层流预混火焰传播速度的探究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)

1 引言

燃烧的组织方式根据燃料与氧化剂在化学反应前的状态可以分为扩散燃烧、预混燃烧和部分预混燃烧，三种燃烧方式在生活、工业、能源等领域均有利用。其中预混燃烧是指在化学反应发生前,燃料与氧化剂已完全混合好的一种燃烧。此时,燃烧速度与油气混合程度无关,只取决于化学反应本身。

火焰传播是预混燃烧机理的基本问题之一，国内外对此开展了大量的研究。当可燃预混气静止时(如图1),火焰向四周传播,图中展示了不同时刻t1、t2和t3时的火焰锋面位置。火焰传播速度定义为火焰前锋沿法线朝新鲜预混气方向传播的速度,即:u0=dn/dt,其中,dn为火焰锋面在dt时间内沿法向移动的距离。[1]

图1 火焰传播及速度定义

图2 直管火焰

火焰传播速度是预混燃烧的重要参数之一,一般通过实验测量得到[2-6],常用的方法包括直管法和本生灯法。图2为直管内火焰锋面，当火焰传播速度u0等于气流速度u时,火焰锋面静止不动;当火焰传播速度u0大于气流速度u时,火焰锋面会向可燃预混气一侧移动,称为回火;当火焰传播速度u0小于气流速度u时,则火焰锋面会向已燃气侧移动直至在管口吹熄[1]。本生灯火焰结构如图3所示,火焰在管口稳定需要满足u0=usinθ。[7]

图3 本生灯火焰结构

根据预混气的流态是层流还是湍流,火焰分为层流和湍流火焰两类,对应的传播速度也称为层流或湍流火焰传播速度。层流和湍流火焰从现象上看存在较明显的差异,前者火焰面光滑、厚度薄;而湍流预混火焰则粗糙折皱,长度变短,厚度增加。尽管如此,从内在的微观特征上看,湍流火焰本质上仍是层流火焰,在任意一个微小流团内,火焰的特征都是一样的。一般地,当管内流动雷诺数不大于2300时,管内处于层流流动[1][8]。

综上所述,可以通过驻定火焰,根据当地的气流速度和火焰锋面的形状,计算得到火焰传播速度。本文以此为出发点,采用水平玻璃管,以液化石油气为燃料,以空气为氧化剂,通过数码相机记录玻璃管口火焰形状及位置,由此计算层流预混火焰传播速度。

2 实验装置和参数

2.1 实验装置

实验装置如图4所示,主要由燃料气罐、空气气罐、管路、阀门、浮子流量计、玻璃管和相机组成。玻璃管长度大约为1m,内径为d=13.6mm。空气和液化石油气分别经过各自的阀门和浮子流量计进入混合管段,掺混后形成预混气进入玻璃管内。通过调整预混气的流量和空气/燃料比例等参数,可以在玻璃管出口形成驻定的预混火焰，利用相机记录该过程中火焰结构的变化情况。

图4 实验装置示意图

2.2 实验参数

实验中,环境温度大约为20℃,大气压为1atm,空气密度为1.20kg/m3,液化石油气密度为2.35kg/m3。

对应的燃料与空气的比值为0.06371，实际的燃料氧气比与化学恰当燃料氧气比的比值称为当量比φ，φ<1表示贫燃料燃烧，φ>1表示富燃料燃烧，φ=1表示恰当燃烧。

空气流量与液化石油气流量决定了玻璃管内气流的速度、流场特征和预混气的油气比，实验中空气流量变化范围从0.29m3/h到0.88m3/h，燃料(液化石油气)流量变化范围为0.06L/min至0.4L/min，具体变化数值及玻璃管中预混气速度与当量比如表1所示。

表1

3 实验结果与分析

图5 管口火焰结构随当量比φ的变化

以此类推,可以计算得到其他当量比φ的火焰传播速度,数值如表2所示,可知各当量比下火焰传播速度均小于0.3m/s,这也与碳氢燃料与空气预混的层流火焰传播速度很少超过0.4m/s的研究结论一致。[1]

图6 锥形火焰传播速度计算模型

ϕ0.510.881.151.481.75u0(m/s)0.1900.2360.230.1290.092

图7是层流预混火焰传播速度u0随当量比变化曲线，由图可知:随着当量比φ的增加,火焰传播速度u0先增加后减小,约在当量比φ=1.0左右时达到最大值。由此说明,在化学恰当比燃烧时,火焰传播速度最大;而在贫燃料或富燃料燃烧时,火焰传播速度降低。这主要是因为在化学恰当比燃烧时,反应物完全反应,燃烧释放的热量大,火焰温度高,有利于热量迅速从火焰传递至未燃预混气,使得新鲜预混气迅速进入火焰的反应区,从而提高火焰传播速度。

图7 层流预混火焰传播速度随当量比变化曲线

4 结论

笔者利用水平放置的石英玻璃管,对液化石油气与空气的预混气,开展不同当量比和气流速度下火焰传播特征的实验研究，通过分析获得的主要结论如下。

(1) 计算得到的层流预混火焰传播速度均小于0.4m/s,表明火焰传播速度简化计算模型合理;

(2) 火焰传播速度与预混气的当量比有关。随着当量比增加,火焰传播速度先增大后减小;

(3) 气流的速度及预混气的当量比变化影响着火焰传播及火焰锋面形状。

参考文献：

[1] 何小民,张净玉,李建中.航空发动机燃烧室原理[M].北京:北京航空航天大学出版社,2015.

[2] 胡贤忠,于庆波,秦勤,等.CH4/O2/CO2层流预混火焰传播速度实验研究[J].东北大学学报(自然科学版),2013,34(11):1593-1596.

[3] 高静,王恒,苏庆泉,等.层流预混火焰传播速度与火焰稳定传播界限的测定[J].工业加热,2009,38(1):14-17.

[4] 张艳春,喻健良,丁信伟,等.层流预混火焰传播特性概述[J].化工装备技术,2003,24(2):56-60.

[5] 李鹏飞,费立群,金仁瀚,等.高密度烃层流火焰传播速度试验研究[J].推进技术,2015,36(8):1193-1198.

[6] 马增益,李月宁,罗娅,等.应用图像处理技术进行预混层流火焰传播速度的在线测量[J].燃烧科学与技术,2004,10(6):526-528.

[7] 徐旭常,吕俊复,张海.燃烧理论与燃烧设备[M].北京:科学出版社,2012.

[8] 梁德旺.流体力学基础[M].北京:航空工业出版社,1998.