層流預混火焰傳播速度的探究①

(1. 南京師范大學附屬中學,江蘇 南京 210003;2. 南京航空航天大學能源與動力學院,江蘇 南京 210016)

1 引言

燃燒的組織方式根據燃料與氧化劑在化學反應前的狀態可以分為擴散燃燒、預混燃燒和部分預混燃燒，三種燃燒方式在生活、工業、能源等領域均有利用。其中預混燃燒是指在化學反應發生前,燃料與氧化劑已完全混合好的一種燃燒。此時,燃燒速度與油氣混合程度無關,只取決于化學反應本身。

火焰傳播是預混燃燒機理的基本問題之一，國內外對此開展了大量的研究。當可燃預混氣靜止時(如圖1),火焰向四周傳播,圖中展示了不同時刻t1、t2和t3時的火焰鋒面位置。火焰傳播速度定義為火焰前鋒沿法線朝新鮮預混氣方向傳播的速度,即:u0=dn/dt,其中,dn為火焰鋒面在dt時間內沿法向移動的距離。[1]

圖1 火焰傳播及速度定義

圖2 直管火焰

火焰傳播速度是預混燃燒的重要參數之一,一般通過實驗測量得到[2-6],常用的方法包括直管法和本生燈法。圖2為直管內火焰鋒面，當火焰傳播速度u0等于氣流速度u時,火焰鋒面靜止不動;當火焰傳播速度u0大于氣流速度u時,火焰鋒面會向可燃預混氣一側移動,稱為回火;當火焰傳播速度u0小于氣流速度u時,則火焰鋒面會向已燃氣側移動直至在管口吹熄[1]。本生燈火焰結構如圖3所示,火焰在管口穩定需要滿足u0=usinθ。[7]

圖3 本生燈火焰結構

根據預混氣的流態是層流還是湍流,火焰分為層流和湍流火焰兩類,對應的傳播速度也稱為層流或湍流火焰傳播速度。層流和湍流火焰從現象上看存在較明顯的差異,前者火焰面光滑、厚度薄;而湍流預混火焰則粗糙折皺,長度變短,厚度增加。盡管如此,從內在的微觀特征上看,湍流火焰本質上仍是層流火焰,在任意一個微小流團內,火焰的特征都是一樣的。一般地,當管內流動雷諾數不大于2300時,管內處于層流流動[1][8]。

綜上所述,可以通過駐定火焰,根據當地的氣流速度和火焰鋒面的形狀,計算得到火焰傳播速度。本文以此為出發點,采用水平玻璃管,以液化石油氣為燃料,以空氣為氧化劑,通過數碼相機記錄玻璃管口火焰形狀及位置,由此計算層流預混火焰傳播速度。

2 實驗裝置和參數

2.1 實驗裝置

實驗裝置如圖4所示,主要由燃料氣罐、空氣氣罐、管路、閥門、浮子流量計、玻璃管和相機組成。玻璃管長度大約為1m,內徑為d=13.6mm。空氣和液化石油氣分別經過各自的閥門和浮子流量計進入混合管段,摻混后形成預混氣進入玻璃管內。通過調整預混氣的流量和空氣/燃料比例等參數,可以在玻璃管出口形成駐定的預混火焰，利用相機記錄該過程中火焰結構的變化情況。

圖4 實驗裝置示意圖

2.2 實驗參數

實驗中,環境溫度大約為20℃,大氣壓為1atm,空氣密度為1.20kg/m3,液化石油氣密度為2.35kg/m3。

對應的燃料與空氣的比值為0.06371，實際的燃料氧氣比與化學恰當燃料氧氣比的比值稱為當量比φ，φ<1表示貧燃料燃燒，φ>1表示富燃料燃燒，φ=1表示恰當燃燒。

空氣流量與液化石油氣流量決定了玻璃管內氣流的速度、流場特征和預混氣的油氣比，實驗中空氣流量變化范圍從0.29m3/h到0.88m3/h，燃料(液化石油氣)流量變化范圍為0.06L/min至0.4L/min，具體變化數值及玻璃管中預混氣速度與當量比如表1所示。

表1

3 實驗結果與分析

圖5 管口火焰結構隨當量比φ的變化

以此類推,可以計算得到其他當量比φ的火焰傳播速度,數值如表2所示,可知各當量比下火焰傳播速度均小于0.3m/s,這也與碳氫燃料與空氣預混的層流火焰傳播速度很少超過0.4m/s的研究結論一致。[1]

圖6 錐形火焰傳播速度計算模型

?0.510.881.151.481.75u0(m/s)0.1900.2360.230.1290.092

圖7是層流預混火焰傳播速度u0隨當量比變化曲線，由圖可知:隨著當量比φ的增加,火焰傳播速度u0先增加后減小,約在當量比φ=1.0左右時達到最大值。由此說明,在化學恰當比燃燒時,火焰傳播速度最大;而在貧燃料或富燃料燃燒時,火焰傳播速度降低。這主要是因為在化學恰當比燃燒時,反應物完全反應,燃燒釋放的熱量大,火焰溫度高,有利于熱量迅速從火焰傳遞至未燃預混氣,使得新鮮預混氣迅速進入火焰的反應區,從而提高火焰傳播速度。

圖7 層流預混火焰傳播速度隨當量比變化曲線

4 結論

筆者利用水平放置的石英玻璃管,對液化石油氣與空氣的預混氣,開展不同當量比和氣流速度下火焰傳播特征的實驗研究，通過分析獲得的主要結論如下。

(1) 計算得到的層流預混火焰傳播速度均小于0.4m/s,表明火焰傳播速度簡化計算模型合理;

(2) 火焰傳播速度與預混氣的當量比有關。隨著當量比增加,火焰傳播速度先增大后減小;

(3) 氣流的速度及預混氣的當量比變化影響著火焰傳播及火焰鋒面形狀。

參考文獻：

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