湍流条件下高当量比合成气着火实验研究

李 雷，李国岫，李洪萌，姜延欢



湍流条件下高当量比合成气着火实验研究

李 雷，李国岫，李洪萌，姜延欢

(北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044)

为了研究高当量比合成气着火极限条件下初始湍流环境对火焰初始发展阶段的影响规律，在湍流定容燃烧实验装置中开展了常温、常压条件下50%CO/50%H2合成气相关湍流燃烧实验，并研究了火焰等效半径和火焰传播速度变化的规律及影响因素．研究结果表明：在本文实验条件下层流环境中，火焰传播速度呈现先减小后增加的趋势，并且随着当量比的增加而逐渐减小，合成气着火极限当量比为5.8；在高当量比混合气条件下，初始湍流强度的增加可以拓宽可燃混合气的着火极限；在高当量比着火极限条件下，火焰等效半径随着湍流强度增大而增加，火焰传播速度随着湍流强度的增加而增大，同一湍流强度环境中，火焰传播速度总体呈现出先减小后增大的趋势．

着火极限；湍流强度；等效半径；火焰传播速度

实际燃烧过程多数是在湍流环境中进行的，绝大多数动力设备燃烧均是在湍流氛围中，因此湍流预混燃烧具有重要的研究意义．火焰传播特性是研究湍流预混火焰的传播与发展的重要方面．

对于预混燃烧而言，广大学者对层流预混燃烧已经进行了大量研究．有从火焰发展的过程来研究，有针对最小点火能量到初始火核形成[1-4]、再到火焰充分发展阶段[5-6]进行研究．在火焰结构和速度特性方面以及火焰稳定性方面，也有大量学者进行了详细的研究，并从机理上给与了解释[7-9]．

而对于湍流预混燃烧过程的研究，多数学者是针对火焰充分发展阶段湍流预混火焰的特性进行研究．Liu等[10]对贫燃甲烷-空气在相对较高的环境压力下的湍流和层流燃烧速度进行了研究．Vancoillie等[11]利用定容燃烧弹，对甲醇-空气预混合气在环境温度385K时不同当量比、不同环境压力下的湍流燃烧速度进行研究，并利用所得到的湍流燃烧速度与多个速度理论模型进行对比．Lawes等[12]利用湍流燃烧弹对异辛烷-空气预混合气在不同湍流脉动速度、不同当量比和不同初始环境压力下的湍流燃烧速度进行了研究．结果表明，随着湍流强度和初始环境压力的增加，湍流燃烧速度增大．Brequigny等[13]利用两套纹影-高速摄影对燃烧弹内火焰发展过程进行拍摄记录，进行了体积重建，并且研究了湍流强度和初始压力环境对湍流火焰速度的影响规律．刘福水 等[14]在定容燃烧弹内加入网板，火焰穿过网孔后被诱导转变为湍流火焰，从而研究不同初始压力环境对氢气-空气预混诱导湍流燃烧的影响．姜延欢等[15]在定容燃烧弹内展开常温常压下50%CH4/50%H2(体积分数)混合气在不同湍流强度下的相关实验，并采用褶皱因子对火焰结构进行了量化研究．

1 研究手段及方法

1.1 实验装置

湍流定容燃烧实验装置包括定容燃烧弹、配气系统、点火系统、湍流营造系统、图像采集系统、压力数据采集系统、控制系统，实验装置示意图如图1所示．定容燃烧弹内腔直径为380mm，定容燃烧弹的壁面设有4个水平对置石英玻璃视窗，以观察和拍摄记录火焰燃烧过程．在定容燃烧弹的正上方的端盖上接有高压管路，通过高压管路进行配气和废气清洗．在本文点火系统中，采用一对水平对置的点火电极进行点火，点火线圈的输入电压为12V，输入电压经过点火线圈升压后通过点火电极尖端放电点燃预混合气．点火中心位置与燃烧弹的中心重合以保证中心点火．本文实验中点火电极间距为1.30mm，点火电极直径为2.5mm．本文研究火焰初始阶段的发展，需保证点火能量不变，因此本文实验中输入的点火线圈电压与点火电极间距均固定不变．在定容燃烧弹的外围安装有4个成正四面体布置的电动机．电动机通过磁力联轴器驱动内部扇叶旋转，形成旋流，旋流通过风扇前端的孔板形成多束射流并在燃烧弹中心相互撞击破碎形成初始湍流环境，本文实验所用孔板孔径为12mm，4个电机通过变频器进行同步转动控制．火焰图像通过纹影-高速摄影系统进行拍摄和采集，高速摄像机拍摄速度为13500幅/s．

1—合成空气；2—高纯一氧化碳气；3—高纯氢气；4—减压阀；5—止回阀；6—高压针阀；7—定容燃烧弹；8—石英玻璃视窗；9—点火针；10—火花塞；11—电动机；12—光源；13—狭缝；14—平面镜；15—凹面镜；16—刀口；17—高速摄像机；18—高精度数字显示压力表；19—压力传感器；20—电荷放大器； 21—真空泵；22—触发控制实验台；23—笔记本电脑

1.2 实验数据处理方法

本实验中所采集到的火焰图像均是利用自行设计开发的Matlab图像处理程序进行分析．通过程序对处理的图像数据进行火焰半径、周长、面积等基础信息的计算，并将对火焰轮廓边缘进行标记输出，处理标记结果如图2所示，可见处理程序的准确性是较为可靠的．

图2 Matlab程序处理结果

1.3 相关参数定义

定容燃烧弹内的流动燃烧情况非常复杂，需要用适合描述湍流定容燃烧弹内混合气燃烧过程的特征参数来对其进行描述．

由于湍流环境下火焰锋面会发生褶皱，火焰面发展并不规则，所以火焰半径采用等效半径s来表 示[23]，定义为

   (1)

式中：为火焰的投影面积．

火焰传播速度T为等效火焰半径对时间的导数，定义为

   (2)

1.4 火焰传播过程中阶段的划分

对于电火花点火湍流预混燃烧火焰传播过程，可以分为电极点火阶段、火焰初始发展阶段、火焰充分发展阶段．电火花的作用可以分为热作用和放电引起的化学活化作用．为了研究方便，全部以点火能量表征．假定点火能量在点火瞬间全部以热量形式传给电极间气体，形成如图3中所示直径为1的初始火核．由于电极放电时间极短，高温初始火核只有微小膨胀，紧接着是初始火核的膨胀并向外传热的过程．此阶段的火焰膨胀传播由点火能量主导，随着点火能量逐渐耗散，火焰膨胀传播过程中向预热区放出热量，当预热区温度提高到混合气自燃温度时，火焰便能够继续向外传播．当火焰传播是由燃烧放出的能量主导并开始加速传播时，假设此时火焰直径为2，认为火焰即将进入初始发展阶段，此前为电极点火阶段．当火焰发展到一定阶段，火焰不再明显加速传播时，为火焰充分发展阶段．

图3 火焰初始发展阶段物理模型

2 结果与讨论

图4 不同当量比的层流火焰图像发展过程

图5 层流条件下火焰等效半径随时间变化规律

图6 层流条件下火焰传播速度随等效半径的变化规律

图7 湍流强度对火焰等效半径的影响规律

图8 湍流强度对火焰传播速度的影响规律

Fig.8 Effects of turbulence intensity on flame propaga-tion speed

3 结 论

预混合气着火问题是燃烧及火焰传播的前提，在各种湍流燃烧设备中，预混合气能否着火直接影响到设备的稳定运行．为了研究混合气在高当量比情况下的着火问题，开展了50%CO/50%H2合成气预混高当量比着火极限条件下湍流强度对火焰初始发展阶段的影响研究．

(1) 在输入系统的点火能量恒定时，层流环境下50%CO/50%H2合成气在高当量比时火焰传播速度随着当量比的增加而减小，在当量比为5.9时火焰不能正常传播发展，层流着火极限当量比为5.8．

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Experimental Study on Ignition of High-equivalence-ratio Syngas Under Turbulent Conditions

Li Lei，Li Guoxiu，Li Hongmeng，Jiang Yanhuan

(School of Mechanical，Electronic and Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)

To study the influence of the turbulent environment on the initial development stage of a flame under high-equivalence-ratio-limit conditions，a number of turbulence combustion experiments using 50%CO/50%H2syngas in a turbulent constant-volume combustion device atnormal atmospheric temperature and pressure were performed.Thechanging rules and influential factorsof the flame equivalent radius and flame propagation speed were studied. Results show that underlaminar conditions，the flame propagation speed decreased first and then increased，and decreased with the growing equivalence ratio，andthe limit ignition equivalent ratio of the syngas was 5.8；increasein theinitial turbulence intensity canextend the ignition limit of acombustible mixtureat a high equivalence ratio；the flame equivalent radius increased with the increase of turbulence intensity，andthe flame propagation speed increased with the increase of turbulence intensity under high-equivalence-ratio ignition limit conditions. Overall，the flame propagation speed showed a trend of decreasing first and then increasingin the same turbulence intensity environment.

inflammability limit；turbulence intensity；equivalent radius；flame propagation speed

TK431

A

1006-8740(2019)01-0031-06

10.11715/rskxjs.R201804030

2018-04-12．

国家自然科学基金资助项目(51706014)；中央高校基本科研业务费资助项目(2017JBZ102，2017JBM049)；中国博士后科学基金资助项目(2017M610757).

李 雷（1992—  ），男，博士研究生，lei_li@bjtu.edu.cn.

李国岫，男，博士，教授，Li_guoxiu@yahoo.com.