垂直圓管內(nèi)摻氫甲烷燃燒不穩(wěn)定性研究

吳一，溫小萍，張素梅，郭志東，鄧浩鑫，紀(jì)文濤

（1 河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 焦作 454003； 2 重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044； 3 河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003）

引 言

如何應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)化石能源的枯竭，已經(jīng)成為世界各國(guó)為解決可持續(xù)發(fā)展而面對(duì)的難題[1]。氫能和甲烷作為可再生的清潔能源，都展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。然而，由于甲烷和氫氣自身的燃燒特性，例如甲烷的點(diǎn)火能量高，燃燒速度低[2-3]，而氫氣的點(diǎn)火能量極低，在存儲(chǔ)和運(yùn)輸時(shí)都有很高的爆炸風(fēng)險(xiǎn)[4-5]，這些都制約了氫氣和甲烷的進(jìn)一步充分利用。Law 等[6]提出，在氫氣中加入少量的碳?xì)浠衔锟梢杂行У亟档蜌錃夥磻?yīng)伴隨的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)有很多研究表明，在甲烷中添加氫氣可以極大地改變其燃燒特性，使其點(diǎn)火能量降低且燃燒更加充分[7-11]，兩者的缺點(diǎn)互相彌補(bǔ)展現(xiàn)出的良好燃燒性能具有非常實(shí)際的研究意義。

摻氫甲烷預(yù)混氣體的利用與輸送管道緊密相關(guān)，如果發(fā)生泄漏極易發(fā)生爆炸事故[12]。而在發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等其他燃燒器中，預(yù)混氣體在燃燒時(shí)往往伴隨著多種不穩(wěn)定現(xiàn)象，例如由于已燃?xì)怏w的膨脹作用而產(chǎn)生的Darrieus-Landau（D-L）不穩(wěn)定性[13]；由于已燃與未燃?xì)怏w間存在的密度差在壓力梯度作用下產(chǎn)生的Rayleigh-Taylor (R-T)不穩(wěn)定性[14]；燃燒器聲學(xué)與不穩(wěn)定燃燒相互耦合而產(chǎn)生的熱聲不穩(wěn)定[15-16]等。其中由于熱聲不穩(wěn)定產(chǎn)生的超壓和火焰的高頻振蕩，是眾多燃燒器在實(shí)現(xiàn)安全平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)需要面對(duì)的重大挑戰(zhàn)。因此，對(duì)于燃燒管道內(nèi)的火焰不穩(wěn)定性振蕩以及火焰與壓力間的耦合機(jī)制成為眾多學(xué)者對(duì)火焰動(dòng)力學(xué)研究的重點(diǎn)。

Searby 等[17]在半開口管道中研究了預(yù)混火焰與聲學(xué)的相互影響，發(fā)現(xiàn)隨著火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊奶岣撸鹧嬖诠艿纼?nèi)傳播時(shí)變得愈發(fā)不穩(wěn)定，并開始由平滑的彎曲火焰向湍流火焰轉(zhuǎn)變。在后續(xù)研究中，Searby[18]將這種火焰由開口端向閉口端傳播時(shí)出現(xiàn)的兩種熱聲不穩(wěn)定現(xiàn)象稱為初級(jí)（一次）不穩(wěn)定（由細(xì)胞狀火焰變?yōu)槠交膹澢鹧妫┖痛渭?jí)（二次）不穩(wěn)定（由平滑的彎曲火焰轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧骰鹧妫⑶覂煞N不穩(wěn)定現(xiàn)象在出現(xiàn)時(shí)都伴隨著火焰的振蕩。Clanet 等[19]對(duì)初級(jí)不穩(wěn)定出現(xiàn)的原因進(jìn)行了研究，指出在預(yù)混氣體條件下，由于已燃?xì)怏w與未燃?xì)怏w間存在密度差，聲波的加速傳播將兩者相互分離，對(duì)火焰鋒面的形狀產(chǎn)生了影響。Aldredge 等[20]在環(huán)形燃燒器中對(duì)預(yù)混層流火焰的傳播進(jìn)行了研究，測(cè)定了初級(jí)和次級(jí)不穩(wěn)定出現(xiàn)的臨界層流燃燒速度。Yoon 等[21]研究了火焰鋒面面積對(duì)初級(jí)不穩(wěn)定性振蕩的影響，認(rèn)為火焰鋒面面積的改變對(duì)初級(jí)不穩(wěn)定性振蕩的影響取決于特定當(dāng)量比。Dubey 等[22]對(duì)開口管道中火焰?zhèn)鞑コ霈F(xiàn)的次級(jí)不穩(wěn)定性振蕩的增長(zhǎng)速率進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)低Lewis 數(shù)的混合物具有更強(qiáng)的不穩(wěn)定性。Dubey 等[23]在另外的研究中，通過(guò)改變管道的幾何參數(shù)，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)徑比較大的管道具有更高的不穩(wěn)定性，且次級(jí)不穩(wěn)定性振蕩對(duì)管道幾何參數(shù)的變化更加敏感。

許多學(xué)者研究了預(yù)混氣體組分濃度的變化對(duì)火焰燃燒特性帶來(lái)的影響。韋雙明等[24]在定容燃燒彈中研究了氫氣∕二甲醚∕甲烷預(yù)混氣體的燃燒特性，發(fā)現(xiàn)壓力峰值和火焰?zhèn)鞑ニ俣染S氫氣濃度的增加而遞增，而增加甲烷和二甲醚的濃度后實(shí)驗(yàn)結(jié)果相反，并且甲烷和氫氣的濃度直接決定了燃燒時(shí)間的長(zhǎng)短。鄭立剛等[25]在透明方管中開展了氫氣∕空氣預(yù)混氣體的燃燒特性研究，發(fā)現(xiàn)氫氣濃度和點(diǎn)火位置對(duì)火焰鋒面形狀有顯著影響，并且氫氣濃度對(duì)超壓峰值和壓力波形的影響程度要遠(yuǎn)大于點(diǎn)火位置。

現(xiàn)有的研究對(duì)預(yù)混火焰的初級(jí)（一次）和次級(jí)（二次）不穩(wěn)定性振蕩出現(xiàn)的原因進(jìn)行了較為深入的探討，對(duì)不穩(wěn)定性振蕩的影響因素進(jìn)行了多種理論分析，對(duì)于火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中壓力和聲波的耦合關(guān)系取得了一定的研究進(jìn)展。但是，現(xiàn)有大多數(shù)研究采用的預(yù)混氣體與工業(yè)和生活中實(shí)際應(yīng)用的氣體成分有較大的差別，對(duì)摻氫甲烷預(yù)混火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中不穩(wěn)定性振蕩規(guī)律的相關(guān)研究較少，對(duì)于爆炸超壓和火焰形態(tài)的耦合研究有待進(jìn)一步完善。針對(duì)以上不足，本文進(jìn)行了相關(guān)研究，通過(guò)改變摻氫甲烷預(yù)混氣體中氫氣的體積分?jǐn)?shù)，分析其對(duì)火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中不穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，對(duì)于摻氫甲烷預(yù)混氣體的安全利用具有實(shí)際意義。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示，燃燒管道半徑r= 30 mm，管長(zhǎng)L= 600 mm，垂直放置，管道采用30 mm 厚透明亞克力材料來(lái)觀察火焰鋒面變化過(guò)程。管道上端使用PVC 薄膜密封，在火焰?zhèn)鞑r(shí)薄膜受到超壓后破裂，視為開口端。管道底部使用10 mm 厚不銹鋼板密封，視為閉口端。點(diǎn)火系統(tǒng)由截面積為0.2 mm2的點(diǎn)火電極和壓電式點(diǎn)火器組成，點(diǎn)火點(diǎn)位于管道頂部圓心處。根據(jù)以往的研究[26-29]，火焰在燃燒管道頂部開口端被點(diǎn)燃，向下傳播到封閉端的過(guò)程中，更容易受到Darrieus-Landau（D-L）不穩(wěn)定性以及熱聲不穩(wěn)定性的影響，火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中呈現(xiàn)出的變化更加豐富。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由壓力傳感器和高速攝像機(jī)組成。壓力傳感器測(cè)量范圍為-0.10 ～0.25 MPa，精度0.25% FS，響應(yīng)頻率200 kHz，安裝在管道底部不銹鋼板上。高速相機(jī)用來(lái)記錄火焰形狀和位置，采用美國(guó)Phantom 公司生產(chǎn)的MIRO M310 型高速攝像機(jī)，拍攝頻率為1000 s-1。燃?xì)馀錃庀到y(tǒng)由甲烷、氫氣、空氣壓縮機(jī)和ALICAT 21系列的氣體質(zhì)量流量控制器組成。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device

實(shí)驗(yàn)前首先由式(1)計(jì)算出化學(xué)當(dāng)量比下不同工況的氫氣體積分?jǐn)?shù)γ。

式中，VH2和VCH4分別為H2和CH4的體積。不同工況下甲烷∕氫氣∕空氣的體積比如表1 所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)將管道開口使用PVC 薄膜密封，在通氣時(shí)打開進(jìn)出口閥門，通氣過(guò)程中保持管道內(nèi)壓力為大氣壓。在流量計(jì)示數(shù)穩(wěn)定后開始計(jì)時(shí)，當(dāng)通入的預(yù)混氣體體積大于管道容積5 倍時(shí)，認(rèn)為預(yù)混氣體已將管道完全充滿[30-31]。通氣結(jié)束后迅速關(guān)閉進(jìn)出口閥門并將預(yù)混氣體靜置2 min，以避免氣體擾動(dòng)的影響。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后通入5 min 空氣，確保將上組實(shí)驗(yàn)殘留氣體完全排出。為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次。

表1 實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Experimental conditions

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 火焰結(jié)構(gòu)分析

本實(shí)驗(yàn)采用長(zhǎng)度為600 mm圓形管道，由于管道兩端有30 mm 厚法蘭結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)火焰圖像產(chǎn)生影響，因此取去除法蘭結(jié)構(gòu)后540 mm管道圖像進(jìn)行分析，定義圖像接近開口位置的上端為540 mm，接近閉口位置的下端為0 mm，點(diǎn)火時(shí)刻定義為0 ms，以γ=30%和γ=50%工況為例，圖2 展示了火焰整體傳播過(guò)程。早期的研究[32-33]揭示了圓形和環(huán)形截面管道內(nèi)，火焰由開口端向下傳播到封閉端過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的四種傳播階段，如圖3 所示。階段A：火焰在開口端被點(diǎn)燃，在泄爆氣流的干擾結(jié)束后，由于D-L 不穩(wěn)定性，火焰鋒面出現(xiàn)胞狀褶皺。階段B：隨著火焰的繼續(xù)傳播，縱向聲波的加強(qiáng)削弱了火焰鋒面的胞狀振蕩[32]，平滑的彎曲火焰在此階段出現(xiàn)。階段C：隨著燃燒反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行，反應(yīng)溫度提高，熱聲不穩(wěn)定性逐漸發(fā)展，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌欤^大尺寸的胞狀結(jié)構(gòu)重新在火焰鋒面上出現(xiàn)。階段D：火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M(jìn)一步加快，胞狀火焰結(jié)構(gòu)發(fā)生大尺度振蕩并逐漸演化為湍流傳播。

圖2 火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程示意圖Fig.2 Schematic diagram of flame propagation process

圖3 四種火焰?zhèn)鞑ルA段（圖片來(lái)自于不同的實(shí)驗(yàn)工況）Fig.3 Four flame propagation stages(pictures from different experimental conditions)

然而在A～D 四種火焰?zhèn)鞑ルA段中，平滑的彎曲火焰（階段B）是否會(huì)受到預(yù)混氣體中氫氣體積分?jǐn)?shù)的影響。圖4 展示了氫氣體積分?jǐn)?shù)γ不同時(shí)火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中代表性的圖像，可以看出，對(duì)于γ=30%和40%的工況，點(diǎn)火后火焰鋒面短暫地發(fā)展為球形火焰，此時(shí)開口處PVC 薄膜還未破裂。隨著火焰繼續(xù)向下傳播，PVC 薄膜破裂，火焰鋒面出現(xiàn)胞狀火焰，火焰尺寸約為17 mm（階段A），并且在傳播過(guò)程中出現(xiàn)不穩(wěn)定振蕩。火焰進(jìn)一步向下傳播，胞狀結(jié)構(gòu)尺寸迅速增大到約51 mm，隨著燃燒速度的加快胞狀火焰振幅增加（階段C），相鄰的胞狀結(jié)構(gòu)相互融合，形成兩到三股連續(xù)的大尺寸胞狀火焰，在持續(xù)的振蕩下胞狀結(jié)構(gòu)的邊界變得模糊，最終發(fā)展為完全湍流（階段D），此后火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M(jìn)一步增加，直至傳播到封閉端。

圖4 γ =30%、40%、50%、60%、70%時(shí)火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程代表性圖像Fig.4 Representative images of flame propagation process at γ =30%,40%,50%,60%,70%

對(duì)于γ=50%、60%和70%的工況，階段A 所示的胞狀結(jié)構(gòu)并沒有隨著火焰的傳播直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡A段C 的大尺寸結(jié)構(gòu)，相反地，胞狀結(jié)構(gòu)的數(shù)量增多，并出現(xiàn)高頻振蕩，火焰緩慢地向下傳播，胞狀結(jié)構(gòu)的尺寸逐漸減小，直到演變?yōu)槠交膹澢鹧妫A段B），在圖4 中用方框標(biāo)出。平滑的彎曲火焰出現(xiàn)后，火焰表現(xiàn)出接近層流的平穩(wěn)傳播，然而階段B并不穩(wěn)定，胞狀結(jié)構(gòu)很快再次出現(xiàn)并發(fā)展為湍流傳播。

圖5 展示了火焰鋒面位置與氫氣體積分?jǐn)?shù)γ之間的變化關(guān)系。在總體趨勢(shì)上，隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)的增加，火焰從開口端傳播到閉口端所經(jīng)歷的時(shí)間逐漸縮短，并且火焰在開口端被點(diǎn)燃后由于受到泄爆氣流的影響，火焰鋒面在傳播到管道450 mm處之前發(fā)生了較大幅度的波動(dòng)，在450 mm之后火焰鋒面位置變化較為規(guī)律。對(duì)于圖5(a)，γ＜50%的工況，火焰在傳播到管道300 mm 位置前經(jīng)過(guò)了從階段A到階段C的變化，火焰鋒面位置表現(xiàn)出小幅度振蕩。當(dāng)火焰的鋒面超過(guò)管道300 mm位置后，鋒面的振蕩幅度明顯增加，火焰進(jìn)入階段D。對(duì)于圖5(b)，γ≥50%的工況，火焰在傳播到管道中間段250～300 mm 位置時(shí)，鋒面振蕩的幅度顯著減小，平滑的彎曲火焰（階段B）在此處開始出現(xiàn)，此后階段C 在管道200～250 mm 位置出現(xiàn)，而階段D 則在火焰?zhèn)鞑サ焦艿?00 mm位置后才出現(xiàn)，與γ＜50%的工況相比，階段B的出現(xiàn)使階段D出現(xiàn)的位置延后。

圖5 火焰鋒面位置與氫氣體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between flame front position and hydrogen volume fraction

2.2 不穩(wěn)定性振蕩分析

圖6 展示了γ=30%和50%兩個(gè)典型工況火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中的壓力曲線與火焰鋒面位置耦合圖。壓力數(shù)據(jù)由安裝在管道閉口端的壓力傳感器測(cè)得，由高速攝像機(jī)拍攝的火焰圖片可以得到火焰鋒面位置。將火焰圖片處理為高對(duì)比度的黑白圖像，使用Matlab 軟件識(shí)別出火焰鋒面最前方的像素坐標(biāo)X，代入式(2)可以得到火焰鋒面位置S[34]。

圖6 壓力曲線與火焰鋒面位置Fig.6 Pressure curve and flame front position

以上全部工作都可在Matlab 軟件內(nèi)完成，其中Z為沿火焰?zhèn)鞑シ较驁D片的像素長(zhǎng)度。將γ=30%和50%兩個(gè)工況的壓力曲線與火焰鋒面位置圖相對(duì)比，可以很明顯觀察到兩者的不同。

壓力曲線上出現(xiàn)的第一個(gè)較高峰值為破膜壓力[35]，峰值大小僅與所使用的PVC 薄膜材料有關(guān)。對(duì)于圖6(a)，從壓力曲線上可以看出，在破膜壓力出現(xiàn)之后，火焰從階段A 演變到階段C的過(guò)程中，壓力曲線表現(xiàn)為周期的振蕩，179 ms后到達(dá)階段D，火焰變?yōu)橥牧鳎瑝毫φ袷幏仍龃蟛⒊霈F(xiàn)峰值。Searby[18]將階段D出現(xiàn)的這類壓力曲線形式稱為次級(jí)不穩(wěn)定性振蕩，壓力增長(zhǎng)趨勢(shì)呈指數(shù)型變化是次級(jí)不穩(wěn)定性振蕩出現(xiàn)的顯著標(biāo)志[17]，如圖6(a)中虛線箭頭所示。次級(jí)不穩(wěn)定性振蕩出現(xiàn)后，鋒面位置波動(dòng)的尺寸顯著增加，在位置曲線上出現(xiàn)明顯的斜率變化，因此根據(jù)火焰鋒面位置曲線也可以清楚地確定次級(jí)不穩(wěn)定性振蕩開始的階段。

對(duì)于圖6(b)，在159 ms 后同樣出現(xiàn)了次級(jí)不穩(wěn)定性振蕩。對(duì)壓力曲線進(jìn)行傅里葉變換，制作振幅-頻率圖，如圖7 所示，以最大振幅為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)振幅數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化處理。對(duì)于開口管道，燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的聲學(xué)振蕩頻率可由式(3)計(jì)算得到近似值[36]。

圖7 壓力曲線振幅-頻率圖Fig.7 The amplitude-frequency diagram of pressure curve

式中，L為管道長(zhǎng)度；c為利用CHEMKIN 軟件（USC Ⅱ機(jī)理）[37]計(jì)算得到的預(yù)混未燃?xì)怏w聲速，具體數(shù)值見表1。USC Ⅱ機(jī)理是在GRI Mech 1.2和3.0基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的[38]，包含784 種反應(yīng)，許多研究表明[21-23,38-40]該機(jī)理在模擬碳?xì)浠衔锶紵F(xiàn)象時(shí)提供了準(zhǔn)確的結(jié)果，因此本實(shí)驗(yàn)所有模擬均采用USCⅡ機(jī)理。對(duì)于本文所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，理論計(jì)算得到的聲學(xué)振蕩頻率范圍在295.0～310.8 Hz，圖8展示了理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的次級(jí)不穩(wěn)定性振蕩頻率與氫氣體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系，可以看出兩者具有相同的變化趨勢(shì)，振蕩頻率均隨聲速的增加而增加，并且理論計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間差值最大僅3.0 Hz，具有良好的吻合性，說(shuō)明次級(jí)不穩(wěn)定性振蕩是由于燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的有限振幅的聲學(xué)振蕩引起的[17]，并且同一個(gè)燃燒管道內(nèi)，次級(jí)不穩(wěn)定性振蕩頻率僅與預(yù)混未燃?xì)怏w的聲速相關(guān)。

圖8 次級(jí)不穩(wěn)定性振蕩頻率與氫氣體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.8 Relationship between the frequency of secondary instability oscillation and hydrogen volume fraction

對(duì)于圖6(b)，γ=50%的工況在階段A 的后期出現(xiàn)了明顯的高頻振蕩，從圖7(b)可知振蕩頻率在562.4 Hz 左右。Searby[18]稱這種振蕩為初級(jí)不穩(wěn)定性振蕩。對(duì)初級(jí)不穩(wěn)定性振蕩的產(chǎn)生機(jī)制仍沒有明確的定義，目前比較普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為：燃燒反應(yīng)速率對(duì)聲壓的敏感性以及聲學(xué)加速引起的火焰表面積的變化導(dǎo)致了初級(jí)不穩(wěn)定現(xiàn)象的產(chǎn)生。將γ=50%工況的壓力曲線與火焰圖像相結(jié)合以方便觀察胞狀火焰階段（Ⅰ）、初級(jí)不穩(wěn)定階段（Ⅱ）以及次級(jí)不穩(wěn)定階段（Ⅲ）火焰形態(tài)的特點(diǎn)，如圖9 所示。胞狀火焰階段（Ⅰ）一個(gè)壓力振蕩周期約6 ms，在一個(gè)周期內(nèi)火焰鋒面上胞狀結(jié)構(gòu)的數(shù)量和尺寸沒有發(fā)生明顯變化，只有火焰鋒面位置的周期性上下移動(dòng)。初級(jí)不穩(wěn)定階段（Ⅱ）一個(gè)壓力振蕩周期約1.8 ms，與階段（Ⅰ）相比振蕩頻率大幅增加，且火焰鋒面上胞狀結(jié)構(gòu)尺寸變小，數(shù)量明顯增多。Pelcé 等[41]提出了胞狀不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的條件：火焰的表面積應(yīng)大于管道的半徑與管道長(zhǎng)度之比，如式(4)所示。

圖9 γ =50%時(shí)壓力曲線與火焰圖像Fig.9 Pressure curve and flame images at γ =50%

式中，a為火焰彎曲結(jié)構(gòu)的振幅;wf是火焰彎曲結(jié)構(gòu)的最大寬度。Pelcé 等[41]認(rèn)為，由D-L 不穩(wěn)定引起的火焰褶皺在形成胞狀結(jié)構(gòu)后，火焰在振蕩傳播的過(guò)程中，隨著壓力的波動(dòng)火焰振幅會(huì)出現(xiàn)變化導(dǎo)致火焰表面積發(fā)生改變。火焰表面積的波動(dòng)引起了熱釋放率與聲壓的相位變化，這些因素共同作用導(dǎo)致了初級(jí)不穩(wěn)定性振蕩的出現(xiàn)，并證明了初級(jí)不穩(wěn)定的增長(zhǎng)速率與(ak)2成正比，其中k是胞狀結(jié)構(gòu)個(gè)數(shù)。結(jié)合圖9可以看出，胞狀火焰振蕩階段，火焰鋒面向閉口端移動(dòng)對(duì)應(yīng)壓力曲線的上升，火焰鋒面向開口方向移動(dòng)對(duì)應(yīng)壓力曲線的下降，在一個(gè)振蕩周期中只有鋒面位置的改變，胞狀結(jié)構(gòu)的尺寸和數(shù)量沒有出現(xiàn)明顯變化。而在高頻振蕩階段，火焰鋒面上產(chǎn)生的胞狀結(jié)構(gòu)數(shù)量明顯增多，并且振蕩表現(xiàn)在胞狀結(jié)構(gòu)尺寸的快速變化，這引起了火焰表面積的快速改變，Pelcé 等[41]的理論可以很好地解釋初級(jí)不穩(wěn)定性產(chǎn)生的原因。對(duì)于圖9(d)，次級(jí)不穩(wěn)定性振蕩階段火焰已經(jīng)向著湍流傳播轉(zhuǎn)變，理論不再適用。

γ=50%的工況初級(jí)不穩(wěn)定表現(xiàn)出的高頻振蕩，與富氧和摻氫條件下對(duì)烷烴預(yù)混氣體進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)時(shí)[42-43]，壓力曲線上出現(xiàn)的高頻振蕩類似。Di Benedetto 提出了一種新的機(jī)制對(duì)此類高頻振蕩進(jìn)行了解釋。Di Benedetto 等[44]將其稱為燃燒誘導(dǎo)快速相變(combustion-induced rapid phase transition,cRPT)現(xiàn)象：反應(yīng)產(chǎn)物中的水在遇到容器壁面后冷凝形成水膜，由于光滑的管壁上缺乏允許水膜蒸發(fā)的成核位置，因此形成的水膜又快速被燃燒產(chǎn)生的高溫氣體加熱到高于蒸發(fā)溫度的過(guò)熱狀態(tài)，發(fā)生快速相變，冷凝與蒸發(fā)的過(guò)程快速重復(fù)，出現(xiàn)高頻振蕩現(xiàn)象。cRPT現(xiàn)象與反應(yīng)產(chǎn)物中的水密切相關(guān)，因此預(yù)混氣體中氫氣的體積分?jǐn)?shù)一定程度上決定了cRPT 現(xiàn)象能否出現(xiàn)[45]。本實(shí)驗(yàn)中，氫氣體積分?jǐn)?shù)γ＜50%的工況沒有出現(xiàn)高頻振蕩，當(dāng)γ≥50%后的所有工況均出現(xiàn)高頻振蕩現(xiàn)象，與cRPT 現(xiàn)象的出現(xiàn)規(guī)律具有良好的相似性。

2.3 次級(jí)不穩(wěn)定性振蕩最大壓力變化趨勢(shì)與敏感性分析

實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的最大壓力出現(xiàn)在次級(jí)不穩(wěn)定性振蕩階段，圖10展示了不同工況火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中最大壓力出現(xiàn)的時(shí)間和最大壓力數(shù)值的變化規(guī)律。從圖10(a)可以看出，隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)的增加，出現(xiàn)最大壓力所需的時(shí)間逐漸縮短。利用CHEMKIN軟件（USC Ⅱ機(jī)理）[37]對(duì)不同氫氣體積分?jǐn)?shù)的工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到主要鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的敏感度系數(shù)[圖11(a)]，以及早期鏈?zhǔn)椒磻?yīng)在高溫下產(chǎn)生OH 自由基摩爾分?jǐn)?shù)的最大值[圖11(b)]。敏感度系數(shù)為正說(shuō)明該反應(yīng)可以提高燃燒反應(yīng)的速率，敏感度系數(shù)為負(fù)則為抑制作用。從圖11(a)可以看出，反應(yīng)R1 為正敏感度系數(shù)的主導(dǎo)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。結(jié)合表2主要鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和圖11(b)，可以發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)R1 以及多數(shù)促進(jìn)反應(yīng)R2、R31 和R40 等，都生成了H、O 和OH 自由基，這些自由基的化學(xué)反應(yīng)速率決定了燃燒反應(yīng)的強(qiáng)度以及火焰的傳播速度[46]。氫氣體積分?jǐn)?shù)的增加促進(jìn)了反應(yīng)R1 的進(jìn)行，反應(yīng)中出現(xiàn)的OH 自由基摩爾分?jǐn)?shù)也隨之提升。反應(yīng)速率和火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著氫氣體積分?jǐn)?shù)的增加而加快，次級(jí)不穩(wěn)定性振蕩出現(xiàn)的時(shí)間逐漸提前，因此出現(xiàn)最大壓力所需的時(shí)間逐漸縮短。結(jié)合圖5可以發(fā)現(xiàn)，在高頻振蕩階段，火焰鋒面?zhèn)鞑ニ俣让黠@降低，使得γ=50%的工況出現(xiàn)最大超壓所經(jīng)歷的時(shí)間有所增加。

表2 主要鏈?zhǔn)椒磻?yīng)Table 2 Main chain reactions

圖10 不同氫氣體積分?jǐn)?shù)壓力峰值及出現(xiàn)的時(shí)間的變化趨勢(shì)Fig.10 The pressure peak and time variation trend of different hydrogen volume fractions

圖11 主要鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的敏感度系數(shù)和OH自由基摩爾分?jǐn)?shù)的最大值Fig.11 The sensitivity coefficients for main chain reactions and the maximum value of the OH free radical molar fraction

火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中出現(xiàn)的最大壓力隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)的增加也在逐漸降低，當(dāng)γ=70%時(shí)，最大壓力已經(jīng)降至低于破膜壓力。這一變化趨勢(shì)與其他實(shí)驗(yàn)[47-48]有所不同，這主要是由于點(diǎn)火位置在開口處造成的影響[25,49]。當(dāng)點(diǎn)火位置位于封閉端時(shí)[47-48]，火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程經(jīng)歷了Clanet 等[50]提出的四個(gè)階段，預(yù)混氣體燃燒較為完全，火焰得到了充分發(fā)展，隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)的增加預(yù)混氣體反應(yīng)強(qiáng)度提高，隨之出現(xiàn)的最高壓力也在逐漸增大。與閉口端點(diǎn)火相比，本文所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)火點(diǎn)在開口端，預(yù)混火焰在傳播過(guò)程產(chǎn)生的聲壓存在更多的開口損失，見式(5)[19]。

式中，L為管道長(zhǎng)度；c為預(yù)混未燃?xì)怏w聲速；r為管道半徑；ω為角頻率。對(duì)于同一個(gè)管道，(ωr)2固定，開口聲壓損失只與聲速有關(guān)。因此可以估測(cè)，隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)的增加，管道開口聲壓損失隨著聲速的增加逐漸增大。同時(shí)開口端點(diǎn)火后會(huì)產(chǎn)生比閉口端點(diǎn)火更強(qiáng)烈的泄爆氣流，大量已燃?xì)怏w與部分預(yù)混未燃?xì)怏w一同噴出管道，泄爆氣流的強(qiáng)度與燃燒反應(yīng)劇烈程度正相關(guān)，因此氫氣體積分?jǐn)?shù)增加將會(huì)使更多預(yù)混未燃?xì)怏w隨泄爆氣流噴出管道。以上兩種開口處的損失最終導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中出現(xiàn)的最大壓力逐漸降低。

3 結(jié) 論

（1）氫氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中的鋒面結(jié)構(gòu)有很大影響。對(duì)于氫氣體積分?jǐn)?shù)γ＜50%的工況，火焰在開口端點(diǎn)火后火焰鋒面出現(xiàn)胞狀結(jié)構(gòu)（階段A），隨著火焰繼續(xù)向下傳播胞狀結(jié)構(gòu)尺寸逐漸增大（階段C），當(dāng)傳播到管道300 mm 位置后火焰逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆牧鱾鞑ィA段D）。對(duì)于氫氣體積分?jǐn)?shù)γ≥50%的工況，火焰在階段A后期小尺寸胞狀結(jié)構(gòu)明顯增多并伴隨著快速振蕩，在火焰?zhèn)鞑サ焦艿乐胁?50～300 mm 位置時(shí)，火焰演變?yōu)槠交膹澢鹧妫A段B），火焰表現(xiàn)出接近層流的平穩(wěn)傳播，然而階段B 并不穩(wěn)定，很快地胞狀結(jié)構(gòu)再次出現(xiàn)并發(fā)展為湍流傳播。

（2）氫氣體積分?jǐn)?shù)的變化使火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中出現(xiàn)兩種完全不同的不穩(wěn)定振蕩形式。對(duì)于γ＜50%的工況，當(dāng)火焰處于湍流傳播階段，壓力曲線上出現(xiàn)次級(jí)不穩(wěn)定性振蕩，這是由于燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的有限振幅的聲學(xué)振蕩引起的，振蕩頻率與預(yù)混未燃?xì)怏w的聲速相關(guān)。對(duì)于γ≥50%的工況，壓力曲線上存在次級(jí)不穩(wěn)定性振蕩的同時(shí)還存在初級(jí)不穩(wěn)定性振蕩，出現(xiàn)在階段A 后半段。胞狀結(jié)構(gòu)尺寸的快速變化引起的火焰表面積的改變是形成初級(jí)不穩(wěn)定振蕩的原因，燃燒誘導(dǎo)快速相變現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)中初級(jí)不穩(wěn)定性產(chǎn)生的高頻振蕩相似，并且在一定程度上解釋了高頻振蕩出現(xiàn)在γ≥50%工況的原因。

（3）由敏感性分析可知鏈?zhǔn)椒磻?yīng)R1（H+O2=== ===== O+OH）為提高燃燒反應(yīng)速率的主導(dǎo)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，氫氣體積分?jǐn)?shù)的增加促進(jìn)了反應(yīng)R1 的進(jìn)行，使火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌欤瑢?dǎo)致次級(jí)不穩(wěn)定性振蕩出現(xiàn)的時(shí)間逐漸提前。由于開口處的聲壓損失和預(yù)混未燃?xì)怏w隨泄爆氣流的損失均隨氫氣體積分?jǐn)?shù)的增加而增加，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中出現(xiàn)的最大壓力逐漸降低。