 s-1。

甲烷；数值模拟；传热；逆流；燃烧状态；火焰拉伸率

引 言

过去20年来，微机电系统与微动力装置在国防和经济等多个领域表现出非常广泛的应用前景，依托MEMS技术的纳卫星、微型飞行器等产品已经开始装备[1-3]。微尺度燃烧器能量质量密度能够达到10～1000 W·kg-1，远高于现今常用的锂离子电池[4]。微尺度燃烧反应空间小、热量损失比较大、火焰比较微弱等，其工作特性并不等同于宏观尺度下的燃烧特性[5-12]。

目前国内外研究人员提出了多种不同的方式对火焰进行稳定，并取得了一定的成果。如Miesse等[13]认为微尺度火焰的燃烧仍然是可行的，但需要对燃烧器壁面的材料与构型进行仔细的设计；为了提高火焰在微尺度燃烧器中的稳定性，Maruta等[14-15]选用了瑞士卷型燃烧器，研究表明，壁面上的热损失与吹熄都会对燃烧边界产生影响，同时催化剂的使用能够降低火焰温度。国内的研究人员在这方面也做了大量的工作，如曹彬等[16]研究了不同操作条件对微尺度化学反应器内氢气/空气催化燃烧的影响，结果表明即使在氢气的爆炸极限内，氢气/空气混合气也能够在微燃烧器内进行受控的安全燃烧；张力等[17]同样采用催化燃烧的方法，研究了甲烷预混气体在微型燃烧器中的燃烧状况，结果表明甲烷流量、空气过量系数以及壁面温度都对催化效率有一定的影响；万建龙等[18]研究了不同材料的钝体对于微尺度燃烧的影响，结果表明微型钝体燃烧器中火焰稳定性与流动和传热之间的相互作用非常密切。针对微尺度燃烧器的燃烧不稳定现象，Kim等[19-20]设计了一种同轴逆流非预混甲烷燃烧器，在这种燃烧器中，完成燃烧的燃气与未燃气体进行热交换。首先利用实验手段对该燃烧器进行了分析，测定了燃烧器的上下边界与温度分布，并对不同的熄火机理进行了分析，实验表明这种燃烧器能够获得比较高的燃烧效率与较宽的燃烧边界[19]。之后利用甲烷单步反应机理对该燃烧器进行了分析，了解到在HA(higher-air)边界上，火焰拉伸是熄火的主要因素，而在LA(lower-air)与LF(lower-fuel)边界上，热熄火则起主导作用，此外还利用数值分析方法分析了不同边界条件下(绝热壁面与非绝热壁面)燃烧器的工作状态[20]。他们认为，相比于敞开环境中的逆流燃烧器，细管中的逆流燃烧器其燃烧稳定性更好[19]，但是这种燃烧器的燃烧机理尚不完全清楚。

甲烷作为最简单的有机物，其燃烧特性非常独特，具有很高的着火温度和很低的火焰传播速度；研究人员对甲烷的燃烧化学反应也理解得非常深入。同时甲烷作为天然气与沼气的主要成分，在工业生产与日常生活方面具有非常重要的用途。单步反应机理简单，对计算资源要求不高，但是无法更加深入地了解火焰结构、反应机理等深层次问题。本文分析了Kim等的逆流甲烷燃烧器，在其实验研究的基础上，运用商业数值计算软件(Fluent 15.0)，对逆向流动中的甲烷射流在非预混燃烧器中的燃烧特性进行数值研究。在研究中引入了甲烷骨架燃烧反应机理，能够很好地了解各种中间产物的形成与演化，更加深入地对火焰进行研究，并从而更加深入地了解该燃烧器工作特性。本文研究目的在于更加全面地了解火焰结构，通过数值仿真得到燃烧器内的温度分布以及关键中间产物的分布情况，同时利用所得到的计算结果计算不同工况下的火焰拉伸率与火焰曲率，了解不同入口参数对火焰拉伸的影响。

1 物理模型与数值计算方法

图1为同轴逆流燃烧器物理模型。燃烧器由两同轴直管组成，内管为不锈钢管，外管为石英管，二者壁厚均为0.5 mm，装置结构尺寸如图所示。甲烷燃料由内管左端的燃料入口注入，而空气则由燃烧器右端的空气入口注入，燃烧后的高温燃气则由左端内外管之间的环形通道排出。本文中甲烷燃料流量F=120 ml·min-1，空气流量A随着工况而变化。

根据燃烧器的结构对称性，数值计算模型采用二维轴对称模型。计算采用基于压力的隐式求解器，由于所模拟的工况中Reynolds数均小于1600，故选用层流流动模型，数值仿真中所采用的控制方程包括连续方程、动量守恒方程、组分守恒方程、能量守恒方程、气体状态方程等[21]。忽略重力的影响。在网格划分上，模型采用结构化网格，网格尺寸0.1 mm，网格总数59500个。为改善收敛，计算过程中采用了较小的亚松弛因子。

为了解散热对燃烧稳定性的影响，燃烧器的外表面选用混合传热模型，固体壁面与外界空气的对流传热系数为20 W·m-2·K-1 [22]，外界环境温度300 K，不锈钢壁面与石英壁面的外部发射率分别取0.85与0.97，不锈钢管的热导率取16.27 W·m-1·K-1，石英的热导率为1.3 W·m-1·K-1[23]。在仿真计算中，忽略燃气的辐射。甲烷与空气的入口边界采用速度入口条件，出口则为压力出口条件，燃气与壁面采用非滑移壁面条件。

甲烷燃烧反应速率通过Arrhenius定律控制，反应机理选用了Smooke[24]开发的骨架反应机理。其中涉及15种组分(不包含N2)，35个化学反应，诸多研究人员利用该反应机理对甲烷燃烧反应进行了研究[25-27]。同时，本文还利用CHEMKIN对冲火焰模型对该机理进行了验证，得到了不同当量比下对冲火焰的温度分布。模型分别采用了骨架反应机理与GRI-mech机理。一般认为，GRI-mech反应机理能够准确地反映甲烷的化学反应进程，但是其基元反应过多，在使用上具有很大的局限性[28]。从图中可以看出，Smooke机理的计算结果与GRI-mech机理的结果吻合得很好。因此本文所采用的骨架反应机理能够有效地对甲烷/空气的燃烧反应进行模拟分析。

2 结果与讨论

表1为燃烧器中不同的工作状态，燃料流速(F)为120 ml·min-1，空气流速(A)随工作状态而改变，表中还显示了不同工况下，充分混合后的当量比(ER)、空气流速(air)与空气Reynolds数(air)。

表1 燃烧器工况 Table 1 Combustion cases of simulation

2.1 计算方法验证与火焰形态

本文以Kim等[19]建立的逆流甲烷燃烧器作为研究对象。根据其实验图像以及装置的壁面温度，将仿真得到的温度分布与实验结果进行了对比(图3)。从图中可以看出，仿真结果与实验图像吻合得很好。此外，本文还对比了F=150 ml·min-1，A为380 ml·min-1时燃烧器壁面上的温度分布，如图4所示。很显然，仿真计算能够很好地模拟燃烧状况。

图4 QF=150 ml·min-1时QA为380 ml·min-1外管壁面上实验[19]与仿真温度对比 Fig.4 Temperature profiles of experiment and simulation when QF=150 ml·min-1, QA = 380 ml·min-1

在逆流甲烷燃烧器中，入口空气与入口甲烷流动方向相反，完成燃烧后的燃气流动方向沿甲烷进气管外壁流动，能够对甲烷进行预热，提高反应前甲烷温度，从而提高燃烧稳定性。图3为燃烧器上的温度分布，可以看出，由于A的不同，火焰位置与火焰形态均有所变化。主要表现在，在A较小时(A≤381 ml·min-1)，火焰呈扁平状(flat-disk shape)，此时火焰位于内管出口正方向，且随着A的增加其形状也略有弯曲；而当A较大时(A＞ 381 ml·min-1)，火焰为弯曲状(curved shape)，覆盖在内管外壁并将内管出口包覆，且当A继续增加时，火焰的弯曲程度也更加显著。

2.2 边界条件对于燃烧状态的影响

通过对燃烧状态的进一步分析可以得到火焰形态的变化，图5显示了F=120 ml·min-1时，不同工况下火焰厚度、火焰长度、火焰位置以及火焰温度的变化，其中火焰厚度的计算方法由式(1)给出，b与u分别为完成燃烧的气体温度与未燃气体温度[29]。很显然，随着A的升高，反应区域被气体压缩得更小。完成燃烧后的混合气向轴负方向流动，并在流动的过程中逐渐消耗热量——部分热量通过外管壁传递到外界环境中，部分热量用于对内管中气体的加热。

在燃烧器中，OH的存在时间要比其他自由基要长[30]。在研究中常常利用OH云图来代表反应区域[31]。OH云图的脊线(ridge line)则定义为火焰面，脊线的长度即为火焰长度(flame distance)。与绝热火焰类似，在逆流燃烧器中，火焰温度变化也呈现先升高后降低的趋势，且在当量比ER=1.00时(Case 5)达到最高。在相同的F下，A的增加也会改变火焰的位置，图5中的火焰位置(flame distance)表示了火焰面与燃烧器轴线的交点距离内管出口的长度。从图5中还可以看出，A的增加使得火焰长度逐渐增加，而当ER=1.00时火焰长度达到了最大，出现了较长的拖尾，在某些情况下拖尾甚至能够延伸至燃烧器出口位置；而随着A继续增加，火焰长度逐渐下降。

图6为各个状态下燃烧器中不同中间产物质量分数的最大值的变化。在A较小时，OH质量分数最大值迅速由0.15%变化至0.53%（190～1143 ml·min-1），即当ER=1.00时，OH峰值达到最大，继续增加，OH浓度逐渐降低。HO2在反应进程中是OH的主要来源之一，其变化趋势与OH的变化趋势大体相反。H、HCO以及CH2O是CH4燃烧过程中的重要参与者，其中H参与了大部分化学反应，而HCO与CH2O则是CH4转化为CO2的反应链的组成部分，这三者的变化则呈现了随着Q的增加逐渐增大的趋势，反映了化学反应的剧烈程度在逐渐提高。

图7为ER=3.00(Case 4)与0.45(Case 6)时火焰附近的火焰结构。从图中可以看出，ER较小时，由于A较大，温度分布较为紧密，火焰显得更加紧凑。CH4与O2在火焰附近被快速消耗掉，其中CH4在依次转化为CH3、CH2O、HCO、CO后最终转化为CO2；CO2与H2O的分布则较为接近，这两种物质都是CH4完全燃烧的产物，但CO2还会通过逆反应生成CO。而即使是在ER=3.00时，火焰附近的CO的分布也较少，可以认为CO更多在其他区域由CO2转化而来。由图中还可以看出，OH的分布与温度的变化较为吻合，HO2更多位于靠近O2方向，而HO2正是在H的参与下由O2转化而来，进而转化为OH。