微通道内甲烷/氢气/氧气预混合火焰传播特性

任慧敏，潘剑锋，卢青波，王 宇，邵 霞



微通道内甲烷/氢气/氧气预混合火焰传播特性

任慧敏，潘剑锋，卢青波，王 宇，邵 霞

(江苏大学能源与动力工程学院，镇江 212013)

在石英玻璃微圆管内，进行甲烷/氢气/氧气预混合火焰传播的实验研究，分析了管径、掺氢比、当量比及入口流速对火焰传播状态和稳定火焰位置的影响规律．结果表明：实验观测到的微火焰主要有管外射流火焰、脉动火焰、稳定火焰与反复熄燃火焰；随着管径增加，稳定火焰出现在更高当量比情况下，火焰位置更靠近燃烧室入口；掺氢比越高，形成稳定火焰对应的当量比越高，火焰位置更接近出口；高当量比时，稳定火焰仅在低入口流速下能够获得，随着当量比降低，火焰能在较高入口流速下稳定；低流速下，稳定火焰在当量比为1.85～1.925时更接近燃烧室入口，随着流速增加，火焰位置更接近出口；反复熄燃火焰在管径增加时对应的当量比维持在1.79～1.93，在掺氢比增加时对应的当量比为1.79～2.12．

微尺度燃烧；火焰传播状态；稳定火焰位置；甲烷/氢气/氧气；反复熄燃火焰

基于碳氢燃料燃烧的微机电系统发展日新月异，而作为其核心部件的微小型燃烧器工作的稳定性非常重要[1]．燃烧器微小型化后其内部的气相燃烧面临诸多挑战[2-4]，如面容比增加，壁面热损失与产热量之比增大[5-6]；内部空间减小，燃料停留时间减少；若燃烧器特征尺寸小于熄火距离则火焰还会发生淬熄．因此，探究微尺度条件下气相燃烧及火焰传播的相关规律能为设计高效能的微型燃烧器提供理论依据[7-8]，具有重要意义．

国内外学者也对此进行了大量研究. 如Raimondeau等[9]采用二维数值模拟方法研究发现，管径较小的燃烧器中壁面温度不连续性对火焰传播的影响可以忽略，但随着管径的增加壁面温度不连续性的影响也增加，微通道入口热损失与壁面自由基熄火对火焰传播影响较大；张永生等[10]对T型石英玻璃管中氢气/空气预混合气体的燃烧进行实验研究，获得了火焰在管道中稳定燃烧的范围以及混合气体流量、当量比对火焰温度、燃烧效率的影响规律；Li等[11]采用外部直径相同的3种不同类型的微圆管对甲烷/氧气的燃烧特性与热损失进行探究，测量了圆管燃烧室外壁面温度分布并计算了燃烧室与外部环境的热交换值，认为理想的微型燃烧室应有较高的热导率与较低的壁面发射率；Kyritsis等[12]实验研究了微圆管内通入甲烷/氧气与丙烷/氧气时火焰的不同形态，并分析了燃烧室长度与壁面材料对火焰形态的影响；Fan等[13]进行了微石英玻璃管内丙烷/空气的火焰传播实验，采用高速数码相机拍摄了分裂火焰的传播过程，并结合理论分析对此现象进行了说明；Kumar等[14]对带有渐扩结构的微通道中火焰稳定性进行实验研究，在不同当量比与流速下观察到多种火焰稳定传播状态并获得可燃极限，认为具有渐扩结构的微燃烧室利于火焰的稳定燃烧；Mazaheri等[15]通过数值模拟方法研究了加热微燃烧室壁面时，氢气/空气反复熄燃火焰特性，即入口流速、当量比以及通道高度对反复熄燃火焰振幅与频率的影响．然而，上述鲜有涉及微圆管内稳定火焰位置的相关研究．

针对微小尺度条件下预混合火焰传播的研究，为了得到稳定火焰出现的条件及其位置变化的相关规律，本文采用了3种直径的石英玻璃圆管，选取甲烷/氧气与掺入氢气的甲烷/氧气为预混合气体，通过实验方法获得了火焰传播状态及其随管径、掺氢比的变化规律，并得到不同当量比、入口流速、管径及掺氢比与稳定火焰位置的关系．

1 实验装置与实验方法

图1 实验装置

实验环境温度维持在300K，湿度为76%．每种实验工况进行3次平行实验，每组实验结束后待石英玻璃管冷却至室温再开始下一组实验以确保点火状态相同．实验过程中，甲烷、氢气与氧气分别由相应的高压储气瓶释放，经减压阀减压至0.2MPa后流向气体流量调控系统，在到达微圆管前于预混合室内充分混合，混合气体在微圆管出口处被点火器点燃．用数码相机对微圆管内火焰传播及稳定状态进行图片记录．后期处理过程中以微圆管出口端面中心为原点，出口中心到入口中心为正方向，圆管中心线为轴线绘制刻度标尺，读取并记录稳定火焰图片中火焰的位置，以出现频率最多的位置为有效值，将有效值 ±0.5mm范围内的数据取平均值，即为稳定火焰的 位置．

(1)

(2)

2 实验结果与讨论

2.1 火焰传播状态

图2 不同入口流速及当量比下的火焰传播状态

图3 火焰传播状态

2.1.1 管径对火焰传播状态的影响

为探究管径对火焰传播状态尤其是稳定火焰与反复熄燃火焰的影响，选取h＝3.5mm、3.0mm、2.5mm的微圆管进行实验研究，保持混合气体的入口流速不变，逐渐减小当量比，观察并记录管内火焰的传播状态，如图4所示．从图中可以看出，＝0.5m/s时，h＝3.5mm、3.0mm、2.5mm的燃烧室内，形成稳定火焰的当量比区间分别为：1.93～2.31、1.92～2.20与1.90～2.02，即微圆管的管径越小，稳定火焰对应的当量比区间越窄．此外，随着管径的减小，稳定火焰出现在更低当量比情况下．原因在于，入口流速相同时，微圆管的管径越小，面容比越小，壁面热量损失越大，只有降低当量比使更多的燃料参与反应才能获得更多的热量，以弥补壁面热量损失，从而获得稳定火焰.由图4还可得知，3种管径的燃烧室内出现反复熄燃火焰时，对应的当量比范围均维持在1.79～1.93．这是因为，在该当量比下，火焰传播速度大于混合气流动速度，火焰向上游传播至燃烧室入口后熄灭，后在出口处高温气体作用下，管内的混合气再次燃烧．若当量比过高，只能在管外形成射流火焰；若当量比接近化学当量比，此时燃烧速度较大，当燃烧速度大于入口气体流速时，火焰发生回火后熄灭．

图4 不同管径微圆管内的火焰传播状态

2.1.2 掺氢比对火焰传播状态的影响

图5 不同掺氢比下火焰传播状态

2.2 稳定火焰

2.2.1 当量比对稳定火焰位置的影响

图6 入口流速为0.4m/s时不同当量比下的稳定火焰

图7 不同当量比下稳定火焰的位置

2.2.2 入口流速对稳定火焰位置的影响

图8 不同入口流速下稳定火焰的位置

2.2.3 管径对稳定火焰位置的影响

图9为采用h＝2.5mm、3.5mm的燃烧室，得到的低入口流速(0.3～0.7m/s)与高入口流速(0.75～1.50m/s)时稳定火焰位置变化规律．结合图8与图9可知，管径越大，形成稳定火焰的工况越多，并且低入口流速与高入口流速时，h＝2.5mm、3.0mm、3.5mm的燃烧室内稳定火焰位置的最大值分别为111.5mm与5mm、131.5mm与32.5mm、132mm与56.5mm．说明管径越大，越易形成稳定火焰，且火焰位置越接近燃烧室入口．这是因为燃烧室管径越大，面容比越小，散热损失越小，火焰温度越高，传递给壁面的热量越多，高温区域越接近上游，稳定火焰位置也就越接近燃烧室入口．由图9(a)、9(c)可知，低入口流速时，h＝2.5mm的燃烧室内稳定火焰的位置主要集中于燃烧室出口，h＝3.5mm的燃烧室内稳定火焰的位置均匀分布于通道中．说明管径增加，火焰在燃烧室中的稳定位置逐渐向中上游移动．由图9(b)、9(d)可知，高入口流速时，h＝2.5mm的燃烧室内稳定火焰的位置主要分布于距出口2mm的区域内，h＝3.5mm的燃烧室内稳定火焰的位置集中分布于距出口25mm的区域内．验证了上述管径增加，稳定火焰的位置逐渐向燃烧室中上游移动的 结论．

2.2.4 掺氢比对稳定火焰位置的影响

图9 不同管径燃烧室内稳定火焰的位置

图10 不同掺氢比下稳定火焰的位置

3 结 论

本文通过实验研究了石英玻璃材质的微圆管内甲烷/氢气/氧气预混合燃烧的火焰传播规律，并深入探讨了燃烧室内稳定火焰位置随当量比、入口流速、管径和掺氢比的变化规律．得到结论如下：

(1) 气体入口流速为0.15～1.50m/s，当量比为1.45～2.20，实验观测到的火焰传播状态分为：管外射流火焰、脉动火焰、稳定火焰和反复熄燃火焰．

(2) 管径增加，稳定火焰出现在更高当量比条件下，而形成反复熄燃火焰的当量比始终维持在1.79～1.93．此外，管径越大，越容易形成稳定火焰，并且火焰在燃烧室中的稳定位置逐渐向中上游移动．

(3) 掺氢比增加，稳定火焰与反复熄燃火焰在较高当量比时获得，并且稳定火焰对应的当量比范围变宽，位置更接近出口．此外，掺氢比对稳定火焰位置的影响程度随着掺氢比的增加而降低．

(4) 当量比分别为1.95、2.00、2.05、2.10的条件下，当量比较高(2.00、2.05、2.10)时，稳定火焰的位置均在出口附近；当量比降低到1.95、流速大于0.75m/s时，稳定火焰的位置也在出口附近，当流速低于0.75m/s时，火焰稳定在距出口50～60mm处．

(5) 低流速下，稳定火焰的位置随当量比的变化更为敏感，随着入口流速的增加，稳定火焰的位置逐渐向出口移动．

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Characteristics of Premixed Methane/Hydrogen/Oxygen Flame Propagation in Microchannel

Ren Huimin，Pan Jianfeng，Lu Qingbo，Wang Yu，Shao Xia

(School of Energy and Power Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)

Experimental investigations on the flame propagation characteristics of premixed methane/hydro-gen/oxygen were carried out in quartz glass microtubes. The impacts of tube diameter，mixing ratio，equivalence ratio，and inlet velocity on the flame propagation states and positions of stationary flame were analyzed. Results showed that jet flame，pulsated flame，stationary flame and oscillatory flame were observed in the experiment. Stationary flame was obtained at a high equivalence ratio，and its position approached the combustor inlet with the increase in tube diameter. At a higher mixing ratio，the stationary flame appeared at higher equivalence ratios and its position was closer to the combustor outlet. The stationary flame could only be obtained at low inlet velocities when the equivalence ratio was high，and it was stabilized at high inlet velocities when the equivalence ratio decreased. At low inlet velocities，the stationary flame was close to the combustor inlet when the equivalence ratio varied from 1.85 to 1.925，and its position was close to the outlet with the increase in inlet velocity. The equivalence ratio of the oscillatory flame varied from 1.79 to 1.93 with the increase in tube diameter，as well as from 1.79 to 2.12 with the increase in mixing ratio.

micro combustion；flame propagation states；position of stationary flame；methane/ hydrogen/oxygen；oscillatory flame

TK50

A

1006-8740(2019)03-0213-07

2018-10-08.

国家自然科学基金资助项目(91641113)；江苏省自然科学基金资助项目(BK20180872).

任慧敏（1993—），女，硕士研究生，renhuiminlogo@163.com.

潘剑锋，男，博士，教授，mike@ujs.edu.cn.

10.11715/rskxjs.R201810001