高溫預(yù)混氣體火焰?zhèn)鞑ニ俣妊芯?

范周琴,劉衛(wèi)東,孫明波

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院,長沙 410073)

0 引言

利用主動或被動的方式在流場中形成低速回流區(qū)以使火焰穩(wěn)定的方法是高速氣流中普遍的火焰穩(wěn)定措施,關(guān)于利用回流區(qū)穩(wěn)定火焰的機理,目前尚未有統(tǒng)一完整的理論[1]。傳統(tǒng)上認(rèn)為是回流區(qū)點火機制,即新鮮預(yù)混氣從低速高溫回流區(qū)吸收熱量,經(jīng)過點火延遲時間后達到著火溫度實現(xiàn)自點火。最近的實驗表明[2]可能存在triple flame[3]穩(wěn)焰機制,即低速高溫回流區(qū)內(nèi)預(yù)混氣燃燒產(chǎn)生的火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c回流區(qū)和主流交界的剪切層流動速度相配合,從而在回流區(qū)內(nèi)形成穩(wěn)定的火焰鋒面及向下游發(fā)展的擴散火焰面。由于超聲速來流條件下回流區(qū)具有高溫高湍流度的特點,且回流區(qū)邊緣的流動速度可達百米/秒量級,而傳統(tǒng)常溫下火焰?zhèn)鞑ニ俣染陀谠撍?因此有必要對高溫、高湍流度下湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐T開展研究,從理論上說明回流區(qū)剪切層存在火焰鋒的可能性。

鑒于用實驗方法精確測定ST的困難性,文中采用數(shù)值方法計算高溫條件下ST的值及變化規(guī)律。首先計算常溫下層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐L,然后研究高溫下SL變化規(guī)律,最后計算高溫下ST隨不同脈動速度u′和SL的變化。研究結(jié)果將擴展火焰?zhèn)鞑ニ俣葦?shù)據(jù)庫,使得數(shù)據(jù)庫范圍由常溫條件增至高溫條件;而且給出高溫下SL和ST的定量值,為以后的實驗研究和理論分析提供參考和依據(jù)。

1 常溫下層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?/h2>

為驗證計算軟件和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機理的合理性,首先計算P=0.1MPa,T=298K條件下三種燃料的SL隨當(dāng)量比變化規(guī)律。計算結(jié)果由圖1給出,通過與實驗結(jié)果[4]對比,發(fā)現(xiàn)兩者符合很好。說明采用的軟件和化學(xué)動力學(xué)模型(氫氣燃燒選用九組分十九方程模型,甲烷、乙烯燃燒選用GRI3.0機理)能很好的預(yù)測預(yù)混氣層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?另外也為高溫下SL和ST的準(zhǔn)確計算提供了保證。乙烯的計算結(jié)果與實驗略有差異,這主要與采用的GRI3.0反應(yīng)機理有關(guān)。

圖1 P=0.1MPa,T=298K時SL隨當(dāng)量比變化

2 高溫下層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?/h2>

實驗和理論分析均表明,層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c預(yù)混氣的初始物理狀態(tài)有關(guān),因此下面主要探討層流火焰?zhèn)鞑ニ俣入S預(yù)混氣初始溫度和初始壓力的變化情況。

圖2和圖3分別給出了P=0.1MPa和1MPa時三種燃料在高溫下的SL隨當(dāng)量比變化規(guī)律。可以發(fā)現(xiàn):1)同一壓力條件下,SL隨預(yù)混氣初始溫度 Tu升高而增大;2)同一溫度條件下,SL隨預(yù)混氣初始壓力P升高而減小;3)同一溫度、壓力及當(dāng)量比條件下,氫氣的SL最大,甲烷的SL最小;4)SL最大值在 Φ=1附近。

文獻[5]給出了火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c初始壓力和燃燒溫度的變化關(guān)系式:

其中ν為化學(xué)反應(yīng)級數(shù)。對式(1)進行分析可以發(fā)現(xiàn):隨著燃燒溫度Tb升高,層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐L增大;當(dāng)反應(yīng)級數(shù)ν＜2時,層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐L隨預(yù)混氣初始壓力P增大而減小。對應(yīng)于文中情況,預(yù)混氣初始溫度Tu增高可以大大促進化學(xué)反應(yīng)速度,從而使得燃燒溫度Tb增加,進而使得SL增大;另外高溫下自由基的濃度及其擴散量的增加也有助于火焰?zhèn)鞑ァＲ话愕妮p質(zhì)碳?xì)淙剂显诳諝庵腥紵磻?yīng)級數(shù)均小于2,因此SL隨預(yù)混氣初始壓力增大P而減小。計算得到的SL隨預(yù)混氣初始溫度、初始壓力變化規(guī)律與經(jīng)驗公式一致,說明文中計算得到的高溫下層流火焰?zhèn)鞑ニ俣仁呛侠碛行У?可以用于預(yù)測高溫下湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊拇笮〖白兓?guī)律。

3 高溫下湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣?/h2>

目前湍流火焰?zhèn)鞑サ睦碚摵懿怀墒?尤其對高溫條件下湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣妊芯康木透佟Ｒ延薪?jīng)驗和實驗數(shù)據(jù)表明[1]:脈動速度u′和層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐L是影響ST的兩個重要的因素,所以文中將根據(jù)一些經(jīng)驗公式考察高溫下ST的大小及其與湍流脈動速度u′和層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐L的關(guān)系。現(xiàn)有經(jīng)驗公式都是各個研究者在一定實驗條件下(如特定的可燃混合氣性質(zhì)、組成、溫度、壓力等)由實驗結(jié)果擬合出來,均不具普適性。此處僅利用這些經(jīng)驗公式作定性分析,文中所用經(jīng)驗公式取自文獻[1]和Pocheau的湍流火焰速度模型,分別由式(2)和式(3)給出。

圖4、圖5分別為根據(jù)式(2)和式(3)計算得到的ST分布,其中SL取P=0.1MPa,Φ=1時高溫下的計算結(jié)果。由圖4可以看出,ST隨著u′和SL的增加而增大;且相對于層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐L,ST要大得多,可以達到百米/秒量級。從圖5可以看出,當(dāng)湍流脈動速度較小時,ST隨脈動速度u′和層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐L的增加而增大;但當(dāng)脈動速度u′約大于20m/s時,ST幾乎與SL無關(guān),僅隨u′呈線性增長,這與“強湍流中u′對ST起著較重要影響”的結(jié)論[1]一致。圖4和圖5計算結(jié)果的差異主要來源于所用的經(jīng)驗公式的差別,但兩者得到的高溫下湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣染蛇_到百米/秒量級。

超燃沖壓發(fā)動機燃燒室內(nèi)的低速回流區(qū)及剪切層一般處于超聲速和亞聲速交織的復(fù)雜流區(qū),速度約為百米/秒量級。這和計算得到的湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣攘考壪喈?dāng),因此在回流區(qū)內(nèi)很有可能存在火焰前鋒始終駐留其中,不斷點燃上游的部分預(yù)混氣體,即存在triple flame火焰鋒。

4 結(jié)論

文中研究了高溫條件下氫氣/空氣、甲烷/空氣及乙烯/空氣三種預(yù)混氣的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣入S當(dāng)量比變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)層流火焰?zhèn)鞑ニ俣入S預(yù)混氣初始溫度升高而增加,隨初始壓力增大而減小。在此基礎(chǔ)上計算了高溫下湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣入S湍流脈動速度的變化,發(fā)現(xiàn)湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣入S層流火焰?zhèn)鞑ニ俣群屯牧髅}動速度的增加而增加,且高溫高湍流度情況下,湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤蛇_數(shù)百米/秒,這從理論上說明了超聲速燃燒復(fù)雜流區(qū)存在火焰鋒的可能性。

[1]童正明,張松壽,周文鑄.工程燃燒學(xué)[M].北京:中國計量出版社,2008.

[2]Law C K.Combustion physics[M].Cambridge University Press,2006.

[3]Micka Daniel J,James F.Dual-mode combustion of a jet in cross-flow with cavity flameholder.AIAA 2008-1062[R].2008.

[4]Norbert Peters,Bernd Rogg.Reduced kinetic mechanisms of application in combustion systems[M].Berlin:Springer-Verlag,1993.

[5]Xuesong Bai.Turbulent combustion[M].Lund:Lund Institute of Technology,2005.