两相扩散火焰结构探讨
2017-09-26何朔然魏杰立李明玉
何朔然,魏杰立,李明玉,陈 锋
(1.南京师范大学附属中学，江苏 南京 210003； 2.南京航空航天大学 能源与动力学院，江苏 南京 210016)
两相扩散火焰结构探讨
何朔然1,魏杰立2,李明玉2,陈 锋1
(1.南京师范大学附属中学，江苏 南京 210003； 2.南京航空航天大学 能源与动力学院，江苏 南京 210016)
利用鼓风式煤油喷灯，开展了不同空气射流流量下的两相扩散火焰结构的试验研究. 采用工业相机及红外热像仪对稳定燃烧状态下的火焰参数进行了测量，获得了射流扩散火焰形状、高度和火焰温度随射流流量的变化规律. 结果表明，射流扩散火焰呈现下小中间大上面小的形状，在顶端会出现分层或分叉现象；且随着射流流量的增加，火焰面呈现由光滑向褶皱再光滑的变化规律；火焰高度随着射流流量的增加，起初不断减小，直至基本保持不变，流量增大至180 L/h时，出现了熄火；火焰最高温度随着空气射流流量的增加先升高后降低.
两相射流扩散火焰；火焰结构；火焰温度；火焰高度
本文研究源于南京师范大学附属中学的研究性学习课程，该课程由学生根据兴趣自行选题，旨在培养和训练学生发现问题、提出问题、多元研究问题、分析解决问题的创造性思维能力. 本文以“火焰及燃烧反应的探究”为题目开展了研究探讨，在教师的指导下，经历了调研、开题答辩、中期辅导、报告撰写以及结题答辩等阶段，实验工作在南京航空航天大学燃烧传热实验室开展，共进行了3次实验，整个过程历时1年半的时间. 笔者在这个过程中，不仅对流动、火焰及燃烧的一些基本知识和特性有了了解，也为提高统筹规划、理论和实际结合的能力，以及形成严谨踏实的科学思想提供了极大的帮助.
1 扩散燃烧
扩散燃烧在生活、工业、能源利用、火灾防治及环境保护等方面都有广泛的应用，目前绝大多数的燃烧设备，包括锅炉、燃气轮机燃烧室等都采用了扩散燃烧的组织方式.
扩散燃烧是指燃料和氧化剂未预先混合的燃烧方式. 在扩散火焰中，化学反应速率比由扩散引起的质量输运速率和由热传导产生的能量输运速率快得多，因而扩散燃烧速率主要取决于燃料和氧化剂之间的混合. 扩散燃烧的基本特点是火焰锋面的一侧为燃料，另一侧为氧气剂，两者在火焰面处混合燃烧.
图1 气态燃料射流扩散火焰结构
火焰结构是燃烧机理研究中的基本问题之一，包括了火焰面的位置、形状、尺寸和温度分布等. 国内外对扩散火焰的结构开展了大量的研究[1-7]，图1为气态燃料扩散火焰的典型结构，图中气态燃料从燃烧器出口流出，与周围空气进行掺混后燃烧. 从燃烧器出口沿轴向上，火焰面直径先变大，然后逐步变小并收缩至尖顶，整体呈现鼓形和圆锥结合的形状. 燃料从燃烧器出口流出后，逐渐向火焰面扩散，并在火焰面处与外界空气混合燃烧，因而在火焰面处燃料和氧化剂的浓度都为零，向外氧气浓度逐步增加，在一定距离后达到空气中的氧气浓度(21%体积分数)，并保持不变，向内燃料浓度逐步增加，到射流核心区(图中中心部分的三角形)后达到最大(100%). 燃烧产物主要在火焰面处产生，因此其浓度最大，向内向外都逐步下降. 从温度看，火焰面处是化学反应最剧烈处，因而火焰面处温度最高，向内外两侧逐步下降.
图2为不同射流速度下射流扩散火焰高度和几何外形的变化情况. 由图2可见，随着燃料射流速度的增加，火焰长度先增大后减小，到一定射流速度后，基本保持不变. 射流速度较低时，火焰面光滑、稳定；继续增大射流速度，流动从层流转变为湍流，火焰顶部开始出现颤抖、褶皱. 油气在湍流扩散作用下混合加快，提高了燃烧速率，火焰缩短. 进一步增大射流速度，褶皱、破裂的初始点(转捩点)向喷口移动，直到靠近喷口. 此时火焰达到完全湍流状态，此后，再增大射流速度，火焰高度趋于定值.
图2 射流扩散火焰随射流速度的变化
除此之外，学者们也对扩散火焰的熄火、效率等特性进行了详细研究，得到了相关性能与气动、结构参量间的变化关系. 这些研究都为深入理解扩散火焰的内在机理和发展高性能扩散燃烧技术奠定了理论基础.
但目前关于扩散火焰结构和特性的结果大都是基于气态燃料获得，气态燃烧与两相燃烧有较大的区别，因而两者的火焰结构和燃烧特点也会有所不同，理论上的不足显然会影响到目前两相燃烧系统的燃烧组织和性能优化.
在此基础上，本文利用鼓风式煤油喷灯，以航空煤油为燃料、空气为氧化剂，详细开展不同空气射流流量下扩散火焰的形状、高度和温度场等的研究，以获得两相扩散火焰的基本结构.
2 实验模型、系统和参量
2.1鼓风式煤油喷灯
鼓风式煤油喷灯模型及几何参量如图 3所示. 喷灯主要由射流管、风管、灯芯、灯体及底座组成. 空气从射流管出来后先流入风管，然后再流出，其中射流孔直径为0.81 mm. 液态航空煤油从底端供入，通过灯芯上行至端面，圆环形灯芯内直径为13.5 mm，外直径为36 mm. 在中间射流空气的引射作用下，从灯芯带出煤油，与空气射流及外界环境空气进行混合，从灯芯引射出来的煤油包括了已蒸发的煤油蒸汽和液态煤油微粒.
图3 煤油喷灯结构示意图
空气作为燃烧的氧化剂，由射流管喷出后，形成自由射流，其流场的基本特征如图4所示(图中箭头代表当地速度大小和方向)，整个射流流场主要由3段组成：起始段、过渡段和主体段[8]. 射流以速度u0从喷口流出后，由于周围速度较低的空气的拖拽作用，使得射流外围的速度降低，形成了图中所示的混合区；而中心速度不受影响保持u0不变，形成了核心区；随着距离的增加， 外界低速
图4 自由射流流场基本结构
空气的影响区域越来越大，即混合区不断变大，核心区逐渐减小直到消失，起始段结束. 下面一段是过渡段，此时射流轴心线上的速度开始减小，到一定距离后，内外气流间充分混合，射流速度大小和分布不再变化，则射流流动从过渡段转入主体段. 可见，随着射流的不断引射、发展，射流中心速度逐渐减小，射流区域逐渐增大.
2.2实验系统
实验系统如图5和图6所示，整个系统由鼓风式煤油喷灯、分液漏斗、空气压缩机、阀门、导管、浮子流量计、温度显示仪、红外热像仪、工业相机和计算机等组成. 空气射流由空气压缩机提供，经减压阀、浮子流量计及输气管进入鼓风式煤油喷灯的射流管，流量由浮子流量计测量，流量计的精度等级为2.5级，量程为200 L/h. 航空煤油由分液漏斗经导管进入煤油喷灯，每次测量前保持导管内液面与喷灯的高度一致，这可以保证各种工况时分液漏斗的导管到灯芯处的压差相同.
图5 实验系统图
图6 实验系统实物照片
基于图像法研究火焰是常用的研究方法[9-10]，文中射流扩散火焰的光学图像及温度图像分别由工业相机和红外热像仪拍摄. 工业相机的分辨率为1 024×1 024像素，红外热像仪为Researc-3N型全数字动态红外热像仪，测温范围-253～1 273 K，温度分辨率为0.1 ℃，空间分辨率为1.9 mrad[11].
在实验系统中安装了K型温差电偶，固定在三维坐标架上，可通过三维坐标架的刻度确定测量点的空间坐标. 温差电偶丝的材料为镍铬-镍硅，测温范围为0～1 300 ℃，Ⅱ级精度(±0.75%t). 温差电偶测点布置在靠近火焰根部的位置，另一端连接温度显示仪(可以对环境温度进行自动补偿). 实验中，在采用红外热像仪拍摄温度场的同时，也用温差电偶测量指定参考点的温度. 在数据处理时，根据参考点的温差电偶测得的温度，对红外热像仪测得的温度分布进行校准.
2.3实验参量
液态燃料采用RP-3航空煤油，航空煤油为各种烷烃、烯烃及苯类有机物组成的混合物，根据所含C和H的含量可以采用C12H23来表示. 其与氧气的化学反应方程式为
当燃油与氧气的质量比(油气比)f=167/568=0.294(对应的燃油与空气比为0.067 6)时，发生完全化学反应，该油气状态也称为化学恰当状态，对应的燃油和氧气(或空气)的比值记为化学恰当比fs. 当f
空气射流流量是研究中的重要参量，不仅会改变流场特性、射流速度，影响油气混合强度和燃烧驻留时间，而且也直接影响射流对燃料的引射效果，改变油气比f的大小. 实验中空气射流流量的变化范围从0 L/h变到180 L/h，具体的变化数值及对应的射流出口速度和雷诺数如表1所示，表中流量为标准状态下的体积流量.
表1 空气射流流量试验工况
3 实验结果分析
实验中，开展表1所示的10组工况的研究，其中工况1～9都能成功点燃并稳定燃烧；第10组工况时，煤油喷灯无法稳定燃烧，出现了熄火现象，主要是因为流体速度过高后，油气来不及混合，停留时间也不足以使之着火或充分燃烧. 因此，主要针对工况1～9进行分析.
3.1两相扩散火焰形状分析
图7示出了工况1～9的火焰形状照片.
图7 不同工况下的火焰形状
3.1.1 有空气射流的情况
射流流量不为零时(工况2～9)，火焰形状总体相同，沿轴向往上，火焰直径先增加到一最大值，然后减小，到最高点时收缩为尖顶. 实验中还发现，射流流量增大，火焰颜色由黄色逐步向蓝色变化，产生的碳黑减少.
空气从煤油喷灯的风管出来后，形成了如图4所示的自由射流流场，灯芯中的煤油蒸汽被引射带入混合区，与其中的空气进行混合，一旦达到合适的油气比，就着火燃烧. 在射流管出口处，混合区小，油气混合的量相对也少，可燃区域就小；向上，随着混合区区域面积的扩大，油气混合的量增加，燃烧的范围也随之扩大；再向上，由于大部分煤油都已被烧完，可燃的范围又相应地变小. 另外，由于中间的流速快，灯芯内侧的煤油会被射流带得更高，再加上随着火焰高度的增加煤油越来越少，使得上端的火焰会逐步收缩至尖顶.
由图7还可看出，从工况2到工况9，火焰面由光滑变为皱褶再变为光滑，这种变化主要与射流的流态有关. 雷诺数较小时(如工况2)，流动处于层流，流动分层且表面光滑；雷诺数变大后，层流向湍流转变，流场内部会出现大量的微小漩涡. 雷诺数较小时(如工况4～6)，这些小漩涡的时均特征在各个方向和区域是不均匀的，宏观上体现出各区域的流场形状变得不规则，称为从层流向湍流的过渡态；雷诺数继续增加，微小漩涡在各个方向的时均特征变得相同，流动处于完全湍流的状态，流场形状在宏观上重新变成规则和光滑.
本研究中，燃油的运动主要依赖于空气射流的引射带动，因而燃油的流动特性和油气分布规律也就与流场结构相匹配，即有什么样的流场就会体现出对应的油气分布特征，既而出现对应的火焰面. 燃烧区域出现分层现象可能与下面2个因素有关：一是相比于气态燃料，煤油不易快速燃烧完全；二是液态煤油微粒受热蒸发成煤油蒸汽，与空气混合后产生二次燃烧. 火焰颜色和碳黑主要与混合均匀程度及富燃料区域有关，射流流量越大，流速越高，特别是进入湍流状态，油气混合越均匀，富燃料区域变少，燃烧变得更充分，碳黑不易产生.
3.1.2 没有空气射流的情况(工况1)
工况1(空气射流流量为0)的火焰形状与有射流流量的工况有较大的区别：火焰表面光滑，没有出现明显的褶皱. 火焰在轴向上并不竖直，中上部出现了明显的弯曲和分叉、分层现象. 沿轴向往上，火焰底部的直径最大(图7中标出的直径为32.5 mm)，然后逐渐减小，到一定高度时基本保持不变. 实验中整个火焰呈现橙黄色，并伴随有大量的炭黑形成.
产生上述形状和现象的原因可能是：由于工况1的空气射流流量为0，从灯芯出来的煤油蒸汽主要与外部环境空气进行混合，因而在底部处外围先着火，火焰面的直径也最大，然后内侧的煤油蒸汽再逐步与外界空气混合着火，火焰直径有所减小；同时由于油气自由混合的速度慢、强度低，化学反应速率和燃烧速率都小，使得火焰会拖得很长，对于特定流向截面处的燃烧而言，包含当地的新鲜混合气和从下部流过来的已燃气两部分，这两部分的相互作用以及油气混合不均匀导致了火焰形状的弯曲、分叉和分层现象. 除此外，燃烧速度较慢、少量液态煤油微粒受热蒸发后的二次燃烧，也是造成顶端火焰分叉和分层的重要原因. 此外无射流情况下，油气混合气偏向富燃料，燃烧时更易产生碳黑，而碳黑的二次燃烧也会加剧燃烧的不均匀性.
3.2射流扩散火焰高度
图7中火焰照片左侧的标尺是实验中与火焰同时拍摄的，可以从标尺中读出火焰的高度，如图 8所示，横坐标为空气射流流量，纵坐标为扩散火焰高度. 由图8可见，通入空气射流后，随着射流流量的增加，火焰高度先减小(工况2～6)，然后基本保持不变(工况7～9)，火焰高度的最大差距接近9 cm.
图8 火焰高度随射流流量变化图
如前所述，随着空气射流流量的增加，出口速度和射流雷诺数Re变大，相应地提高了射流的湍流强度，引射掺混增强，油气混合速度加快，提高了化学反应速率和火焰传播速度，促进了充分燃烧，有利于缩短火焰高度；但同时，射流速度越快，相同时间内流体流过的距离就越长，这反过来会增加火焰的高度；另外射流雷诺数增大到一定程度后，油气混合强度以及冷热气流间的热量和质量交换程度处于较高水平，继续提高雷诺数带来的促进燃烧的作用有所减弱， 火焰高度将变化不大. 3方面的共同作用，使得扩散火焰高度呈现先增大后减小最后保持不变.
3.3射流扩散火焰的温度分布
图9所示为红外热像仪测得的工况1～9的温度分布图，背景采用黑色处理，左侧色标为温度值.
由图9可见，随着射流流量的增加，射流火焰的最高温度呈现先升高后降低的趋势，最高温度出现在工况6～8，达到1 200 ℃左右；而无空气射流流量工况(工况1)的火焰温度最低，中心最高温度仅600 ℃. 此外，从图9中温度分布对比可以看出，除了工况1以外，其余工况都是中间靠近喷灯出口的部分温度高，火焰外围和上半部分温度低，射流流量越大，这种现象越明显，且中心高温区的轴向长度越短.
在没有空气射流的情况下，火焰区域内的煤油蒸汽与空气的掺混主要由自由扩散主导，掺混速度慢，此时油气处于富油状态，火焰温度低；在射流流量较小的工况，随着射流流量的增加，混气掺混强度增加，化学反应速度和火焰传播速度提高，燃烧快且充分，火焰温度不断升高，高温区的轴向高度不断缩短；但随着射流量的进一步增大(如工况9)，射流速度过大，油气混合不充分，蒸发的煤油蒸汽也没有足够的时间充分燃烧即被高速射流带走，导致火焰温度有所降低.
图9 不同工况下火焰温度云图
4 结 论
本文以鼓风式煤油喷灯为对象，开展了不同空气射流流量下两相射流扩散火焰结构的实验研究. 通过分析获得如下主要结论：
1)有空气射流时，射流扩散火焰的形状呈现下小中间大上端再变小的形状，射流流量越小，其规整性越差. 相比于气态燃料，煤油微粒的蒸发和燃烧速度慢，以及二次燃烧带来了火焰的分叉或分层现象，射流流量越小，这种现象越明显，特别是在无射流时. 同时随着射流流量的增加，火焰面由光滑向褶皱再光滑的趋势变化.
2)射流火焰高度随射流流量的增加逐渐减小，到射流流量变至120 L/h(Re=3 512.7)后，高度基本保持不变.
3)射流扩散火焰的火焰温度随射流流量的增加先升高后降低，核心高温区随射流流量增大不断缩短.
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[责任编辑：郭 伟]
Experimentalstudyonthestructureoftwo-phasediffusionflame
HE Shuo-ran1, WEI Jie-li2, LI Ming-yu2, CHEN Feng1
(1. High School Affiliated To Nanjing Normal University, Nanjing 210003, China; 2. College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)
An experiment was conducted to study the effects of jet mass flow rate on the shape of two-phase diffusion flame based on the kerosene blast burner. The structures, heights and temperature of the flame with different jet flow rates were obtained by measuring the steady combustion flame using an industrial camera and an infrared camera. The results showed that the width of the bottom and top of the flame was smaller than that of the middle section. In addition, sometimes there existed stratification or bifurcation on the top of the flame. As the jet flow rate increased, the flame changed from a smooth one to a wrinkling one and finally returned to a smooth state. The height of the flame decreased and eventually remained constant as increasing the jet flow rate. Flameout was observed when the flow rate was 180 L/h. The maximum temperature of flame increased first and reduced later with the increase of the jet flow rate.
two-phase jet diffusion flame; flame structure; flame temperature; flame height
2017-03-18
何朔然(2000-)，男，浙江义乌人，南京师范大学附属中学严济慈班学生.
指导教师：陈 锋(1969-)，男，江苏南京人，南京师范大学附属中学高级教师，学士，从事高中物理教学工作.
TK16;O643.21
：A
：1005-4642(2017)09-0049-06
