小尺度燃烧器壁面热性能对火焰稳定性的影响

康 鑫，邓友程，范爱武



小尺度燃烧器壁面热性能对火焰稳定性的影响

康 鑫1, 2，邓友程2，范爱武3

(1. 武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070；2. 武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉 430063； 3. 华中科技大学能源与动力工程学院，武汉 430074)

从调整小型燃烧器壁面热性能的角度出发，对改善其稳燃性能进行了研究，共进行了两个实验．第1个实验采用多孔介质燃烧技术，比较研究了不同导热率的壁面材料(硅与石英)对燃烧器稳燃性的影响．结果发现，尽管两种材料燃烧器有着相同的低速极限，但是高导热率的硅燃烧器比石英燃烧器有着更大的高速极限，使火焰能够稳定在多孔介质材料上而不被吹出．第2个实验探索了各向异性材料热解石墨燃烧器的性能，作为对比，对各向同性的不锈钢316常规材料燃烧器也进行了研究．由于壁面被增强的流向导热及被减弱的法向热损失，热解石墨与各向同性的不锈钢相比，稳燃极限扩大，有着更大的稳燃区间．

微尺度燃烧；稳燃极限；多孔介质燃烧；各向热异性材料

氢气和烃类化合物在微小尺度下的燃烧有着广泛的应用前景，例如便携式能量系统和微型火箭推进器．与传统的电化学电池相比，小尺度燃烧具有极高的能量密度(两个数量级以上)、立即的可再充性(只需更换燃料元件盒)，良好的环保性能(没有废弃物的处理问题)[1]．另一方面，微小尺度的燃烧器在未来的应用也面临着技术挑战．最显著的问题是燃烧器尺寸缩小带来的被放大的表面热损失效应，以及被缩短的流动迟滞时间．这些问题可能导致火焰燃烧不稳定，甚至导致火焰的熄灭[2]．

因此，小尺度下的火焰稳定性问题在领域内引起广泛的关注和兴趣．Kim等[3]实验研究了一种“瑞士卷”(“Swiss Roll”)小型燃烧器，高温燃烧产物通过螺旋形流道的固体壁面对低温未燃预混气进行预热，达到了提高燃烧稳定性、扩大可燃范围的目的. Wan等[4-5]提出了在微尺度燃烧器内装置钝体来提高火焰吹熄极限的方法，其机理在于钝体后部的涡街能提供一个稳定的反应区域，在高速情况下能使火焰稳定在钝体后方．并通过实验和模拟发现了燃烧器中的凹腔对火焰稳定性的正面作用．即凹腔中的流动循环和低速区域、优先扩散效应以及上游凹腔内壁面对气体的预热作用是火焰稳定性提高的主要因素.而关于多孔介质燃烧，在微尺度燃烧中也有着广泛的研究[6-7]．由于燃烧器通道内的多孔介质能够存储燃烧放热，进而对未燃气体预热产生作用，因此能有效地稳定火焰以及扩大稳燃区域．此外，Kang等[8]模拟研究了在甲烷/空气预混火焰中掺入少量氢气或一氧化碳对微尺度火焰行为的影响．结果发现在掺杂情况下，由于一些重要基元反应的强化导致燃烧放热率增强，最终有效地抑制了火焰的振荡性．

上述工作主要通过改变燃烧器结构(如在燃烧器内安装钝体或加工出凹腔)，加入多孔介质辅助手段或者调整燃料组分(掺杂少量其他燃料)来改进燃烧的稳定性．另一方面，燃烧器本身的热物理性质对内部火焰的行为也有着重要的影响．Veeraragavan等[9]通过理论研究发现从火焰下游区域向上游区域通过燃烧气体及固体壁面的导热是火焰稳定的决定性因素．Federici等[10]通过数值模拟发现高导热率的固体内壁能通过其轴向导热，提供对未燃气体的预热作用，从而有效地稳定火焰．由于文献中的这些理论和数值模拟研究指出了燃烧器本身的导热性对小尺度下火焰的稳定有着关键性的影响，因此，笔者在本文中从实验研究的角度，通过调整小尺度燃烧器的热性能达到改善其稳燃性能的目的．

1 实验装置与方法

图1展示了实验装置示意图．整个系统由甲烷和空气供气瓶、质量流量控制器、管式气体混合器、箱体气体混合器以及小尺度的燃烧器组成．各个部件由Swagelok不锈钢管道以及卡套管接头连接．由Sierra Instruments公司生产的流量控制器精度为满量程(甲烷1000mL/min，空气10000mL/min)的±1%.通过流量控制器，可以调节燃烧器内未燃混合气的速度和当量比．

图1 实验装置示意

燃烧器本身是由两块高80mm×宽60mm×厚2mm的平行平板(作为燃烧器壁面)组成，实验中的燃烧反应在两块平板之间的通道内进行．这两块平板安装在可移动的支撑板上，通过移动支撑板可以调节平板之间的距离．两块陶瓷材料从侧面夹住平行平板，并提供热绝缘．甲烷和空气经过管式及箱体混合器预混后，穿过燃烧器下方的不锈钢铁丝网，以均匀的速度分别进入燃烧器．同时，这个不锈钢铁丝网也起到了防止燃烧过程中回火的作用．

本文共进行了两个实验，以探讨燃烧器壁面热性能的调整对其稳燃性能改善的作用．高性能的红外线照相机FLIR A655(分辨率640×480)在实验中被用来测量燃烧器外壁面的温度分布，从一个侧面表征燃烧器的性能．

第1个实验采用了多孔介质燃烧技术，并比较了不同导热率的燃烧器壁面材料对稳燃性的影响．多孔介质材料能以额外的固体导热方式，增强从火焰下游往火焰上游的传热，来预热新进未燃气体，以达到有效稳定火焰的目的．图2展示了本文中使用的碳化硅(SiC)多孔泡沫材料．两块高50mm×宽25mm×厚1.7mm的多孔泡沫被组合成一个整体(高80mm×宽50mm×厚1.7mm)后插入通道内，紧靠燃烧器内壁面的一侧．实验中平板燃烧器间距被固定在3.5mm，该间距是能使火焰紧贴在多孔泡沫上的最小距离，因为火焰需要一定的空间进行传播(对此间距为3.5mm-1.7mm＝1.8mm)．对于更小的平板间距，发现火焰不能贴在多孔泡沫上，而是坐落在泡沫的上方(高度方向)．两种不同的材料，硅和石英被用作燃烧器的壁面材料．硅是近年来微机电系统(MEMS)中最为流行的使用材料，而石英由于其透明可视性也被广泛用于实验研究中以观测燃烧器内部情况．由于这两种材料在导热性能上有着较大的差别，在常温下石英导热率仅为硅材料的1/16(10W/(m·K)vs 160W/(m·K)[11]，笔者认为可以较为明显地比较研究燃烧器壁面导热率对其稳燃性的影响．

本文中第2个实验使用了各向异性材料作为燃烧器的壁面材料．Norton等[12]在他们的数值模拟研究中指出，燃烧器壁面导热性对火焰稳定起着双面性的作用，燃烧器固体壁面沿流向的导热有利于火焰的稳定，而垂直壁面方向上的导热会增大热损失，甚至导致火焰熄灭．因此，笔者研究一种各向异性的材料对燃烧器性能的影响，其沿流向导热率远大于壁面法向导热率，在增强流向导热的同时，减小法向热损失．在这个实验中，笔者使用了各向异性的热解石墨材料，作为对比，对各向同性的不锈钢316常规材料燃烧器也进行了研究．表1列出了热解石墨与不锈钢316的物性参数[13]．由表1可以看出，热解石墨有着高度的各向异性，在常温下其切平面(沿燃烧器流向)方向的导热率是法向上的一百倍．另外，不锈钢的热扩散率(导热率/密度/比热容)与热解石墨相当(常温下0.03cm2/s vs 0.02cm2/s)，因此是一个很好的参考基准．在该实验中没有使用多孔介质材料，燃烧器平板间距被固定在2mm．

图2 插入碳化硅多孔介质材料的燃烧器

表1 热解石墨与不锈钢316的物性参数对比

Tab.1 Comparisonof physical properties between pyrolytic graphite and stainless steel 316

2 实验结果与讨论

2.1 结合多孔介质燃烧技术，不同壁面材料燃烧器的稳燃效果

由实验1的结果发现，对于当量比为1的甲烷/空气预混气体，当燃烧器进口流速in低于同一个速度极限37cm/s时，火焰在石英和硅材料燃烧器中首先经历了一段时间的不稳定振荡，最终被熄灭．这是因为在低流速下能量输入不足，不能补偿燃烧器外壁面热损失，所以燃烧无法稳定进行．当进口流速接近(但略高于)这个低速极限时，火焰在靠近燃烧器入口的位置稳定燃烧，因为预热长度(从燃烧器进口至火焰位置)十分有限，不同材料燃烧器壁面的热循环对未燃气体的预热作用差别很小．因此，石英和硅材料燃烧器具有相同低速极限，继续降低进口流速，火焰将熄灭．

另一方面，石英壁面燃烧器在气体进口速度大于51cm/s时，碳化硅多孔泡沫无法稳定住火焰，火焰将坐落在多孔泡沫的上方．而对于硅材料燃烧器，发现在更高的进口流速下，多孔介质材料仍能稳定住火焰．直到本实验测试的最高进口流速in＝77cm/s，火焰仍紧贴着多孔泡沫材料．由于该速度已接近流量控制器满量程，实验中没有进一步提高燃烧器进口流速．硅材料燃烧器比石英材料有着更大的高速极限的原因在于，从燃烧器火焰下游区域往上游区域的热传导在高导热率的硅材料壁面中被极大地增强了．与接近低速极限时的情况不同，当进口流速朝向高速极限增大时，火焰在远离燃烧器进口的位置，使得未燃气体在进口到火焰位置的较长距离内被预热，因此不同燃烧器壁面材料在稳燃性上有着很大的区别，高导热率的硅材料能提供更大的预热量，增大了火焰传播速度，从而与更高的进口流速达到平衡来稳定火焰．

图3展示了实验中在进口流速in＝49cm/s时，两种不同燃烧器的红外热像及外观照片．可以看出，石英燃烧器有更大的最高外壁温度，高导热率的硅材料燃烧器有着更均匀的外壁面温度分布．更重要的是，硅相对于石英材料，在靠近燃烧器进口处的壁面温度更高，可以对未燃气体产生更大的预热作用．因此，当石英燃烧器中的火焰将要脱离多孔泡沫时，硅材料燃烧器中的火焰稳定在更上游的位置，仍然紧贴着多孔介质材料．

图3 石英和硅材料燃烧器的红外热像及外观照片

另外一个重要的发现是，石英燃烧器和硅材料燃烧器有着相反的火焰弯曲形状，前者的火焰是下凹的，而后者的火焰是上凸的．Singh等[14]通过数值计算发现，当燃烧器表面与外界环境对流换热系数减小时(壁面热损失减小)，“流动再定向”(flow redirection)作用在火焰的更上游处被增强(在火焰-流动相互作用下，展向速度分量相对于流向上分量的比重增大)，引起了火焰弯曲方向的转变(凹向燃烧器出口变为凸向燃烧器出口)．而在本实验中，高导热率的硅片材料极大地增强了燃烧器壁面对未燃气体的预热作用，从而有效地弥补了系统的热损失，导致火焰呈现出上凸的形状．另一方面，由于缺乏有效的预热作用，石英燃烧器中的火焰呈现出下凹的形状．

2.2 各向异性材料燃烧器的稳燃效果

图4展示了实验2中各向异性热解石墨燃烧器与各向同性不锈钢316燃烧器的稳燃区间．稳燃区间是指在两个当量比极限和两个速度极限之间的区域．在当量比极限和低速极限之外，火焰发生熄灭.在高速极限之外，火焰被吹出燃烧器．

图4 与不锈钢316相比，热解石墨燃烧器被扩大的稳燃极限

由图4可见，两种材料燃烧器有着相同的当量比极限，低于贫油极限(当量比0.8)或高于富油极限(当量比1.25)时，均会发生火焰熄灭现象．然而，与不锈钢316相比，热解石墨燃烧器明显有着更大的速度极限．如同前文分析，这是因为在沿流向高导热率作用下，燃烧器固体壁面从火焰下游区域往上游区域的热传导被极大地增强．从而，燃烧器壁面对未燃气体提供了更大的预热量，因此增大了火焰传播速度，提高了火焰吹出极限．另一方面，虽然在低速条件下燃烧器表面热损失是导致火焰不稳定性的关键因素[12]，然而由于实验中燃烧器壁面的厚度有限(2mm)，两种燃烧器材料在低速极限上的差别并不明显．实验结果表明，壁面法向上低导热率的热解石墨仅能有限地减少热损失，在富油侧稍微降低了低速极限．

图5 实验前热解石墨材料的实物照片及在实验中被火焰加热后的红外热像

另外，各向异性材料热解石墨由于其极高的导热性，在实验中被火焰加热之后有着非常均匀的温度分布，如图5所示．这能有效避免燃烧器壁面“热点”的出现，从而避免材料在高温下失效．从能量转化的角度来说，这种均匀的壁面温度分布对提高热电(thermoelectric)系统转化效率(将 燃烧器表面的热能通过热电效应转化为电能)非常有利[15]．

3 结 论

本文从调整小型燃烧器热性能的角度出发，对改善其稳燃性能进行了研究，一共进行了两个实验．第1个实验采用多孔介质燃烧技术，比较研究了不同导热率的壁面材料对燃烧器稳燃性的影响．第2个实验探索了各向异性材料热解石墨燃烧器的性能．

(1) 不同燃烧器壁面材料由于其导热率的差异，在稳燃性上有着很大区别．相较于石英材料，更高导热率的硅材料能提供更大的预热量，增大了火焰传播速度，从而能与更高的进口流速达到平衡，使火焰稳定在多孔介质材料上．

(2) 与各向同性不锈钢316燃烧器相比，各向异性热解石墨燃烧器的固体壁面从火焰下游区域往上游区域的热传导在沿流向高导热率的作用下被极大增强，而同时壁面对环境的热损失由于其法向上的低导热率有效减少，从而导致热解石墨燃烧器有着更大的稳燃区间．

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Impact of Wall Thermal Properties on Flame Stability of Small-scale Combustors

Kang Xin1, 2，Deng Youcheng2，Fan Aiwu3

(1. School of Civil Engineering and Architecture，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China； 2. School of Energy and Power Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China； 3. School of Energy and Power Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)

In this study, we performed two sets of experiment to investigateconditions that would improve the flame stability of small-scale combustorsbyadjusting the thermal properties of walls. In the first experiment, we used porous media combustion technology to study the effects of the thermal conductivities of different wall materials (silicon and quartz) on the flame stability. We found that although two types of wall materials had the same low-velocity limit, the silicon combustor with higher thermal conductivity had a higher high-velocity limit than the quartz combustor,which stabilized the flame on porous media to prevent blow-off extinction. In the second experiment, we investigated the performance of a pyrolytic graphite combustor with respect to its thermally orthotropic properties. For comparison, we also studied theperformance of the conventional isotropic material stainless steel 316. The results showed that the pyrolytic graphite combustor exhibited wider flame-stability limits than the stainless steel combustor, due to its enhanced stream-wise heat conduction and reduced span-wise heat loss.

microscale combustion；flame stability limit；porous media combustion；orthotropic material

TK11

A

1006-8740(2019)01-0011-05

10.11715/rskxjs.R201809019

2018-09-10．

国家自然科学基金资助项目(51806158)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2018IVA055).

康 鑫（1984—  ），男，博士，副教授.

康 鑫，xkang@whut.edu.cn．