微小空間內丙烷/空氣火焰傳播特性與加氫爆燃實驗*

蘇 航,蔣利橋,曹海亮,劉秦飛,李言欽,汪小憨,趙黛青

(1.中國科學院廣州能源研究所，廣東 廣州 510640；2.中國科學院可再生能源重點實驗室，廣東 廣州 510640；3.廣東省新能源和可再生能源研究開發與應用重點實驗室，廣東 廣州 510640；4.中國科學院大學，北京 100049；5.鄭州大學，河南 鄭州 450001)

與常規能量儲存的能源系統相比，基于燃燒的微型能源動力系統的能量密度高、續航時間長、燃料易更換[1-2]，是高能量密度便攜能源的重要獲取方式[3]。在微尺度空間內，由于火焰與壁面之間的相互作用，火焰傳播比大尺度下要復雜得多[4]。總的來看，當前的微尺度燃燒主要集中在圓管、平板狹縫等開放空間[5-7]。對微小封閉空間內的火焰傳播研究很少，對微型內燃機的指導意義有限，比如對于火焰傳播中的散熱影響研究基本基于理論計算。而微尺度燃燒中，燃燒室的比表面積較常規尺度大了兩個數量級[8]，因此微尺度燃燒過程中，散熱損失會對火焰傳播產生較大影響，在之前的實驗中發現微尺度定容空間內火焰傳播速度低于常規尺度下火焰傳播速度[9-11]。

當采用層流燃燒速度比較高的燃料時，火焰傳播容易加速，同時火焰傳播形態容易發生轉變，如Tang等[12]在定容燃燒彈中研究了氫氣/丙烷/空氣層流燃燒的特性，程關兵等[13]在氫氣/丙烷/空氣的爆轟性能實驗研究中觀察到了自持爆轟波，Wu等[14-15]研究了毫米級管道和微米級平板狹縫中的火焰傳播特性，探索了在微尺度下發生爆燃轉爆轟的作用機制。

鑒于目前對于微小定容空間內的非穩態火焰傳播研究較少，本文中在之前設計的一種狹縫圓盤狀微型燃燒室[9-11]的基礎上，期望通過實驗獲取微小定容空間內火焰的傳播規律，并嘗試在定容的小空間內實現燃料的快速燃燒。

1 實驗裝置與方法

1.1 圓盤狹縫微型燃燒室

實驗中所用圓盤狹縫微型燃燒室的直徑為150.0 mm，間距H可在2.0～5.0 mm之間調整，由兩塊石英玻璃蓋板(d0=230.0 mm)構成。下蓋板開有一個圓形通道(d1=3.0 mm)作為點火電極通道和進排氣通道。點火電極由兩根鎢絲(d2=0.2 mm)組成。石英玻璃燃燒室由一個法蘭結構的緊固裝置緊固密封，兩塊石英玻璃之間以及石英玻璃燃燒室與不銹鋼之間有墊片。實驗所用微尺度燃燒室及其結構尺寸如圖1所示。

1.2 實驗系統

圖2為實驗系統示意圖，所用燃料為丙烷(純度>99.9%)和氧化劑(壓縮干空氣)，分別由質量流量計控制(MKSGE50a 誤差0.1%，流量計使用皂膜流量計標定)。在進入燃燒室之前，丙烷和空氣保證充分混合，預混氣由安捷倫氣象色譜儀取樣分析,保證配氣成分符合設計當量比要求。實驗開始前，先用真空泵以-96 kPa的壓力抽空，然后打開進氣閥，以0.2 MPa的壓力將丙烷/空氣預混氣充入燃燒室，再關閉排氣閥，打開進氣閥用真空泵以-96 kPa的壓力抽空，上述過程重復20次，以確保燃燒室內換氣干凈，充入的全部是設置好當量比的新鮮預混氣，最后一次充氣后打開進氣旁路閥，將燃燒室壓力降至大氣壓，然后關閉閥門靜置20 min，在常溫常壓的初始條件下點火進行火焰傳播實驗。為防止浮力影響，實驗裝置水平放置，在石英玻璃窗下放置傾角45°的前鍍膜反射鏡進行光路調整，使用高速攝像機(MEMRECAM HX-6)拍攝實驗過程，曝光時間196.6 μs，拍攝記錄頻率5 000 s-1。

1.3 數據處理

對拍攝的每張圖片進行編程處理，其過程如圖3所示。首先提取圖片上每一點的亮點值，篩選出火焰面邊界的離散點。將離散點擬合成圓，圓的半徑值作為此刻火焰傳播當量半徑。

2 實驗結果及討論

2.1 火焰基本形態

在狹縫間距H=2.5 mm、當量比φ=1.10時，常溫常壓初始條件下狹縫微型燃燒室內丙烷/空氣火焰傳播過程如圖4所示。初始階段，火焰傳播呈圓形向外傳播，火焰面光滑，在火焰傳播11.8 ms時，開始出現皺褶火焰鋒面，隨火焰繼續傳播，皺褶不斷發展，最后成為花瓣狀火焰直至燃盡熄滅?；鹧姘欛薜漠a生由火焰不穩定性導致，由于火焰面隨著局部燃燒的增強或者削弱而拉伸，火焰面會形成褶皺，甚至發生斷裂[16]。

2.2 當量比的影響

在狹縫間距H=2.0 mm時，丙烷/空氣預混氣在不同當量比下的火焰傳播如圖5所示。在當量比φ=1.00～1.05時，燃燒強度比較低，但是火焰前鋒比較光滑，在傳播一段時間后，僅出現單個皺褶，火焰半徑增長慢，火焰傳播緩慢；在φ=1.10～1.35時，燃燒強度有所加強，在開始階段火焰鋒面光滑，隨著火焰傳播出現皺褶現象，火焰皺褶不斷發展，在后期形成花瓣狀，并且隨當量比增加，火焰皺褶出現時刻提前；在φ=1.40～1.45時，火焰變暗，火焰傳播速度變慢，褶皺在初期就開始出現，例如在φ=1.45時，火焰鋒面在t=16.2 ms時出現斷裂現象。

圖中Le數根據定義計算得到：

(1)

式中：α為熱擴散系數，DAB為質擴散系數，可分別由下式計算獲得[17]：

(2)

(3)

式中：λ為導熱系數，ρ為密度，cp為比定壓熱容，p為壓力，MA、MB為A、B的摩爾質量，MAB=2[(1/MA)+(1/MB)]-1，σAB為特征長度，ΩD為擴散碰撞積分。

根據優先擴散理論，在富燃條件下，計算了少數組分O2的Le數LeO2。

如圖6所示，火焰傳播半徑隨時間增加而增大。在φ=1.10、1.20和1.30時，火焰傳播半徑隨時間變化的曲線比較光滑，而在φ=1.00、1.40和1.45的情況時，曲線會出現不光滑現象，且整體斜率小，表明火焰傳播變慢。

火焰傳播速度可根據下式計算：

(4)

Liao等[18]和Bradley等[19]的研究表明，在常規尺度定容燃燒彈中，在點火半徑6～8 mm的范圍內，點火能量會影響火焰傳播速度。在本實驗中，選取點火能影響區域外火焰傳播速度進行討論。由圖7可知，隨著半徑的增大，火焰傳播速度整體上是下降的，并且在0～2.5 m/s范圍內，這比常規尺度微型燃燒彈中的丙烷/空氣火焰傳播速度[12,20]要低。另外,火焰傳播速度隨著當量比減小先增大后減小，這與圖5中的火焰傳播狀態相對應，火焰傳播速度在φ=1.20時最大，丙烷/空氣的燃料特性一致[10]。

2.3 狹縫間距的影響

實驗對比了H=2.0、2.5、3.0和5.0 mm四種微燃燒室內火焰傳播。首先，燃燒室內丙烷/空氣火焰傳播可燃極限當量比范圍受尺度效應的影響比較明顯，如圖8所示。實驗中丙烷/空氣可燃極限當量比范圍窄于常規尺度，在間距2.0～3.0 mm時，貧燃預混氣(當量比φ<1)無法形成火焰傳播；隨著間距增加，可燃極限當量比范圍增大，主要是富燃料工況的范圍增大，在H=5.0 mm時，貧燃料工況φ=0.9也可以形成火焰傳播。

其次，間距變化對火焰形態存在明顯的影響，圖9為φ=1.20時不同間距燃燒室內火焰照片對比結果。隨著間距的減小，火焰面的燃燒強度減弱，同時火焰鋒面更早出現皺褶，且火焰面上皺褶數目也更多。

此外，燃燒室的尺度變化對火焰傳播速度也存在較大影響，如圖10所示。不同間距下，整體上火焰傳播速度隨半徑增大而減小，而在間距5.0 mm燃燒室內，火焰初期存在一個明顯的傳播速度加速過程，在到達速度峰值后，火焰傳播速度逐漸下降。并且對比三個間距下的火焰傳播速度，火焰傳播速度隨著間距變化不是線性變化，隨間距變小，火焰傳播速度先增大后減小，在H=3.0 mm時最大。

2.4 火焰皺褶與速度特性機制分析

通過上述實驗結果可知，微小定容空間內的火焰傳播，燃燒室尺度越小，皺褶越容易產生。一方面，由于實驗中混合氣的初始狀態基本為富燃狀態，氧氣是未燃混合氣中的少數組分，有效Le<1，根據優先擴散理論[10]，少數組分的Le<1，火焰的熱擴散是不穩定的，會造成傳播中火焰面皺褶發生。并且隨著當量比的增加會使氧的Le數減小，擴散不穩定效應增強，火焰更容易產生皺褶(見圖5)；如果當量比繼續增大，氧的Le數繼續減小，就會出現火焰斷裂或熄滅的現象。另一方面，在燃燒室內的非穩態流動也會使火焰出現褶皺，在固定當量比下，少數組分的Le數相等，即熱質擴散效應相同，受壁面黏性效應的影響，狹縫間火焰鋒面是彎曲的[21]，且隨間距減小，火焰面變形越大，火焰拉伸作用越強，因而更容易產生皺褶(見圖9)。

隨著燃燒室的尺度減小，火焰傳播速度并不是單調下降，而是在間距3 mm時最大(見圖10)，這表明空間尺度對火焰傳播有著顯著的影響。由于已燃熱氣體膨脹會推動火焰鋒面之前的未燃氣向前運動，壁面的黏性邊界層效應對狹縫間未燃氣流動可能起著重要作用，在合適的間距下，火焰鋒面前沿狹縫主流區未燃氣速度會達到某個最大值[21]，從而使得火焰傳播速度最大。

2.5 摻氫的影響

圖11為間距2.5mm、丙烷/空氣當量比為1.0時，分別摻入體積分數φH2=0%、7.8%、13.2%和18.0%的H2的預混氣燃燒過程。隨著H2的摻入，火焰傳播速度明顯比未摻入的速度要快而且燃燒強度也隨之增加。在φH2=13.2%時，發生了爆燃現象，伴隨有震動和尖嘯聲。圖12為四種摻比預混氣的火焰傳播速度，可以看出，摻入H2之后，火焰傳播速度明顯加快，其中φH2=13.2%、18%時的速度達到了8 m/s左右。

摻入H2后，初期火焰傳播速度快，并且火焰不穩定性增強，表現在褶皺的數量和大小都有所增加，因而增加了燃燒反應面積，使得燃燒強度增加，放熱量也隨之增加。這與常規尺度下定容燃燒彈中，丙烷/空氣摻氫比例小于40%時，火焰傳播過程中表面基本光滑的情況不同[23]?；鹧鎮鞑ズ笃?，燃燒室內壓力和溫度迅速升高，使得殘留未燃預混氣同時自燃，從而產生了爆燃，這與內燃機末端未燃氣體引發爆燃機理一致[24]。圖12表明，摻入13.2%的H2的曲線雖然整體呈下降趨勢，但在半徑33～52 mm的過程中有一個的加速過程，使得燃燒室壓力和溫度繼續升高，從而引發了爆燃。隨著摻入H2比例的增加，爆燃現象沒有出現，一方面是由于預混氣已經處于富燃狀態，燃料的繼續添加即當量比增加會降低反應速率，如圖12所示，雖然初期速度與摻入13.2%的H2相當，但摻入18%的H2火焰傳播曲線始終是下降的，燃燒室內沒有發生爆燃；另一方面，摻入的H2自燃溫度高于丙烷，受燃燒室內的壓力和溫度條件限制，過濃的摻氫比例反而不易引發末端自燃，因此沒能產生爆燃。

3 結 論

實驗研究了常溫常壓下間距2.0～5.0 mm的狹縫圓盤狀微燃燒室內丙烷/空氣火焰傳播及加氫爆燃特性，得到如下結論：

(1)在直徑150 mm的微型定容燃燒室內，丙烷/空氣預混氣的火焰傳播出現光滑、褶皺和斷裂三種現象。隨著當量比增加和間距減小，褶皺出現位置更早。熱質擴散不穩定和流體力學不穩定是褶皺產生的主要原因。

(2)在直徑150 mm的微型定容燃燒室內，隨火焰傳播半徑增大，火焰傳播速度整體是下降的?；鹧鎮鞑ニ俣入S著間距的減小，先增大后減小，在間距3.0 mm時最大。隨間距尺度減小，火焰傳播速度呈現先增大后減小的趨勢，散熱和狹縫內壁面黏性邊界層效應耦合可能是主要原因。微尺度帶來的火焰與壁面之間的相互作用是原因之一，燃燒室內壓力增加也是另一個主要原因。

(3)在丙烷/空氣預混氣中摻入適當比例的氫氣會在狹縫微型燃燒室內出現爆燃現象，該裝置可以作為一種研究爆燃發生機制的新手段。

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