小尺度射流擴(kuò)散火焰結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究*

甘云華 宋景東 楊澤亮 矯明倫 鄭昊

(1.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州510640;2.東北電力大學(xué)研究生部，吉林吉林132012)

近年來(lái)，微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)得到了廣泛的研究和高速的發(fā)展.Wen［1］對(duì)MEMS領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)和前沿問(wèn)題進(jìn)行了較為全面的綜述，認(rèn)為以微燃燒為基礎(chǔ)的微能源系統(tǒng)的研究是MEMS中極有前途的一個(gè)領(lǐng)域.微燃燒系統(tǒng)所能提供的能量密度約為常規(guī)電池的20～75倍，具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性［2］.

許多學(xué)者對(duì)微尺度燃燒特性進(jìn)行了大量的研究.Cao等［3］對(duì)不銹鋼環(huán)形燃燒室中氫氣－空氣的預(yù)混燃燒進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，對(duì)壁面溫度和排氣溫度進(jìn)行了測(cè)量，計(jì)算了不同熱功率下的熱損失.Maruta等［4］采用內(nèi)徑為2mm的石英圓管作為燃燒室，對(duì)甲烷－空氣或丙烷－空氣的預(yù)混燃燒進(jìn)行了實(shí)驗(yàn).李軍偉等［5］采用內(nèi)徑2mm和1.4mm的微細(xì)不銹鋼管和陶瓷管進(jìn)行氧氣和甲烷氣體的燃燒實(shí)驗(yàn).Sunderland等［6-8］以甲烷、乙烷和丙烷等為燃料，對(duì)微小尺度層流擴(kuò)散火焰進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并分析了微重力和超重力下的變化規(guī)律.Matta等［9］對(duì)丙烷的微射流擴(kuò)散火焰結(jié)構(gòu)進(jìn)行了可視化測(cè)量.Cheng等［10］采用紫外雷曼散射結(jié)合激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)對(duì)氫氣小火焰特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn).蔣利橋等［11］對(duì)用不同直徑的微/小尺度圓管對(duì)甲烷在空氣中的擴(kuò)散火焰燃燒進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，分析了火焰結(jié)構(gòu)，探討了熄滅特性.

Fernandez-Pello［12］指出，采用液體碳?xì)浠衔锶剂系奈⑷紵到y(tǒng)具有廣闊的發(fā)展空間，與氣體微燃燒系統(tǒng)相比具有體積小、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn).目前關(guān)于直接采用液體燃料來(lái)進(jìn)行的微燃燒系統(tǒng)的研究非常少.Chen等［13］采用液體乙醇為燃料，進(jìn)行了小尺度的擴(kuò)散燃燒實(shí)驗(yàn)研究，分析了燃燒過(guò)程中火焰結(jié)構(gòu)及乙醇汽液界面的變化規(guī)律.Yang等［14-15］考察了在不同的流量下，液體乙醇擴(kuò)散小火焰結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，并分析了外加電場(chǎng)對(duì)小火焰結(jié)構(gòu)的影響.

分析火焰結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律是了解微尺度燃燒特性的一個(gè)重要途經(jīng).鑒于此，文中采用液體乙醇為燃料，對(duì)小尺度自由空間和受限空間下的射流擴(kuò)散火焰結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行對(duì)比分析，以期為微燃燒系統(tǒng)的研制提供一定的參考依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

所采用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示.液體乙醇由注射泵經(jīng)連接管輸送到陶瓷管中，以陶瓷管作為燃燒器，乙醇經(jīng)陶瓷管出口垂直向上噴出，經(jīng)點(diǎn)火后燃燒.若陶瓷管外沒(méi)有放置玻璃管則形成自由射流擴(kuò)散火焰;若放置玻璃管則形成受限射流擴(kuò)散火焰.陶瓷管由銅制底座來(lái)支撐和固定，陶瓷管伸出底座的長(zhǎng)度可以預(yù)先調(diào)整.進(jìn)入陶瓷管內(nèi)的乙醇流量由TS2-60型注射泵精確控制(誤差在±1.0%以內(nèi)).火焰圖像由數(shù)字式CCD攝像頭(型號(hào)為ProgRes C12plus)結(jié)合顯微鏡來(lái)測(cè)量，圖像分辨率可達(dá)2580×1944.火焰圖像經(jīng)拍攝后可實(shí)時(shí)傳送至電腦儲(chǔ)存和處理.

放置透明玻璃管的目的，主要是為了形成受限空間，另外也便于透過(guò)玻璃管來(lái)拍攝火焰圖像.研究中所采用的受限空間結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示.陶瓷管內(nèi)徑為1.0mm，外徑為2.0mm，總長(zhǎng)為30mm;玻璃管內(nèi)徑為8.8mm，外徑為12mm，總長(zhǎng)為102mm.陶瓷管伸出底座長(zhǎng)度為10 mm.玻璃管下端與底座出口端平齊.燃料乙醇射流經(jīng)點(diǎn)燃后，將受到玻璃管內(nèi)壁的限制，形成受限射流擴(kuò)散火焰.

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system

在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，穩(wěn)定燃燒時(shí)產(chǎn)生的典型層流射流擴(kuò)散火焰結(jié)構(gòu)如圖2所示.液體乙醇經(jīng)受熱汽化并經(jīng)點(diǎn)燃后，會(huì)形成明顯的火焰面.火焰底部通常會(huì)離開(kāi)陶瓷管口一定的距離.研究中定義火焰長(zhǎng)度L為自陶瓷管口到火焰頂部的距離，火焰寬度W為火焰在水平方向最大距離，如圖2所示.實(shí)驗(yàn)所拍攝的火焰圖像，由軟件Origin7.5進(jìn)行后處理，由于已知陶瓷管外徑為2.0mm，根據(jù)相應(yīng)的比例可得出火焰長(zhǎng)度及寬度.

圖2 火焰結(jié)構(gòu)Fig.2 Flame structure

2 數(shù)據(jù)處理

液體乙醇的體積流量Ql由注射泵設(shè)定并精確控制，則液體乙醇的流速uL為:

式中:A為陶瓷管出口截面積;d為陶瓷管內(nèi)徑.

乙醇經(jīng)受熱氣化后的氣態(tài)流量可由質(zhì)量守恒方程求出:

式中:ρL、ρV、uV分別為乙醇的液態(tài)密度、氣態(tài)密度和氣態(tài)下的流速.

乙醇蒸氣的雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)分別定義如下:

式中:μV、g分別為乙醇蒸氣的動(dòng)力黏度和重力加速度.

上述各式中，液態(tài)時(shí)的物性參數(shù)均取室溫20℃下的物性，氣態(tài)時(shí)的物性參數(shù)取沸點(diǎn)78.29℃下的物性.根據(jù)文獻(xiàn)［16］中相關(guān)公式計(jì)算得出，乙醇液態(tài)密度ρL為789.3kg/m3，液態(tài)動(dòng)力黏度μL為1.17× 10－3Pa·s，蒸氣的密度ρV為1.590 kg/m3，蒸氣的動(dòng)力黏度μV為10.40×10－6Pa·s.實(shí)驗(yàn)所采用的乙醇為分析純，純度達(dá)99.5%以上.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 火焰圖像

文中實(shí)驗(yàn)是在保持其它條件不變的前提下，通過(guò)改變液體乙醇的流量來(lái)獲取不同工況下的火焰圖像.筆者所在課題組前期的研究結(jié)果表明:當(dāng)流量很小時(shí)會(huì)出現(xiàn)接近于熄滅時(shí)的燃燒火焰，呈扁平的半月?tīng)?當(dāng)流量較大時(shí)會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的振蕩燃燒火焰;而當(dāng)流量適中時(shí)會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定燃燒火焰，呈球狀或半球狀［17］.本研究的主要目的是比較自由射流與受限射流下的火焰結(jié)構(gòu)，因此選取處于穩(wěn)定燃燒階段的工況來(lái)進(jìn)行對(duì)比分析.

文中在相同的液體乙醇流量下進(jìn)行了13組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，各工況下的流量 QL分別為1.80、1.85、1.90、1.95、2.00、2.05、2.10、2.15、2.20、2.25、2.30、2.35和2.40mL/h.圖3給出了液體乙醇流量為2.25 mL/h時(shí)的火焰圖像.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中先進(jìn)行自由射流燃燒實(shí)驗(yàn)，然后慢慢放置玻璃管進(jìn)行受限射流燃燒實(shí)驗(yàn).圖3(a)給出了自由射流擴(kuò)散火焰圖像，呈典型的橢球狀，火焰呈淡藍(lán)色，火焰面十分明亮，火焰底部至陶瓷管口的距離較小.圖3(b)給出了受限射流擴(kuò)散火焰圖像，呈圓錐狀，平面輪廓近似成三角形，火焰呈淡藍(lán)色，火焰面清晰，火焰底部至陶瓷管口的距離較大，火焰的長(zhǎng)度和寬度都較自由射流擴(kuò)散火焰小.而且圖3(b)中陶瓷管出口處可觀察到明顯的氣液相變界面.在受限射流情況下，空氣從受限空間下方進(jìn)入燃燒區(qū)域，燃燒后從玻璃管上方流出，這種流場(chǎng)有助于預(yù)熱空氣，提高燃燒溫度，促進(jìn)液體乙醇在靠近管口附近汽化，使得氣液界面提升到管口上方，從而使火焰呈略向內(nèi)收斂的形態(tài).其它流量下的工況所得出的火焰圖像的結(jié)構(gòu)特征基本相似，篇幅所限這里不一一列出.

圖3 液體乙醇流量為2.25mL/h時(shí)的火焰圖像Fig.3 Flame images at a liquid ethanol flowrate of 2.25mL/h

3.2 火焰長(zhǎng)度

火焰結(jié)構(gòu)，特別是火焰長(zhǎng)度，是層流射流擴(kuò)散火焰的一項(xiàng)最基本的特性，得到了許多學(xué)者的廣泛關(guān)注［6-8，11，13-15］.參照文獻(xiàn)中的慣例，將火焰長(zhǎng)度進(jìn)行無(wú)量綱化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.無(wú)論是自由射流火焰還是受限射流火焰，變化趨勢(shì)較為相近，無(wú)量綱火焰長(zhǎng)度L/d均隨雷諾數(shù)的增大而增大，且近似按線性規(guī)律變化.為了考查浮升力的影響，圖4還給出了無(wú)量綱火焰長(zhǎng)度隨弗勞德數(shù)的變化規(guī)律.

圖4 無(wú)量綱火焰長(zhǎng)度與雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)的關(guān)系Fig.4 Dimensionless flame length varying with Reynolds number and Froude number

由各工況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算可知，在相同的雷諾數(shù)下受限射流擴(kuò)散火焰長(zhǎng)度要比自由射流火焰小26%～33%.由燃燒學(xué)的基本理論，可以推斷在文中實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，受限射流的燃料和空氣的混合條件較好，因而火焰較短，相應(yīng)的燃燒效率更高.

對(duì)于層流擴(kuò)散火焰，其火焰長(zhǎng)度主要受分子擴(kuò)散、動(dòng)量傳遞及浮升力3個(gè)方面作用的影響［18］.在文中實(shí)驗(yàn)條件下，每個(gè)工況均保持流速一致，相應(yīng)的雷諾數(shù)也相同，無(wú)論是自由射流還是受限射流，動(dòng)量傳遞的影響基本相同.而在受限射流的情況下，由于外加玻璃管，減少了火焰向外界的熱損失，一方面加快了液體乙醇的蒸發(fā)，在管口形成明顯的汽液界面;另一方面，增強(qiáng)了空氣和乙醇蒸汽的熱運(yùn)動(dòng)，分子擴(kuò)散影響加劇.另外，由于受限射流火焰的熱損失較小，使得受限空間內(nèi)外空氣的溫差增大，浮升力的影響加劇，火焰長(zhǎng)度縮小.

基于文中實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給出了自由射流擴(kuò)散火焰及受限射流擴(kuò)散火焰長(zhǎng)度的無(wú)量綱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式如下:

式中:Lf、Lc分別為自由射流擴(kuò)散火焰長(zhǎng)度和受限射流擴(kuò)散火焰長(zhǎng)度.

對(duì)比式(5)和(6)，可以看出在文中實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，在小尺度下，射流擴(kuò)散火焰長(zhǎng)度均受弗勞德數(shù)的影響，而且受限射流擴(kuò)散火焰長(zhǎng)度受弗勞德數(shù)的影響更大，這主要是由分子擴(kuò)散和浮升力的影響加劇所致.

3.3 火焰寬度

火焰寬度也是表征射流擴(kuò)散燃燒特性的一個(gè)重要參數(shù).目前有關(guān)火焰寬度的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式還相對(duì)較少［6］.圖5給出了無(wú)量綱火焰寬度隨雷諾數(shù)及弗勞德數(shù)的變化規(guī)律.基于文中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式如下:

式中:Wf、Wc分別為自由射流擴(kuò)散火焰寬度和受限射流擴(kuò)散火焰寬度.

圖5 無(wú)量綱火焰寬度與雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)的關(guān)系Fig.5 Dimensionless flame width varying with Reynolds number and Froude number

由各工況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算可知，無(wú)量綱火焰寬度隨雷諾數(shù)的增大近似呈線性規(guī)律增大;在相同的雷諾數(shù)下，受限射流擴(kuò)散火焰寬度要比自由射流擴(kuò)散火焰的小7%～13%.

對(duì)于層流射流擴(kuò)散火焰，通?？梢詣澐殖蓛煞N基本類型:主要受擴(kuò)散機(jī)制支配的類型和主要受浮升力機(jī)制支配的類型.對(duì)于小尺度擴(kuò)散火焰，通常認(rèn)為是由對(duì)流－擴(kuò)散機(jī)制所支配［18］.由此，可以推斷受限射流擴(kuò)散燃燒時(shí)燃料和空氣的混合效果要好于自由射流擴(kuò)散燃燒，從而火焰寬度較小.

本實(shí)驗(yàn)中弗勞德數(shù)在10～18的范圍內(nèi)變化，浮升力對(duì)兩種情況下的火焰寬度均有一定的影響，特別是受限射流擴(kuò)散火焰受浮升力的影響較大.

4 結(jié)語(yǔ)

文中以液體乙醇為燃料，采用內(nèi)徑為1.0mm的陶瓷管作為燃燒器，進(jìn)行了小尺度自由射流及受限射流擴(kuò)散燃燒對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)穩(wěn)定燃燒情況下的火焰結(jié)構(gòu)進(jìn)行了光學(xué)可視化測(cè)量.在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，自由射流擴(kuò)散火焰呈橢球狀，受限射流擴(kuò)散火焰呈圓錐狀.在相同的乙醇流量下，受限射流擴(kuò)散火焰的長(zhǎng)度和寬度均小于自由射流擴(kuò)散火焰.受限射流擴(kuò)散燃燒時(shí)燃料和空氣的混合效果要好于自由射流擴(kuò)散燃燒，而且其火焰結(jié)構(gòu)受浮升力的影響較大.下一步工作中，將進(jìn)一步減小陶瓷管內(nèi)徑及受限空間尺寸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合數(shù)值計(jì)算進(jìn)行對(duì)比研究.

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