小尺度射流擴散火焰結構的實驗研究*

甘云華 宋景東 楊澤亮 矯明倫 鄭昊

(1.華南理工大學電力學院，廣東廣州510640;2.東北電力大學研究生部，吉林吉林132012)

近年來，微電子機械系統(MEMS)得到了廣泛的研究和高速的發展.Wen［1］對MEMS領域的發展趨勢和前沿問題進行了較為全面的綜述，認為以微燃燒為基礎的微能源系統的研究是MEMS中極有前途的一個領域.微燃燒系統所能提供的能量密度約為常規電池的20～75倍，具有無可比擬的優越性［2］.

許多學者對微尺度燃燒特性進行了大量的研究.Cao等［3］對不銹鋼環形燃燒室中氫氣－空氣的預混燃燒進行了實驗，對壁面溫度和排氣溫度進行了測量，計算了不同熱功率下的熱損失.Maruta等［4］采用內徑為2mm的石英圓管作為燃燒室，對甲烷－空氣或丙烷－空氣的預混燃燒進行了實驗.李軍偉等［5］采用內徑2mm和1.4mm的微細不銹鋼管和陶瓷管進行氧氣和甲烷氣體的燃燒實驗.Sunderland等［6-8］以甲烷、乙烷和丙烷等為燃料，對微小尺度層流擴散火焰進行了實驗，并分析了微重力和超重力下的變化規律.Matta等［9］對丙烷的微射流擴散火焰結構進行了可視化測量.Cheng等［10］采用紫外雷曼散射結合激光誘導熒光技術對氫氣小火焰特性進行了實驗.蔣利橋等［11］對用不同直徑的微/小尺度圓管對甲烷在空氣中的擴散火焰燃燒進行了實驗，分析了火焰結構，探討了熄滅特性.

Fernandez-Pello［12］指出，采用液體碳氫化合物燃料的微燃燒系統具有廣闊的發展空間，與氣體微燃燒系統相比具有體積小、持續時間長等優點.目前關于直接采用液體燃料來進行的微燃燒系統的研究非常少.Chen等［13］采用液體乙醇為燃料，進行了小尺度的擴散燃燒實驗研究，分析了燃燒過程中火焰結構及乙醇汽液界面的變化規律.Yang等［14-15］考察了在不同的流量下，液體乙醇擴散小火焰結構的變化規律，并分析了外加電場對小火焰結構的影響.

分析火焰結構的變化規律是了解微尺度燃燒特性的一個重要途經.鑒于此，文中采用液體乙醇為燃料，對小尺度自由空間和受限空間下的射流擴散火焰結構特性進行對比分析，以期為微燃燒系統的研制提供一定的參考依據.

1 實驗系統

所采用的實驗系統如圖1所示.液體乙醇由注射泵經連接管輸送到陶瓷管中，以陶瓷管作為燃燒器，乙醇經陶瓷管出口垂直向上噴出，經點火后燃燒.若陶瓷管外沒有放置玻璃管則形成自由射流擴散火焰;若放置玻璃管則形成受限射流擴散火焰.陶瓷管由銅制底座來支撐和固定，陶瓷管伸出底座的長度可以預先調整.進入陶瓷管內的乙醇流量由TS2-60型注射泵精確控制(誤差在±1.0%以內).火焰圖像由數字式CCD攝像頭(型號為ProgRes C12plus)結合顯微鏡來測量，圖像分辨率可達2580×1944.火焰圖像經拍攝后可實時傳送至電腦儲存和處理.

放置透明玻璃管的目的，主要是為了形成受限空間，另外也便于透過玻璃管來拍攝火焰圖像.研究中所采用的受限空間結構尺寸如圖1所示.陶瓷管內徑為1.0mm，外徑為2.0mm，總長為30mm;玻璃管內徑為8.8mm，外徑為12mm，總長為102mm.陶瓷管伸出底座長度為10 mm.玻璃管下端與底座出口端平齊.燃料乙醇射流經點燃后，將受到玻璃管內壁的限制，形成受限射流擴散火焰.

圖1 實驗系統Fig.1 Experimental system

在本實驗范圍內，穩定燃燒時產生的典型層流射流擴散火焰結構如圖2所示.液體乙醇經受熱汽化并經點燃后，會形成明顯的火焰面.火焰底部通常會離開陶瓷管口一定的距離.研究中定義火焰長度L為自陶瓷管口到火焰頂部的距離，火焰寬度W為火焰在水平方向最大距離，如圖2所示.實驗所拍攝的火焰圖像，由軟件Origin7.5進行后處理，由于已知陶瓷管外徑為2.0mm，根據相應的比例可得出火焰長度及寬度.

圖2 火焰結構Fig.2 Flame structure

2 數據處理

液體乙醇的體積流量Ql由注射泵設定并精確控制，則液體乙醇的流速uL為:

式中:A為陶瓷管出口截面積;d為陶瓷管內徑.

乙醇經受熱氣化后的氣態流量可由質量守恒方程求出:

式中:ρL、ρV、uV分別為乙醇的液態密度、氣態密度和氣態下的流速.

乙醇蒸氣的雷諾數和弗勞德數分別定義如下:

式中:μV、g分別為乙醇蒸氣的動力黏度和重力加速度.

上述各式中，液態時的物性參數均取室溫20℃下的物性，氣態時的物性參數取沸點78.29℃下的物性.根據文獻［16］中相關公式計算得出，乙醇液態密度ρL為789.3kg/m3，液態動力黏度μL為1.17× 10－3Pa·s，蒸氣的密度ρV為1.590 kg/m3，蒸氣的動力黏度μV為10.40×10－6Pa·s.實驗所采用的乙醇為分析純，純度達99.5%以上.

3 實驗結果與討論

3.1 火焰圖像

文中實驗是在保持其它條件不變的前提下，通過改變液體乙醇的流量來獲取不同工況下的火焰圖像.筆者所在課題組前期的研究結果表明:當流量很小時會出現接近于熄滅時的燃燒火焰，呈扁平的半月狀;當流量較大時會出現不穩定的振蕩燃燒火焰;而當流量適中時會出現穩定燃燒火焰，呈球狀或半球狀［17］.本研究的主要目的是比較自由射流與受限射流下的火焰結構，因此選取處于穩定燃燒階段的工況來進行對比分析.

文中在相同的液體乙醇流量下進行了13組對比實驗，各工況下的流量 QL分別為1.80、1.85、1.90、1.95、2.00、2.05、2.10、2.15、2.20、2.25、2.30、2.35和2.40mL/h.圖3給出了液體乙醇流量為2.25 mL/h時的火焰圖像.實驗過程中先進行自由射流燃燒實驗，然后慢慢放置玻璃管進行受限射流燃燒實驗.圖3(a)給出了自由射流擴散火焰圖像，呈典型的橢球狀，火焰呈淡藍色，火焰面十分明亮，火焰底部至陶瓷管口的距離較小.圖3(b)給出了受限射流擴散火焰圖像，呈圓錐狀，平面輪廓近似成三角形，火焰呈淡藍色，火焰面清晰，火焰底部至陶瓷管口的距離較大，火焰的長度和寬度都較自由射流擴散火焰小.而且圖3(b)中陶瓷管出口處可觀察到明顯的氣液相變界面.在受限射流情況下，空氣從受限空間下方進入燃燒區域，燃燒后從玻璃管上方流出，這種流場有助于預熱空氣，提高燃燒溫度，促進液體乙醇在靠近管口附近汽化，使得氣液界面提升到管口上方，從而使火焰呈略向內收斂的形態.其它流量下的工況所得出的火焰圖像的結構特征基本相似，篇幅所限這里不一一列出.

圖3 液體乙醇流量為2.25mL/h時的火焰圖像Fig.3 Flame images at a liquid ethanol flowrate of 2.25mL/h

3.2 火焰長度

火焰結構，特別是火焰長度，是層流射流擴散火焰的一項最基本的特性，得到了許多學者的廣泛關注［6-8，11，13-15］.參照文獻中的慣例，將火焰長度進行無量綱化，實驗結果如圖4所示.無論是自由射流火焰還是受限射流火焰，變化趨勢較為相近，無量綱火焰長度L/d均隨雷諾數的增大而增大，且近似按線性規律變化.為了考查浮升力的影響，圖4還給出了無量綱火焰長度隨弗勞德數的變化規律.

圖4 無量綱火焰長度與雷諾數、弗勞德數的關系Fig.4 Dimensionless flame length varying with Reynolds number and Froude number

由各工況下的實驗結果計算可知，在相同的雷諾數下受限射流擴散火焰長度要比自由射流火焰小26%～33%.由燃燒學的基本理論，可以推斷在文中實驗范圍內，受限射流的燃料和空氣的混合條件較好，因而火焰較短，相應的燃燒效率更高.

對于層流擴散火焰，其火焰長度主要受分子擴散、動量傳遞及浮升力3個方面作用的影響［18］.在文中實驗條件下，每個工況均保持流速一致，相應的雷諾數也相同，無論是自由射流還是受限射流，動量傳遞的影響基本相同.而在受限射流的情況下，由于外加玻璃管，減少了火焰向外界的熱損失，一方面加快了液體乙醇的蒸發，在管口形成明顯的汽液界面;另一方面，增強了空氣和乙醇蒸汽的熱運動，分子擴散影響加劇.另外，由于受限射流火焰的熱損失較小，使得受限空間內外空氣的溫差增大，浮升力的影響加劇，火焰長度縮小.

基于文中實驗結果，給出了自由射流擴散火焰及受限射流擴散火焰長度的無量綱準則關聯式如下:

式中:Lf、Lc分別為自由射流擴散火焰長度和受限射流擴散火焰長度.

對比式(5)和(6)，可以看出在文中實驗范圍內，在小尺度下，射流擴散火焰長度均受弗勞德數的影響，而且受限射流擴散火焰長度受弗勞德數的影響更大，這主要是由分子擴散和浮升力的影響加劇所致.

3.3 火焰寬度

火焰寬度也是表征射流擴散燃燒特性的一個重要參數.目前有關火焰寬度的實驗關聯式還相對較少［6］.圖5給出了無量綱火焰寬度隨雷諾數及弗勞德數的變化規律.基于文中實驗數據，實驗準則關聯式如下:

式中:Wf、Wc分別為自由射流擴散火焰寬度和受限射流擴散火焰寬度.

圖5 無量綱火焰寬度與雷諾數、弗勞德數的關系Fig.5 Dimensionless flame width varying with Reynolds number and Froude number

由各工況下的實驗結果計算可知，無量綱火焰寬度隨雷諾數的增大近似呈線性規律增大;在相同的雷諾數下，受限射流擴散火焰寬度要比自由射流擴散火焰的小7%～13%.

對于層流射流擴散火焰，通常可以劃分成兩種基本類型:主要受擴散機制支配的類型和主要受浮升力機制支配的類型.對于小尺度擴散火焰，通常認為是由對流－擴散機制所支配［18］.由此，可以推斷受限射流擴散燃燒時燃料和空氣的混合效果要好于自由射流擴散燃燒，從而火焰寬度較小.

本實驗中弗勞德數在10～18的范圍內變化，浮升力對兩種情況下的火焰寬度均有一定的影響，特別是受限射流擴散火焰受浮升力的影響較大.

4 結語

文中以液體乙醇為燃料，采用內徑為1.0mm的陶瓷管作為燃燒器，進行了小尺度自由射流及受限射流擴散燃燒對比實驗研究，并對穩定燃燒情況下的火焰結構進行了光學可視化測量.在實驗范圍內，自由射流擴散火焰呈橢球狀，受限射流擴散火焰呈圓錐狀.在相同的乙醇流量下，受限射流擴散火焰的長度和寬度均小于自由射流擴散火焰.受限射流擴散燃燒時燃料和空氣的混合效果要好于自由射流擴散燃燒，而且其火焰結構受浮升力的影響較大.下一步工作中，將進一步減小陶瓷管內徑及受限空間尺寸進行實驗，并結合數值計算進行對比研究.

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