隨機(jī)填充型多孔介質(zhì)的表面燃燒現(xiàn)象

孫穎，王 平*，姜霖松，尹智成，Antonio Ferrante,2

（1.江蘇大學(xué)能源研究院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.燃燒與環(huán)境中心,意大利 巴里70023）

多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)又稱為PMC (Porous Media Combustion) 技術(shù)，是最近十余年國際燃燒領(lǐng)域發(fā)展的一種全新燃燒方式[1]，在民用紅外線燃燒器、工業(yè)廢氣燃燒凈化處理和新型超絕熱燃燒技術(shù)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景[2]。與自由空間燃燒相比，預(yù)混合氣體在多孔介質(zhì)中的燃燒具有調(diào)節(jié)范圍廣、污染物排放低等優(yōu)點(diǎn)[3]，但燃燒流場復(fù)雜，亟須對其燃燒特性開展深入研究。

由于隨機(jī)堆積型多孔介質(zhì)燃燒器結(jié)構(gòu)簡單，由小球直接堆積而成，近年來在過濾燃燒領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，學(xué)者們對此展開了大量研究。Zhdanok等[4]采用實(shí)驗(yàn)的方法研究了甲烷/空氣預(yù)混氣體在氧化鋁小球隨機(jī)堆積多孔介質(zhì)內(nèi)的燃燒，最終確定了火焰面的傳播特性。研究結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)工況下的火焰可以在多孔介質(zhì)燃燒器中穩(wěn)定向前傳播，火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?.1 mm/s 數(shù)量級。Bakry等[5]研究了預(yù)混氣體在一種新型多孔惰性介質(zhì)(PIM)燃燒器中的燃燒特性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)量比是影響過濾燃燒的一個重要因素，隨當(dāng)量比的增大，峰值溫度會降低，高溫區(qū)域變大，但燃燒波的傳播速度會下降。Marbach等[6]通過實(shí)驗(yàn)研究了甲烷/空氣預(yù)混氣體在碳化硅顆粒隨機(jī)填充床內(nèi)的浸沒燃燒和表面燃燒特性，發(fā)現(xiàn)表面燃燒的燃燒極限更好，且隨著碳化硅顆粒直徑的增大，浸沒燃燒和表面燃燒的火焰穩(wěn)定性均變差。Devi 等[7]通過側(cè)向面多孔輻射燃燒器(SFPRB)研究了沼氣在碳化硅和氧化鋁顆粒組成的圓形多孔層中的燃燒，結(jié)果表明在所有工況下，燃燒器的熱分布都是均勻的，這說明多孔介質(zhì)燃燒器更適合用于熱光伏系統(tǒng)。

在數(shù)值模擬方面，鄭成航等[8]采用計算流體力學(xué)（CFD）方法模擬研究了甲烷氣體在二維氧化鋁小球堆積床中浸沒燃燒的火焰特性，分析了不同入口速度下的火焰形狀，發(fā)現(xiàn)當(dāng)預(yù)混氣體的入口速度較大時，火焰面呈拋物線狀，入口速度較小時火焰面輪廓較為平整。Hashemi 等[9]采用二維模型對甲烷-空氣預(yù)混氣體在兩層多孔燃燒器內(nèi)的火焰穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)隨著當(dāng)量比的增加，火焰穩(wěn)定極限和火焰峰值溫度隨之升高。

針對填充結(jié)構(gòu)中的流場流動特性，學(xué)者們利用不同測量手段進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。Lovreglio 等[10]利用核磁共振成像(MRI)技術(shù)測量了層流條件下填充床中的速度分布，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與CFD 模擬結(jié)果表現(xiàn)了良好的一致性。Yang 等[11]利用MRI 技術(shù)對填充床中孔隙尺度流動的CFD 模擬進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明模擬的速度場與實(shí)測的速度場相似，而局部速度和速度直方圖的比較顯示出較大偏差，這主要?dú)w因于MRI 測量的局限性。Wood 等[12]利用粒子圖像測速(PIV)技術(shù)，對填充床中的速度場進(jìn)行了測量，由于PIV 測量技術(shù)能夠提供更高的速度測量精度，速度測量結(jié)果與CFD 結(jié)果吻合度有明顯提高。

盡管預(yù)混氣體在隨機(jī)堆積型多孔介質(zhì)內(nèi)的燃燒研究已經(jīng)取得很大進(jìn)展，但對于多孔介質(zhì)表面的尾流流場研究甚少。因此，本研究組設(shè)計并搭建了一種新型的可視化隨機(jī)填充結(jié)構(gòu)尾流燃燒器，通過PIV 系統(tǒng)與尾氣測量系統(tǒng)相結(jié)合的方法，測量了冷態(tài)狀態(tài)下隨機(jī)填充型多孔介質(zhì)的尾流流場，研究甲烷/空氣預(yù)混氣體在不同當(dāng)量比下表面燃燒的火焰形態(tài)和CO 排放情況。本工作的目的在于揭示甲烷/空氣預(yù)混氣體表面燃燒火焰特性，為后續(xù)多孔介質(zhì)表面燃燒器的優(yōu)化設(shè)計提供相應(yīng)實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及步驟

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1 為測量填充型多孔介質(zhì)表面流場的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，主要分為供氣系統(tǒng)、燃燒器和測量系統(tǒng)3 部分。供氣系統(tǒng)由甲烷氣瓶、空氣氣瓶和質(zhì)量流量控制器組成。通過計算機(jī)的控制，分別使用Horiba 公司的 0～30 L/min 和0～250 L/min 量程的數(shù)字式氣體質(zhì)量流量控制器(MFC)來調(diào)整甲烷和空氣兩種氣體的體積流量及比例，以得到不同當(dāng)量比的實(shí)驗(yàn)工況。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

燃燒器裝置示意圖如圖2 所示。燃燒器外徑30 mm，內(nèi)徑25 mm，高80 mm，用高溫陶瓷膠密封在鋼板平面上，可直接觀察到高溫氣體在多孔介質(zhì)表面的燃燒情況。氣體入口處用高溫陶瓷膠沿著內(nèi)壁均勻固定4 個等尺寸的拉西環(huán)。拉西環(huán)材質(zhì)是氧化鋁陶瓷，外徑10 mm，內(nèi)徑5 mm，高10 mm。其用于支撐泡沫陶瓷，在燃燒器下方形成一個自由的擴(kuò)張空間，使得預(yù)混氣體以較均勻的速度進(jìn)入多孔介質(zhì)層。泡沫陶瓷的材質(zhì)是SiC，兩塊泡沫陶瓷的厚度均為20 mm，孔隙率分別為20 ppi 和10 ppi。雙層泡沫陶瓷的作用是預(yù)防燃燒過程中的回火現(xiàn)象，并使混合氣體進(jìn)一步混合均勻。燃燒室內(nèi)填充有直徑5 mm，孔隙率為41.7%的氧化鋁小球。

圖2 燃燒器示意圖Fig.2 Schematic diagram of burner

測量系統(tǒng)包括PIV 測量系統(tǒng)和尾氣測量系統(tǒng)。其中PIV 系統(tǒng)主要由雙脈沖YAG 激光器、CCD 相機(jī)、同步控制器、粒子撒播器和軟件處理系統(tǒng)構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)中所用的YAG 激光器主要參數(shù)為：波長532 nm、雙脈沖最高激光強(qiáng)度都為200 mJ、脈沖頻率范圍1～15 Hz。CCD 相機(jī)分辨率為2 056×2 056 像素，最大幀數(shù)可以達(dá)到15 FPS，灰度12 bit 用以識別示蹤粒子，實(shí)驗(yàn)中根據(jù)實(shí)際情況光圈可調(diào)。同步控制器通過外部觸發(fā)的方式負(fù)責(zé)控制YAG 激光器和CCD 相機(jī)保持同步，從而實(shí)現(xiàn)流場的瞬態(tài)測量。通過綜合考慮實(shí)驗(yàn)測量中示蹤粒子的跟隨性和散射性以及在氣態(tài)燃燒場的耐高溫性，選取直徑為5 μm 的TiO2粒子。PIV 測量軟件中的參數(shù)設(shè)置如下：頻率設(shè)為10 Hz，兩幅連續(xù)圖像之間的時間間隔(曝光時間延遲Δt)設(shè)為32 μs，每次實(shí)驗(yàn)采集的圖像為500 對。尾氣測量系統(tǒng)由ecom-J2KN 煙氣分析儀和煙氣探管構(gòu)成，采樣探頭可承受1 200 ℃的高溫，固定在燃燒器上方15 cm 處。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

本文涉及的實(shí)驗(yàn)分為兩個部分，一個是在不點(diǎn)火的情況下，通過PIV 系統(tǒng)對不同空氣流量下的尾流流場進(jìn)行冷態(tài)測試。空氣經(jīng)過MFC 調(diào)節(jié)到預(yù)定流量，激光器發(fā)射激光照射到流場中，粒子便會發(fā)生散射，這樣高速攝像機(jī)就能捕捉到粒子在流場中的位置。利用高速攝像機(jī)采集圖像，計算速度場。將每對幀劃分為 32×32 像素的詢問區(qū)域，利用50%的重疊計算速度，得到 7 326 個矢量的速度矢量圖。

另一種是燃燒態(tài)實(shí)驗(yàn)。首先調(diào)整甲烷與空氣的 MFC 的示數(shù)分別為1.4 和17.65 L/min，利用點(diǎn)火器進(jìn)行點(diǎn)火，產(chǎn)生表面火焰。預(yù)熱5 min后，再調(diào)整甲烷與空氣的MFC 示數(shù)為實(shí)驗(yàn)工況下的流量。利用高速攝像機(jī)捕捉瞬時火焰宏觀結(jié)構(gòu)，分析不同當(dāng)量比下的表面火焰特性。同時，通過煙氣探管采集煙氣，利用煙氣分析儀測量其中CO 含量和流場溫度。本研究的實(shí)驗(yàn)工況如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)工況Tab.1 Experimental conditions

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 結(jié)合PIV 對尾流流場的分析

2.1.1 云圖分析

通過獲得的流場圖，將各工況下平均場中的渦量(ω)和應(yīng)變率(s)進(jìn)行比較。其中，X-Y平面上X軸的速度分量為Vx，Y軸的速度分量為Vy。由于渦量描述了流體旋轉(zhuǎn)的程度，應(yīng)變率描述了流體單元變形的速率，除了比較速度，比較流場的渦量和應(yīng)變率對于了解流動特性也很重要。鑒于本實(shí)驗(yàn)中僅測量了兩個速度分量，因此根據(jù)這兩個速度分量計算渦量(ω)和應(yīng)變率(s)，計算式如下[13]：

圖3 表示的是冷態(tài)狀態(tài)時，PIV 系統(tǒng)在不同空氣流量下測量的尾流流場平均速度云圖及流線圖、渦量ω云圖和應(yīng)變率s云圖。氣流從燃燒器出口出來之后，繼續(xù)向下游發(fā)展，由于填充域表面孔隙的存在使得氣流在其下游區(qū)域形成渦旋。靠近燃燒器表面處，存在一些較小的低速區(qū)域。這是由于氣流到達(dá)燃燒器表面，受到填充顆粒的阻礙產(chǎn)生回流，從而速度降低。如果氣流通過填充顆粒之間的孔隙管道直接流入下游，則會形成高速區(qū)域。在高速區(qū)中，渦量和應(yīng)變率整體較大，且主要集中于壁面附近和中心軸附近，在壁面達(dá)到最大值，說明流體和壁面之間存在很大的摩擦阻力，摩擦損失嚴(yán)重，耗能大[14]。

整體上，渦量和應(yīng)變率的大小隨著氣體流量的增大而增大，冷態(tài)流場整體平均空氣流量增大20 L/min，渦量和應(yīng)變率隨之增大50%。這是因?yàn)榱髁康脑黾訉?dǎo)致球間空隙的流速增大，從而導(dǎo)致了較大的速度梯度。

2.1.2 流場截面速度分析

為了進(jìn)一步對多孔介質(zhì)尾流區(qū)域的流動特性作出分析，圖4 給出了空氣流量10、30 和50 L/min時，冷態(tài)狀態(tài)下尾流流場中的平均軸向速度Umean以及平均速度均方根Urms沿徑向的分布大小。Umean和Urms使用下面給出的表達(dá)式計算。

圖4 空氣流量10 L/min、30 L/min、50 L/min時，冷態(tài)狀態(tài)下流場不同截面處的軸向平均速度分布和軸向平均速度均方根Fig.4 Axial average velocity distribution and root mean square at different sections of the flow field under the unreaction state at the air flow rates of 10 L/min,30 L/min,50 L/min

式中：Vxmean、Vymean分別是X、Y方向上速度分量的平均值；Vxrms、Vyrms是X、Y方向上速度分量的均方根。

靠近燃燒器表面處速度整體呈“波浪形”分布趨勢，但速度并非完全呈軸對稱。速度分布圖中峰出現(xiàn)是因?yàn)樾∏驍D壓形成的喉道，谷是因?yàn)樾∏虻幕亓鳎@與圖3 分析一致。填充床表面Umean波動幅度最大，這是受到多孔介質(zhì)填充結(jié)構(gòu)尾端孔隙的影響。遠(yuǎn)離填充床區(qū)域處，軸向截面高度越高，受到結(jié)構(gòu)尾端的擾動越小，Urms曲線波動幅度越小。在最高截面處，3 種空氣流量下的Urms曲線趨于水平。3 種空氣流量下的最高Umean都出現(xiàn)在近壁處，分別為0.3、0.6 和0.7 m/s。這是由于近壁處孔隙率較大的原因，也就是常說的近壁效應(yīng)。在Y=60 mm 截面處，3 種空氣流量下的速度波動趨于0.2、0.25 和0.32 m/s。

圖3 空氣流量10 L/min(a)、30 L/min(b)、50 L/min(c)時，冷態(tài)狀態(tài)下流場的速度流線圖、渦量云圖、應(yīng)變率云圖Fig.3 The velocity flow diagram,vorticity contour diagram and strain rate contour diagram of the flow field under the unreacted state at the air flow rates of 10 L/min (a),30 L/min (b),50 L/min (c)

在不同空氣流量下，流場截面處Umean變化趨勢基本一致。由于增大入口進(jìn)氣量后尾流流場受壁面處孔隙率分布特征影響，近壁區(qū)域速度梯度遠(yuǎn)高于遠(yuǎn)壁區(qū)域。

2.2 不同工況火焰狀態(tài)分析

本文在空氣流量分別為10、30、50 L/min時，不同當(dāng)量比的情況下，對隨機(jī)填充型多孔介質(zhì)表面的火焰結(jié)構(gòu)和燃燒狀態(tài)進(jìn)行分析。圖5 所示為空氣流量10 L/min 條件下，高速攝像機(jī)捕捉的不同當(dāng)量比情況下的火焰狀態(tài)。當(dāng)量比過低時，無法產(chǎn)生表面火焰。當(dāng)量比調(diào)整到φ=0.67時，點(diǎn)火后會出現(xiàn)小型鋸齒狀微弱的淡藍(lán)色火焰。通過對冷態(tài)尾流流場的分析，發(fā)現(xiàn)在點(diǎn)火過程中，由于靠近填充床區(qū)域，流速較高，火焰主要集中于填充床的表面，壁面處無火焰。當(dāng)量比φ=0.76時，填充床表面火焰徑向長度減小，軸向長度被拉伸，且火焰不穩(wěn)定，在填充床表面高速尾流的影響下上下浮動。當(dāng)量比φ=0.86時，出現(xiàn)回火，表面燃燒不再存在。

圖5 空氣流量10 L/min時，高速攝像機(jī)捕捉的不同當(dāng)量比情況下的火焰狀態(tài)Fig.5 State of flame captured by high-speed cameras under different equivalent ratios at the air flow rate is 10 L/min

圖6 為空氣流量30 L/min 條件下，高速攝像機(jī)捕捉的不同當(dāng)量比情況下的火焰狀態(tài)。當(dāng)量比φ=0.6時，點(diǎn)火瞬間會產(chǎn)生極少量的藍(lán)色不穩(wěn)定火焰，且主要跳動在填充床表面的中央位置，這是因?yàn)槔鋺B(tài)中觀察到的近壁區(qū)高速流場的影響。隨著當(dāng)量比增加到φ=0.67，燃燒趨于穩(wěn)定，在高流速下火焰沿填充床的中心向壁面延伸，形成上鋸齒火焰，火焰高度較為均勻，與冷態(tài)中分析到的填充床區(qū)域處的軸向速度波動趨勢有關(guān)。當(dāng)量比φ=0.73時，火焰高度縮短，向填充床上游移動，尾流出現(xiàn)少量持續(xù)的紅色火焰。當(dāng)量比繼續(xù)增大到φ=0.79時，紅色火焰范圍增大并伴隨著噪聲的產(chǎn)生，火焰高度進(jìn)一步縮短。當(dāng)量比對流速影響大，高當(dāng)量比情況下，近壁區(qū)域開始產(chǎn)生表面火焰。當(dāng)量比增加到φ=0.86時，火焰發(fā)生回火。

圖6 空氣流量30 L/min時，高速攝像機(jī)捕捉的不同當(dāng)量比情況下的火焰狀態(tài)Fig.6 State of flame captured by high-speed cameras under different equivalent ratios at the air flow rate is 30 L/min

圖7 所示為空氣流量50 L/min 條件下，高速攝像機(jī)捕捉的不同當(dāng)量比下的火焰狀態(tài)。當(dāng)量比φ=0.59 左右時，填充結(jié)構(gòu)表面的中心位置出現(xiàn)少量不穩(wěn)定的微弱藍(lán)色火焰，與圖6 中的φ=0.6 時的工況相似。當(dāng)量比升高到φ=0.7時，火焰逐漸趨于穩(wěn)定，可以觀察到尾流區(qū)域出現(xiàn)藍(lán)色上鋸齒狀火焰，藍(lán)色火焰末端出現(xiàn)少量紅色火焰。當(dāng)量比φ=0.82時，火焰出現(xiàn)分層，出現(xiàn)上下兩層火焰，火焰區(qū)域呈徑向擴(kuò)張，軸向長度減小，較高的當(dāng)量比影響了填充表面區(qū)域的速度分布，表面火焰向壁面延伸。當(dāng)量比進(jìn)一步增大，φ=0.91時，仍能觀察到雙層結(jié)構(gòu)，下層火焰呈藍(lán)色圓環(huán)形，上層火焰呈暗紅色錐形，在高流速下，紅色火焰沿徑向逐漸拉伸，填充床內(nèi)部開始出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象，高溫區(qū)向下移動。當(dāng)量比φ=1.03時，此時（φ>1）為富燃燃燒，由于入口速度較高，不再出現(xiàn)回火。

圖7 空氣流量50 L/min，高速攝像機(jī)捕捉的不同當(dāng)量比情況下的火焰狀態(tài)Fig.7 State of flame captured by high-speed cameras under different equivalent ratios at the air flow rate is 50 L/min

2.3 CO 的排放分析

為了更好地研究尾流流場在不同工況下的變化，本文利用煙氣分析儀測量了不同當(dāng)量比下的CO 含量和溫度變化。由圖8 可知隨著當(dāng)量比的增大，CO 含量總體呈現(xiàn)波動下降的趨勢，且在空氣流量為50 L/min、當(dāng)量比為0.91 時達(dá)到最低值。這是因?yàn)槿紵郎囟仁?CO 產(chǎn)生的一個非常重要的因素，在相同空氣流量隨著當(dāng)量比的增加，燃燒溫度逐漸升高，導(dǎo)致甲烷的燃燒更加充分，從而減少了CO 的產(chǎn)生。另一方面，隨著燃燒溫度的增加，CO 的可逆反應(yīng)更加劇烈，其中CO 與 OH 的正向反應(yīng)速率增加導(dǎo)致CO 的減少。從圖中的溫度分布情況來看，溫度隨著當(dāng)量比的增加呈現(xiàn)波動上升的趨勢，進(jìn)一步解釋了CO 濃度總體減少的原因?？諝饬髁?0 L/min，當(dāng)量比大于0.82 的工況中燃燒穩(wěn)定，溫度變化小，因此CO 濃度變化也小。在實(shí)驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)在當(dāng)量比小于0.7時，3 種空氣流量下的燃燒情況均不太穩(wěn)定，這也是除了溫度之外導(dǎo)致在該當(dāng)量比范圍內(nèi)CO 濃度非常高的原因之一。

圖8 不同工況下的CO 分布與溫度變化（實(shí)線代表CO，虛線代表溫度）Fig.8 CO distribution and temperature change under different working conditions (solid line represents CO,dotted line represents temperature)

3 結(jié)論

本文在自行設(shè)計的可視化實(shí)驗(yàn)臺上，采用PIV 系統(tǒng)和煙氣測量系統(tǒng)，研究了冷態(tài)狀態(tài)下填充型多孔介質(zhì)尾流流場的信息，以及甲烷/空氣預(yù)混氣體在不同當(dāng)量比下表面燃燒的火焰形態(tài)和CO 排放，得到以下主要結(jié)論。

1）冷態(tài)狀態(tài)下，流場整體平均速度隨空氣流量的增大而增大，當(dāng)冷態(tài)流場整體平均空氣流量增大20 L/min時，渦量和應(yīng)變率隨之增大50%左右。這是由于流量的增加導(dǎo)致間隙內(nèi)的速度增大，從而導(dǎo)致較大的速度梯度。

2）由于近壁效應(yīng)，3 種空氣流量下Umean的最大值均出現(xiàn)在壁面處，近壁區(qū)域速度梯度遠(yuǎn)高于遠(yuǎn)壁區(qū)域?？拷畛浯脖砻鎱^(qū)域Umean高且波動幅度大，遠(yuǎn)離填充床區(qū)域，Umean波動趨于穩(wěn)定。

3）當(dāng)量比對速度分布影響較大，但其對火焰?zhèn)鞑サ挠绊懴鄬^小，孔隙率大且當(dāng)量比較大容易出現(xiàn)回火，流速大是不發(fā)生回火的原因。

4）出口煙氣的CO 濃度隨著當(dāng)量比的增加整體波動下降，在穩(wěn)定燃燒狀態(tài)下趨于均勻分布，并在空氣流量50 L/min、當(dāng)量比0.91 時達(dá)到最低值。