掺氢对微尺度空间内预混层流火焰转捩爆燃特性的影响

苏 航，霍杰鹏，汪小憨，蒋利桥，赵黛青

掺氢对微尺度空间内预混层流火焰转捩爆燃特性的影响

苏 航1, 2, 3, 4，霍杰鹏1, 2, 3, 4，汪小憨1, 2, 3，蒋利桥1, 2, 3，赵黛青1, 2, 3

(1. 中国科学院广州能源研究所，广州 510640；2. 中国科学院可再生能源重点实验室，广州 510640；3. 广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广州 510640；4. 中国科学院大学，北京 100049)

针对基于燃烧的微小型动力装置存在燃烧效率低、火焰传播速度慢的问题，设计了一个可视化的、特征间距仅为 0.45mm的微尺度定容燃烧室，实验比较了0～1的掺氢比例下，丙烷/氢气/空气预混火焰在该燃烧室内的传播以及加速过程．实验发现没有掺氢时，丙烷/空气预混火焰需要在0.25MPa初始压力下才能够传播；当掺氢比例为0.2时，火焰在传播过程中会发生从缓燃到爆燃的转变，这种燃烧模态的转变可以大幅缩短燃烧室内火焰传播时间，极大提升火焰传播速度．实验还发现掺氢比例以及初始压力的提升均能使得微尺度火焰传播速度提升．

微尺度燃烧；燃烧模式转变；爆燃；定容燃烧

基于燃料燃烧的微型发动机具有高能量密度特性，能够满足无人机、微型机器人等智能装备的供能需求，但燃烧效率低下成为了阻碍其应用的最大瓶 颈[1-3]．特征尺寸(狭缝宽度和圆管直径等)大小在1mm以下的空间一般称为微尺度空间，该尺度条件下火焰传播和反应物停留时间由于强烈的热损失和自由基淬熄而受到极大限制[4]．因此，如何在毫米量级或以下的燃烧装置中提高燃烧效率、减少能量损失，仍是一个难以逾越的技术难题．

提高火焰传播速度是解决微尺度燃烧室内燃烧效率低下问题的一个有效方式．一方面，火焰传播速度高意味着燃烧产物在一个工作周期内的停留时间短，使火焰与壁面之间热交换量降低，有利于减少散热损失；另外，向壁面传导的热量降低，壁面材料不容易过热，有利于燃烧装置的长时间运行．

由于微尺度条件下流体流动的雷诺数较小，因此层流燃烧是微尺度条件下常见的燃烧方式．这时火焰传播速度较低，较容易受壁面散热影响而变得不稳定甚至被淬熄．有研究通过添加催化剂[5-6]、引入凹腔或钝体[7]、利用超焓燃烧[8-9]等手段拓宽微通道内火焰的淬熄极限或改善火焰的稳定性，以尽量抵消微尺度对火焰传播的抑制作用．但这些手段很难大幅度地提升火焰传播速度和燃烧强度．

有学者研究发现，通过改变流速以及通道直径，利用燃烧不稳定现象可以诱发燃烧状态的转变. Wu等[10-11]观测了管径从0.5mm到3mm的光滑微管中的爆燃转爆轰过程，发现火焰在最小的0.5mm直径圆管内的加速是最快的．Jang等[12]在一个开口的圆盘狭缝燃烧室中观察了从2.45mm到8mm间距下皱褶火焰面的变化，发现间距越小，火焰面越不稳定，越容易产生胞状火焰．表明尺度越小，火焰面的不稳定性越强，越容易产生皱褶火焰．由火焰不稳定性所诱导的燃烧状态转变，可以使得火焰在合适的条件下从层流燃烧转变为爆燃甚至爆轰，导致温度、压力以及火焰传播速度在短时间内快速上升，燃烧强度极大提升，这种特性符合基于燃烧的微尺度能源系统对单位体积燃烧室的高燃烧强度和高燃烧效率的 要求[13]．

受限空间内、极限条件下火焰燃烧模态转变的研究对设计微尺度爆震发动机等微型能源动力系统十分必要．目前国内外仅有一些实验结果表明当尺度缩小至1mm以下的毫米量级，火焰的传播模式可能会发生转变，发生层流燃烧向爆燃的转捩，从而获得较高的燃烧效率．但目前该尺度下的实验数据仍十分缺乏，对火焰在如此狭窄的空间内传播特性的认识仍不充分．本文构建了一个狭缝间距仅0.45mm的圆盘形燃烧室，实验观测了可燃混合气在静止状态下点火、火焰低速外扩传播再到爆燃的过程，对微尺度下燃烧模态转变规律进行了探讨，为微尺度条件下的燃烧模态控制以及高效微尺度能源动力系统燃烧室结构的优化提供了基础实验数据上的参考．

1 实验装置设计及实验方法

实验使用的微尺度燃烧室为由上下两块石英玻璃盖板构成，形成中间狭缝间距仅为0.45mm的封闭圆盘形内腔，直径为150mm．燃烧室上盖板的中心布置有点火电极，由双孔陶瓷管以及钨丝组成．另外，在燃烧室半径70mm处布置有测压通道，用于测量火焰传播过程中燃烧室内的瞬时压力变化．燃烧室具体结构如图1所示．

实验采用丙烷(纯度大于99.9%)、氢气(纯度大于99.999%)作为燃料，压缩干空气作为氧化剂，分别由质量流量计(MKSGE50a 误差0.1%)控制，通过皂膜流量计对其进行标定．配比好的混合气通过安捷伦气相色谱仪取样分析保证配气成分符合设计当量比要求，并保证混合气充分混合．每次实验前，使用混合气充气以及真空泵排气，上述过程重复30次，以确保燃烧室内前一次燃烧所生成的热量以及燃烧产物在换气过程中被带走．为减小火焰受浮力的影响，燃烧室水平放置．实验系统如图2所示．

图1 微小空间定容燃烧室装置和结构

图2 实验系统示意

点火后，火焰面呈圆环状外扩传播，传播过程通过高速摄像机(MEMRECAM HX-6)记录，曝光时间为196.6μs，拍摄速度为5000f/s．同时通过示波器和压力传感器记录火焰传播过程中燃烧室内的压力数据，记录频率为200kHz．由于火焰面近似一个圆环，因此以圆环当量半径作为火焰传播半径，提取的方法见笔者先前的研究[14]．

为获得燃料特性对火焰传播的影响，本文考察了氢气比例h(氢气在丙烷/氢气混合燃料中所占的体积分数)在0～1时的火焰传播特性，且当量比均取1.0．另外，还考察了初始压力0对火焰传播速度的影响，范围为0.1～0.3MPa．

2 实验结果及讨论

2.1 可燃极限

由于壁面传热损失的作用，微小尺度下可燃混合气的可燃极限相比于常规尺度大大减小[15]．如图3所示，在特征尺度为＝0.45mm时，初始压力0≥0.25MPa才可以让丙烷/空气混合气被点燃并发生火焰传播．这是由于0.45mm已经小于丙烷/空气常压下的淬熄距离[16](1.6～1.7mm)，当初始压力升高使混合气淬熄距离减小，混合气才能点燃并产生火焰传播．随着掺氢比例上升，混合气可燃压力极限随之降低．这是由于氢气的淬熄距离小于0.45mm[17]，当h达0.6后，丙烷/氢气/空气预混火焰才能够在常压下在0.45mm间距的狭缝内完成整个传播过程．

图3 H＝0.45mm时，不同掺氢比Xh下的丙烷/氢气/空气混合气的可燃极限

2.2 混合气火焰传播形态以及掺氢比对火焰传播的影响

图4～图9给出了0＝0.3MPa，＝0.45mm，＝1.0条件下，6个掺氢比h的火焰在不同时刻的传播形态．如图4所示，h＝0(纯丙烷/空气混合气)时，火焰传播较缓慢，在燃烧室内传播时长超过75ms．而在掺氢比h＝0.2的条件下火焰只需要20ms左右就可以传播完毕(见图5)．随着掺氢比的提升，火焰传播时长继续缩短，h＝0.4时(图6)，约为11.8ms；h＝0.6时(见图7)，约为9.4ms，h＝0.8时(见图8)，约为5.6ms；h＝1.0时(见图9)，约为4ms．可见，随着掺氢比的增加，火焰传播速度明显加快，这主要是因为氢气的层流火焰速度约是丙烷的5倍，掺氢越多，混合物的火焰传播速度越快．

图4 Xh＝0时丙烷/氢气/空气混合气火焰传播形态

需要特别指出的是，在h＝0.2时，观察到火焰发生了从缓燃到爆燃的转捩，如图5所示．如图10(a)所示，在h＝0.2时，混合气火焰前锋所形成的火焰环的当量半径在6～15ms时间段内几乎不变，在15ms以后迅速增加，与图5中的火焰传播相对应．可以观察到这时火焰面出现明显的扩张和皱褶，意味着火焰面面积快速增大，从而提高了燃烧速率，促进了转捩的发生．如图10(a)所示，火焰半径在h＝0.2时先经历了初期的加速，然后进入了一个缓慢的停滞阶段，最后曲线发生了转折，斜率迅速增加，意味着火焰传播速度突然加快，对应在图5中发生的火焰从层流到爆燃的转捩．

而在h＝0.4～1.0，火焰传播速度较快，没有出现火焰传播速度随半径增加而突然变化的情况．另外如图10(a)所示，在h＝0.4～1.0时，火焰传播半径随时间变化的曲线斜率没有发生明显变化．笔者认为是由于掺氢比例继续提高后，火焰传播速度较高，燃烧室没有足够的空间让转捩发生．同时因为氢气的淬熄极限小于特征间距0.45mm，在掺氢比例较高的条件下混合气火焰稳定性相对提升，可能导致其传播条件不足以触发燃烧模态转变．

如图10(b)所示，h＝0时，丙烷/空气混合气在燃烧室内传播过程中，燃烧室压力几乎没有升高，意味着燃烧所释放的热量几乎都被散热损失所抵消，导致该条件下火焰传播速度最小．对于较高的掺氢比(h＝0.4～1.0)，峰值压力基本相当．氢气的体积热值低于丙烷的体积热值，因此在相同的初始压力下，h＝1.0时燃烧室内未燃气的热值是相对最低的，h＝0时是最高的．但是h＝1.0时燃烧室内峰值压力反而略高于h＝0.2时，这表明火焰传播速度的提升有利于提高燃烧效率，减少壁面的散热损失．

当h＝0.2时，火焰在燃烧室内停留时间是h＝1.0时的约5倍，其峰值压力略低于h＝1.0时的峰值压力．而没有发生燃烧状态转捩的h＝0时，燃烧室压力没有升高．因此预混火焰传播发生转捩之后，随着火焰传播速度的提升，燃烧室内热释放率大幅度提升，从而导致燃烧强度与效率大幅度提升．

图10 p0＝0.3MPa，H＝0.45mm，φ＝1.0时不同掺氢比火焰传播当量半径和火焰的燃烧室压力随时间变化

2.3 初始压力对燃烧转捩的影响

如图11(a)所示，初始压力越高，火焰传播速度越快，可以看到当初始压力仅提升0.1MPa，传播时间就可以从0＝0.2MPa时的39ms缩短为0＝0.3MPa时的21ms．因为爆燃的传播速度比层流燃烧的火焰传播速度快很多，因此在燃烧室内的火焰传播时长取决于火焰发生燃烧状态转捩的时刻．这与Nagai等[18]和Pan等[19-21]的情况类似，当初始压力越高时，火焰发生缓燃转爆燃的距离和时间越短，而爆燃速度远远高于未发生爆燃的火焰传播速度，因此发生火焰燃烧状态转变的早晚很大程度上决定了燃烧室内火焰传播的时间长短．

在微小空间内，火焰在传播过程中与壁面相接触会导致很强的壁面散热损失，且燃烧室间距越小，比表面积更大，热损失的影响更明显．散热损失的存在会使火焰温度比理论绝热火焰温度要低．由于火焰温度对火焰传播速度起决定作用，因此在之前的研 究[22]中观察到间距减小到一定程度后，强烈的散热使火焰传播速度大幅降低，表现为腔内的压力变化很弱，无明显的压力上升，如图11(b)中0＝0.175MPa时的压力曲线所示．

虽然初始压力的升高会轻微降低混合气的层流火焰速度，但提升初始压力导致燃烧室内混合气浓度上升，即增加了单位体积内混合气的量，使单位体积内燃烧反应中释放的热量上升，降低了散热损失的影响，使火焰温度更高．因此整体上，如图11(a)所示，压力升高会使火焰传播速度增加[22]．并且可以发现在本实验中少量的初始压力变化会使火焰传播速度变化很大，因此在微尺度条件下，初始压力对火焰传播速度的影响远远比常规尺度时要大．

3 结 论

(1) 实验发现，由于特征间距0.45mm小于常温常压下丙烷/空气混合气的淬熄距离，因此混合气火焰需要在 0.25MPa初始压力下才能够着火并传播．随着掺入氢气比例的提高，火焰传播所需要的初始压力降低，让丙烷/氢气/空气混合气火焰在常压下实现传播所需要的最小掺氢比例为h＝0.6．

(2) 通过实验发现在燃料中掺混适量的氢气会使得微尺度条件下火焰传播发生从缓燃到爆燃的模态转变．因为爆燃可以极大缩短燃烧室内的火焰传播时间，提升火焰传播速度，因此这种燃烧模态的转变有利于微尺度燃烧强度和燃烧效率的提升．

(3) 初始压力的提升对火焰传播速度提升的效果非常明显，这是由于提高了单位体积内燃烧反应中释放的热量，从而抵消了部分散热损失的影响，因此可获得较高的峰值压力，即获得了更高的燃烧强度．

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Effects of Hydrogen Blending Ratio on the Characteristics of Deflagration Transition for Laminar Premixed Flame in a Micro-Scale Space

Su Hang1,2,3,4，Huo Jiepeng1,2,3,4，Wang Xiaohan1,2,3，Jiang Liqiao1,2,3，Zhao Daiqing1,2,3

(1. Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China；2. CAS Key Laboratory of Renewable Energy，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China；3. Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development，Guangzhou 510640，China；4. University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

Aimed at the problems of low combustion efficiency and low flame propagation speed in micro-scale power devices which utilize combustion，a visualized constant-volume combustion chamber was fabricated，of which the characteristic length was as small as 0.45mm. Propane/hydrogen/air mixture was adopted in the experiments and the hydrogen blend ratio was changed from 0 to 1. The flame propagation behavior and the flame acceleration were investigated. The experimental results show that the propagation of propane/air flame required an initial pressure of at least 0.25MPa. When the hydrogen blending ratio was 0.2，the transition from slow combustion to deflagration occurred in the process of flame propagation. The conversion of the combustion mode greatly shortened the flame propagation time in the combustion chamber and remarkably increased the flame propagation speed. Moreover，the increase of hydrogen blending ratio and the initial pressure were significantly beneficial to the enlargement of flame propagation speed.

micro-scale combustion；combustion mode transition；deflagration；constant-volume combustion

TK16

A

1006-8740(2021)01-0023-06

10.11715/rskxjs.R202006010

2020-06-08．

国家自然科学基金资助项目(51976219)；中科院可再生能源重点实验室资助基金(y907j91001).

苏 航（1991—  ），男，博士，8wy8279108@163.cm.

霍杰鹏，男，博士，助理研究员，huojp@ms.giec.ac.cn.