氫氣-乙醇預(yù)混燃?xì)鈱恿魅紵鹧娼Y(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性分析

王筱蓉, 嚴(yán) 俊, 陳家興, 李 童

(江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

隨著日益嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)政策和國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的出臺(tái),可再生、低排放能源發(fā)展已成為當(dāng)前能源研究的主題和重點(diǎn)[1].氫氣燃燒的化學(xué)產(chǎn)物只有水,沒有二氧化碳、硫化物等污染物[2],是世界上最清潔的能源.目前氫氣制備有生物制氫和水解制氫等多種方法,這些方法可以控制氫氣生產(chǎn)的成本[3],但氫氣的爆炸極限較低,燃燒過程不穩(wěn)定,從而限制了其作為燃料的發(fā)展.因此,為確保氫氣在燃燒過程中的穩(wěn)定性,常用的解決方案是添加其他低熱值能源降低氫氣的爆炸極限[4].

在標(biāo)準(zhǔn)層流燃燒火焰中,火焰表面是穩(wěn)定的,但具有高比例氫氣的預(yù)混燃料的層流燃燒過程會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定變化,這是火焰從層流燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧魅紵闹匾^程[5].對(duì)這一過程中不穩(wěn)定火焰的形態(tài)和產(chǎn)生因素的分析是預(yù)測(cè)未來火焰形態(tài)發(fā)展的前提,也為提高燃燒效率和穩(wěn)定性提供了依據(jù).1986年,Yu等[6]在甲烷、乙烷等低熱值碳?xì)淙細(xì)庵刑砑由倭繗錃?利用對(duì)沖滯止火焰法對(duì)預(yù)混燃?xì)獾膶恿魅紵匦赃M(jìn)行研究,測(cè)量了一部分預(yù)混燃?xì)獾膶恿魅紵俣?結(jié)果表明,氫氣的加入促進(jìn)了低熱值燃料的燃燒.張勇等[7]利用定容燃燒彈對(duì)甲烷-氫氣預(yù)混燃?xì)獾膶恿魅紵俣冗M(jìn)行測(cè)定,并研究了不同點(diǎn)火能量對(duì)燃?xì)饣鹧鎮(zhèn)鞑サ挠绊?同時(shí)通過測(cè)定不同預(yù)混比例燃?xì)獾鸟R克斯坦長(zhǎng)度,分析了氫氣對(duì)火焰穩(wěn)定性的影響.Liu等[8]對(duì)甲烷-氫氣預(yù)混燃?xì)庠趯恿魅紵^程中的燃燒損失進(jìn)行了測(cè)定,結(jié)果表明,伴隨當(dāng)量比的增加和火焰厚度的減小,傳熱效率會(huì)有所降低,進(jìn)而使火焰熱損失增大.Tang等[9]對(duì)丙烷-氫氣預(yù)混燃?xì)獾娜紵^程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),從氫體積分?jǐn)?shù)小于60%開始,燃料馬克斯坦長(zhǎng)度會(huì)隨著當(dāng)量比的減小而減少,表明火焰越不穩(wěn)定,Lewis數(shù)會(huì)隨著氫比例的提高而減小,燃燒過程中的擴(kuò)散不穩(wěn)定性逐漸增大.張欣等[10]對(duì)低熱值氣體摻混氫氣火焰穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,火焰燃燒中會(huì)出現(xiàn)胞化火焰、局部熄滅和再燃3種形態(tài),氫氣體積分?jǐn)?shù)的提高會(huì)使胞化火焰出現(xiàn)時(shí)間提前以及胞化火焰幅值提高,燃料燃燒進(jìn)程中CO2濃度的提高會(huì)使火焰不穩(wěn)定狀態(tài)受到抑制.以上結(jié)果均表明,氫氣的體積分?jǐn)?shù)對(duì)于火焰穩(wěn)定性有很大影響.

本實(shí)驗(yàn)通過利用少量乙醇與氫氣預(yù)混燃?xì)馊紵齺斫档腿剂系臒嶂?對(duì)充分混合后的預(yù)混燃?xì)膺M(jìn)行了層流燃燒實(shí)驗(yàn),對(duì)層流燃燒過程火焰結(jié)構(gòu)變化和參數(shù)變化進(jìn)行了定性和定量測(cè)定,分析了影響氫氣-乙醇預(yù)混燃?xì)饣鹧娌环€(wěn)定性的因素.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)采用的是球形火焰法[11],實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖見圖1.實(shí)驗(yàn)利用電極在恒定體積的燃燒彈中點(diǎn)燃混合氣體,并通過高速相機(jī)拍攝球形火焰,以獲取火焰膨脹的圖像.實(shí)驗(yàn)設(shè)備由以下模塊組成:定容燃燒彈、點(diǎn)火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及氣體供應(yīng)與排放系統(tǒng).定容燃燒彈內(nèi)通過PID控制器控制彈體內(nèi)壁上加熱電阻進(jìn)行加熱,溫度顯示器顯示彈體內(nèi)部溫度; 壓力表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)彈體內(nèi)的壓強(qiáng)變化;壓力傳感器連接示波器用于記錄實(shí)驗(yàn)過程中定容燃燒彈內(nèi)部的壓力變化;燃燒彈內(nèi)中心位置有2根相對(duì)的電極用于點(diǎn)火;定容燃燒彈相對(duì)的兩側(cè)裝有石英玻璃視窗,提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)光路傳輸通道.同步觸發(fā)器連接高速攝像機(jī)、點(diǎn)火控制器和示波器,由電腦同步觸發(fā)開始信號(hào).實(shí)驗(yàn)中使用的高速相機(jī)的幀率為10 000幀/S,分辨率為1024×1024.在實(shí)驗(yàn)中,由體積分?jǐn)?shù)為90%的氫氣和10%的乙醇組成的預(yù)混燃?xì)庠诙ㄈ萑紵龔椫羞M(jìn)行混合后點(diǎn)火燃燒,對(duì)其在不同當(dāng)量比(φ)條件下火焰不穩(wěn)定進(jìn)行分析.本實(shí)驗(yàn)的預(yù)混燃?xì)庖驭誋2=90%表示.

圖1 設(shè)備示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental device

2 結(jié)果與討論

2.1 層流燃燒特性分析

本實(shí)驗(yàn)通過控制預(yù)混燃?xì)夂涂諝獾牟煌壤?即調(diào)節(jié)預(yù)混氣體的當(dāng)量比(φ),來測(cè)定不同反應(yīng)過程中預(yù)混燃?xì)獾幕鹧孀兓?當(dāng)預(yù)混燃?xì)馔耆涂諝夥磻?yīng)時(shí)φ=1;當(dāng)反應(yīng)后燃料剩余,即為氧氣的量不足時(shí)φ<1;當(dāng)反應(yīng)后氧氣剩余,即為氧氣富余時(shí)φ>1.高速攝像機(jī)拍攝到的火焰圖像進(jìn)行后期處理后,得到火焰圖像的擴(kuò)展參數(shù),用以研究層流火焰的燃燒特性.由于火焰擴(kuò)展過程中表現(xiàn)出不穩(wěn)定行為,無法成為平滑的球形火焰,所以本實(shí)驗(yàn)提取拍攝到的各個(gè)時(shí)刻的火焰紋影圖像中的球形火焰面積,通過面積等效得到平滑的球形火焰,計(jì)算各個(gè)時(shí)刻等效火焰的等效半徑Rf,mm.通過等效半徑Rf的變化率計(jì)算球形火焰?zhèn)鞑ニ俣萐b[12],

(1)

式中,t為點(diǎn)火后的時(shí)間,s;由于火焰在傳播過程會(huì)受到拉伸作用,此時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣萐b又稱為拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣?mm·s-1.

火焰拉伸率α定義為火焰表面積A內(nèi)無限小的區(qū)域所對(duì)應(yīng)的時(shí)間導(dǎo)數(shù),s-1,由此可以推導(dǎo)出球形火焰拉伸變形的計(jì)算公式[13],

(2)

圖2為φH2=90%時(shí)5種當(dāng)量比下球形火焰等效半徑隨時(shí)間的變化. 當(dāng)預(yù)混燃?xì)馓幱谪毴紶顟B(tài)時(shí), 火焰等效半徑的增長(zhǎng)規(guī)律近似線性, 當(dāng)量比增大時(shí), 等效半徑增大速度加快. 隨著φ的增加,相鄰當(dāng)量比之間的火焰等效半徑的間距逐漸減小, 即在稀薄燃燒狀態(tài)下伴隨當(dāng)量比增加, 火焰擴(kuò)展加速度減小.

圖2 5種當(dāng)量比下球形火焰等效半徑隨時(shí)間的變化Fig.2 Variation of spherical flame radius with time under five equivalence ratios

圖3為5種當(dāng)量比下火焰拉伸率隨等效半徑的變化.圖中曲線的變化規(guī)律相似,隨著當(dāng)量比的增加,火焰的拉伸率隨之提高,當(dāng)量比一定時(shí),火焰的拉伸率隨等效半徑呈指數(shù)式下降,當(dāng)火焰等效半徑增加到一定范圍,拉伸率的降低趨勢(shì)逐漸平緩.由于火焰等效半徑的擴(kuò)大,火焰拉伸率降低,火焰的拉伸效應(yīng)逐漸不能抑制火焰的突起,進(jìn)而導(dǎo)致火焰裂紋的產(chǎn)生,直至胞化形成.圖中φ=0.7和φ=0.8曲線之間間距較大,表明燃料燃燒過程中層流預(yù)混火焰的穩(wěn)定性在φ為0.7～0.8的過程中變化較大.

圖3 5種當(dāng)量比下火焰拉伸率隨火焰等效半徑的變化Fig.3 The variation of elongation with equivalent radius under five equivalent ratios

通過選取層流火焰穩(wěn)定燃燒的區(qū)域,外推計(jì)算其拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣群屠炻手g的變化[14].圖4為燃料在5種當(dāng)量比下的拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣入S火焰拉伸率的變化.通過線性擬合的方式可以測(cè)定其馬克斯坦長(zhǎng)度(Lb)和無拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣?Sn),線性公式[15]為

Sb-Sn=Lbα.

(3)

式中,Lb用以表征拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣葘?duì)拉伸率變化的敏感度[16],mm,是火焰?zhèn)鞑ミ^程中火焰穩(wěn)定性進(jìn)行量化分析的一個(gè)重要參數(shù).利用線性外推法,曲線外推至拉伸率無限小時(shí),對(duì)應(yīng)的火焰?zhèn)鞑ニ俣燃礋o拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n,mm·s-1.

從圖4中的曲線變化趨勢(shì)可以看到,拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣入Sφ的增加而增大,但其與拉伸率的變化趨勢(shì)隨φ的增加逐漸平緩.

圖4 5種當(dāng)量比下拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣入S拉伸率的變化Fig.4 Variation law of stretching flame propagation speed and stretch rate of premixed gas at five equivalence ratios

利用Lb的取值對(duì)火焰未來的發(fā)展?fàn)顟B(tài)進(jìn)行分析預(yù)測(cè).當(dāng)Lb<0時(shí),表示拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣入S拉伸率增加而增大,球形火焰表面產(chǎn)生不穩(wěn)定的突起,在火焰?zhèn)鞑ニ俣入S半徑逐步增大時(shí),突起會(huì)逐漸嚴(yán)重,火焰趨于不穩(wěn)定性狀態(tài)[17].圖5為馬克斯坦長(zhǎng)度隨當(dāng)量比的變化,從圖中可以看到,φH2=90%的預(yù)混燃?xì)庠诋?dāng)量比范圍為0.5～0.9的條件下,所有工況下的Lb<0,這意味著拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣葧?huì)伴隨拉伸率的增加而增大,尤其當(dāng)火焰處于不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),會(huì)使火焰前鋒面上的突起隨火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊脑黾佣觿?火焰向胞化不穩(wěn)定方向發(fā)展.

圖5 馬克斯坦長(zhǎng)度隨當(dāng)量比的變化Fig.5 The change law of Markstein length with the increase of equivalence ratio

2.2 火焰不穩(wěn)定狀態(tài)分析

火焰的不穩(wěn)定狀態(tài)受到的影響因素包括:浮力不穩(wěn)定、擴(kuò)散不穩(wěn)定以及流體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定[18].其中浮力不穩(wěn)定是由于球形火焰擴(kuò)散過程中,已燃?xì)怏w密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于未燃?xì)怏w密度,導(dǎo)致已燃?xì)怏w無法克服重力,火焰的形貌呈現(xiàn)蘑菇狀向上.本次實(shí)驗(yàn)未出現(xiàn)此類現(xiàn)象,所以實(shí)驗(yàn)中未作考慮.

圖6為5種當(dāng)量比下層流火焰擴(kuò)展的不穩(wěn)定火焰紋影圖像.當(dāng)火焰半徑小于10 mm時(shí),不同當(dāng)量比的火焰形態(tài)變化不大,火焰形狀基本能夠保持規(guī)則的球形.火焰狀態(tài)從15 mm開始變化,φ=0.5時(shí),在火焰的兩端出現(xiàn)凸起,并且火焰褶皺開始擴(kuò)散;φ=0.6時(shí),相同半徑下的火焰中僅出現(xiàn)細(xì)小裂紋;φ=0.9時(shí),火焰僅在恒壓段的末端出現(xiàn)小裂紋.φ=0.9、Rf=15 mm時(shí),火焰僅在膨脹中變化,并且火焰形態(tài)在后面時(shí)間里保持相似變化,隨當(dāng)量比的減小,火焰褶皺出現(xiàn)的火焰半徑變小.5種當(dāng)量比下火焰半徑的不穩(wěn)定性變化規(guī)律從理論上解釋了火焰中的流體動(dòng)力學(xué)和傳熱傳質(zhì)不穩(wěn)定火焰出現(xiàn)的形貌變化[19].

當(dāng)量比較低時(shí),預(yù)混火焰產(chǎn)生的不穩(wěn)定性主要是傳質(zhì)傳熱不穩(wěn)定性,原因是層流火焰的擴(kuò)展過程中,火焰前鋒面兩側(cè)進(jìn)行著化學(xué)反應(yīng),而在反應(yīng)過程會(huì)發(fā)生傳熱和傳質(zhì)過程.傳質(zhì)傳熱的不平衡可能產(chǎn)生氣體擴(kuò)散不穩(wěn)定,這種擴(kuò)散不穩(wěn)定性能夠通過路易斯數(shù)(Le)進(jìn)行判定[20].路易斯數(shù)是描述對(duì)流過程中傳熱傳質(zhì)狀態(tài)的無量綱參數(shù),能夠通過熱擴(kuò)散系數(shù)(DT,m2·s-1)與不足反應(yīng)物質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)(Dim,m2·s-1)的比值來計(jì)算,計(jì)算公式為

(4)

圖6 5種當(dāng)量比下不穩(wěn)定火焰的紋影圖像Fig.6 Schlieren images of unstable flames at 5 equivalence ratios

火焰擴(kuò)散不穩(wěn)定性機(jī)理示意圖如圖7所示,Le<1的狀態(tài)代表了反應(yīng)階段的熱擴(kuò)散系數(shù)要小于質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù),其火焰前鋒正向拉伸反應(yīng)的熱擴(kuò)散引起的能量損失小于反應(yīng)物的物質(zhì)擴(kuò)散帶來的能量輸送,從而使未燃區(qū)域的拉伸速度增加,火焰前鋒面的拉伸行為越來越劇烈,相對(duì)于Le>1的狀態(tài),火焰不穩(wěn)定加劇.

圖7 火焰擴(kuò)散不穩(wěn)定性機(jī)理示意圖Fig.7 Schematic diagram of diffusion instability mechanism

層流火焰不穩(wěn)定變化還可以結(jié)合路易斯數(shù)的變化規(guī)律來解釋[21].圖8為燃料在溫度為400 K時(shí)5種當(dāng)量比下的路易斯數(shù)變化.當(dāng)量比在0.5～0.9之間,燃料球形火焰在擴(kuò)展過程中路易斯數(shù)的數(shù)值都小于1,這表明其在反應(yīng)階段的熱擴(kuò)散系數(shù)小于質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù).通過對(duì)反應(yīng)機(jī)理的分析,可以得出熱擴(kuò)散率小于質(zhì)量擴(kuò)散率,減少了對(duì)燃燒區(qū)域拉伸的結(jié)論[22].拉伸變形嚴(yán)重使火焰更加不穩(wěn)定,這種不穩(wěn)定性將隨當(dāng)量比的減小而增加,這也同時(shí)解釋了路易斯數(shù)小于0時(shí)的上述變化規(guī)律,火焰?zhèn)鞑ニ俣葘㈦S著路易斯數(shù)的減小而減小.當(dāng)φ=0.7時(shí),與數(shù)據(jù)擬合曲線相比,Le的數(shù)據(jù)點(diǎn)減少較多,這與前文拉伸速度的變化規(guī)律相似,也進(jìn)一步證明了火焰的不穩(wěn)定性是在φ在0.7～0.8之間產(chǎn)生改變的.

圖8 路易斯數(shù)隨當(dāng)量比的變化Fig.8 The law of Lewis number changing with equivalence ratio

通過火焰紋影圖像,可以觀察到不穩(wěn)定的層流火焰在火焰前沿具有不同形狀和大小的突起和裂紋[23].由于火焰拉伸引起火焰前表面的褶皺和突起,不能直接獲得火焰半徑,因此采用面積的等效獲得火焰半徑.圖9為等效半徑為30 mm時(shí),當(dāng)量比為0.5和0.9的層狀火焰實(shí)際半徑與等效半徑之間的波動(dòng).由于火焰的不穩(wěn)定性,與等效火焰相比,實(shí)際火焰的前表面是波動(dòng)的,因此對(duì)實(shí)際火焰半徑R與等效火焰半徑Rf隨火焰角度變化進(jìn)行比較,能夠判定火焰不穩(wěn)定性對(duì)火焰形貌的影響.將火焰等效半徑和實(shí)際半徑的間距標(biāo)記為R0(R0=R-Rf,mm).從圖中可以看到,在火焰等效半徑30 mm處,火焰前鋒的凸起更加明顯,此條件下可以更清晰地呈現(xiàn)火焰結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性變化.2種當(dāng)量比的R0波動(dòng)趨勢(shì)是相似的,表明不同當(dāng)量比的火焰出現(xiàn)不穩(wěn)定變化是相似的;角度為0°,180°和360°時(shí),R0的絕對(duì)值最大,表明兩側(cè)火焰鋒的突起最為嚴(yán)重;當(dāng)量比增大時(shí)R0趨于平緩,當(dāng)φ=0.9時(shí)半徑差基本在1 mm以內(nèi),表明隨火焰當(dāng)量比的增加,火焰結(jié)構(gòu)趨于平緩.

圖9 等效半徑30 mm時(shí)當(dāng)量比為0.5和0.9的火焰實(shí)際半徑與等效半徑間距的波動(dòng)Fig.9 Fluctuation between actual flame radius and equivalent flame radius under equivalent ratios of 0.5 and 0.9 at 30 mm equivalent radius

通過火焰厚度和熱膨脹率也可以對(duì)這種球形火焰不穩(wěn)定性進(jìn)行因素探究[24].火焰厚度(δ,mm)定義為混合氣體燃燒空間和未燃燒空間的距離,計(jì)算公式為

(5)

式中:Tb為燃燒過程中已燃?xì)怏w溫度,K;Tu為未燃?xì)怏w溫度,K;(dT/dR)max為球形火焰膨脹過程中溫度變化的最大點(diǎn),K·mm-1.

由于熱力分布的不均勻性導(dǎo)致火焰發(fā)展過程中產(chǎn)生流體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài),可以通過火焰前鋒面的熱膨脹系數(shù)變化來測(cè)定其影響大小,熱膨脹系數(shù)σ定義為未燃?xì)怏w和已燃?xì)怏w之間的密度跳動(dòng)變化,即表示為未燃?xì)怏w密度和已燃?xì)怏w密度之間的比值,其計(jì)算公式為

(6)

圖10 火焰厚度與熱膨脹系數(shù)隨當(dāng)量比的變化Fig.10 Variation law of flame thickness and thermal expansion coefficient with equivalence ratio

式中,ρu表示未燃?xì)怏w密度,kg·m-3;ρb表示已燃?xì)怏w密度,kg·m-3.火焰前鋒面上的密度跳動(dòng)引起火焰前鋒面產(chǎn)生了胞化不穩(wěn)定性,胞化前鋒面熱膨脹系數(shù)高時(shí)火焰容易產(chǎn)生不穩(wěn)定.火焰厚度與熱膨脹系數(shù)隨當(dāng)量比的變化如圖10所示,從圖中可以看到,燃料在不同當(dāng)量比下進(jìn)行的燃燒過程中,燃料的火焰厚度會(huì)隨當(dāng)量比的增加而變薄,整體趨勢(shì)和火焰熱膨脹率相反.火焰厚度的降低會(huì)提高火焰前鋒面抵抗變形的能力,當(dāng)量比的增加會(huì)減少火焰褶皺的產(chǎn)生,提高火焰的穩(wěn)定性,因此火焰厚度是造成火焰不穩(wěn)定的重要因素之一.

3 結(jié) 論

本文利用高速攝像機(jī)與紋影系統(tǒng),拍攝定容燃燒彈中層流火焰的擴(kuò)展過程,分析了層流火焰不穩(wěn)定性的表現(xiàn)形式,結(jié)論如下.

1)φH2=90%的預(yù)混燃料的拉伸率在穩(wěn)定燃燒階段趨于平緩,拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣入S當(dāng)量比的增加而增大,火焰拉伸率也隨著當(dāng)量比的增加而提高.

2)φH2=90%時(shí)的預(yù)混燃料在0.5～0.9的當(dāng)量比條件下,所有狀態(tài)下的Lb<0,同時(shí)這些狀態(tài)下的Le<1.隨當(dāng)量比的提高,Lb和Le都逐漸提高,說明高比例氫氣在貧燃狀態(tài)下,氧氣量的增加能促使火焰穩(wěn)定性提高.

3) 層流火焰在貧燃條件下點(diǎn)火,隨球形火焰的擴(kuò)展,四周火焰前鋒面尤其是兩邊出現(xiàn)了裂紋與凸起,隨后裂紋線逐漸向中心延伸,接著裂紋線互相交叉形成大小不一的胞,最終充斥整個(gè)火焰前鋒面,這是火焰不穩(wěn)定性的發(fā)展過程.

4) 當(dāng)量比的增加減小了火焰前鋒面的拉伸,且火焰實(shí)際半徑與等效半徑之間的波動(dòng)減小了,這穩(wěn)定了火焰的傳播過程.

5) 層流火焰的不穩(wěn)定發(fā)展影響因素包括熱膨脹系數(shù)和火焰厚度,主要表現(xiàn)為火焰前鋒面熱膨脹系數(shù)隨當(dāng)量比增加而增大,火焰厚度隨當(dāng)量比增加而減小,這抵消了火焰胞化的產(chǎn)生,減緩了火焰的不穩(wěn)定.