同軸管甲烷逆流燃燒器中火焰結構與燃燒穩定性

黃景懷，李軍偉，陳新建，魏志軍，王寧飛

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同軸管甲烷逆流燃燒器中火焰結構與燃燒穩定性

黃景懷，李軍偉，陳新建，魏志軍，王寧飛

(北京理工大學宇航學院，北京 100081)

用骨架反應機理對同軸管甲烷逆流燃燒器進行分析能夠很好地了解火焰結構與燃燒器內的溫度分布，并得到各處的火焰拉伸率及相關參數。隨著空氣流量(A)的增加，火焰形狀由扁平型變化為彎曲型，并逐漸將內管管口包覆，火焰厚度逐漸減小。當量比(ER)較大時，火焰附近溫度與物質的分布較為稀疏，而ER較小時，其分布較為緊密。內管壁面上熱通量f隨著的A增加而逐漸加強；總的傳熱量在A=2540 ml·min-1達到最大。當ER≥3.00時，火焰拉伸率開始時緩慢變化，在越過燃燒器內管邊緣后快速增加，但最終不大于65 s-1。在ER<1.00時，火焰呈彎曲狀，長度較長，值變化劇烈，最大可以達到638 s-1，并在火焰末端值變為負數，最小值為-262 s-1。

甲烷；數值模擬；傳熱；逆流；燃燒狀態；火焰拉伸率

引 言

過去20年來，微機電系統與微動力裝置在國防和經濟等多個領域表現出非常廣泛的應用前景，依托MEMS技術的納衛星、微型飛行器等產品已經開始裝備[1-3]。微尺度燃燒器能量質量密度能夠達到10～1000 W·kg-1，遠高于現今常用的鋰離子電池[4]。微尺度燃燒反應空間小、熱量損失比較大、火焰比較微弱等，其工作特性并不等同于宏觀尺度下的燃燒特性[5-12]。

目前國內外研究人員提出了多種不同的方式對火焰進行穩定，并取得了一定的成果。如Miesse等[13]認為微尺度火焰的燃燒仍然是可行的，但需要對燃燒器壁面的材料與構型進行仔細的設計；為了提高火焰在微尺度燃燒器中的穩定性，Maruta等[14-15]選用了瑞士卷型燃燒器，研究表明，壁面上的熱損失與吹熄都會對燃燒邊界產生影響，同時催化劑的使用能夠降低火焰溫度。國內的研究人員在這方面也做了大量的工作，如曹彬等[16]研究了不同操作條件對微尺度化學反應器內氫氣/空氣催化燃燒的影響，結果表明即使在氫氣的爆炸極限內，氫氣/空氣混合氣也能夠在微燃燒器內進行受控的安全燃燒；張力等[17]同樣采用催化燃燒的方法，研究了甲烷預混氣體在微型燃燒器中的燃燒狀況，結果表明甲烷流量、空氣過量系數以及壁面溫度都對催化效率有一定的影響；萬建龍等[18]研究了不同材料的鈍體對于微尺度燃燒的影響，結果表明微型鈍體燃燒器中火焰穩定性與流動和傳熱之間的相互作用非常密切。針對微尺度燃燒器的燃燒不穩定現象，Kim等[19-20]設計了一種同軸逆流非預混甲烷燃燒器，在這種燃燒器中，完成燃燒的燃氣與未燃氣體進行熱交換。首先利用實驗手段對該燃燒器進行了分析，測定了燃燒器的上下邊界與溫度分布，并對不同的熄火機理進行了分析，實驗表明這種燃燒器能夠獲得比較高的燃燒效率與較寬的燃燒邊界[19]。之后利用甲烷單步反應機理對該燃燒器進行了分析，了解到在HA(higher-air)邊界上，火焰拉伸是熄火的主要因素，而在LA(lower-air)與LF(lower-fuel)邊界上，熱熄火則起主導作用，此外還利用數值分析方法分析了不同邊界條件下(絕熱壁面與非絕熱壁面)燃燒器的工作狀態[20]。他們認為，相比于敞開環境中的逆流燃燒器，細管中的逆流燃燒器其燃燒穩定性更好[19]，但是這種燃燒器的燃燒機理尚不完全清楚。

甲烷作為最簡單的有機物，其燃燒特性非常獨特，具有很高的著火溫度和很低的火焰傳播速度；研究人員對甲烷的燃燒化學反應也理解得非常深入。同時甲烷作為天然氣與沼氣的主要成分，在工業生產與日常生活方面具有非常重要的用途。單步反應機理簡單，對計算資源要求不高，但是無法更加深入地了解火焰結構、反應機理等深層次問題。本文分析了Kim等的逆流甲烷燃燒器，在其實驗研究的基礎上，運用商業數值計算軟件(Fluent 15.0)，對逆向流動中的甲烷射流在非預混燃燒器中的燃燒特性進行數值研究。在研究中引入了甲烷骨架燃燒反應機理，能夠很好地了解各種中間產物的形成與演化，更加深入地對火焰進行研究，并從而更加深入地了解該燃燒器工作特性。本文研究目的在于更加全面地了解火焰結構，通過數值仿真得到燃燒器內的溫度分布以及關鍵中間產物的分布情況，同時利用所得到的計算結果計算不同工況下的火焰拉伸率與火焰曲率，了解不同入口參數對火焰拉伸的影響。

1 物理模型與數值計算方法

圖1為同軸逆流燃燒器物理模型。燃燒器由兩同軸直管組成，內管為不銹鋼管，外管為石英管，二者壁厚均為0.5 mm，裝置結構尺寸如圖所示。甲烷燃料由內管左端的燃料入口注入，而空氣則由燃燒器右端的空氣入口注入，燃燒后的高溫燃氣則由左端內外管之間的環形通道排出。本文中甲烷燃料流量F=120 ml·min-1，空氣流量A隨著工況而變化。

根據燃燒器的結構對稱性，數值計算模型采用二維軸對稱模型。計算采用基于壓力的隱式求解器，由于所模擬的工況中Reynolds數均小于1600，故選用層流流動模型，數值仿真中所采用的控制方程包括連續方程、動量守恒方程、組分守恒方程、能量守恒方程、氣體狀態方程等[21]。忽略重力的影響。在網格劃分上，模型采用結構化網格，網格尺寸0.1 mm，網格總數59500個。為改善收斂，計算過程中采用了較小的亞松弛因子。

為了解散熱對燃燒穩定性的影響，燃燒器的外表面選用混合傳熱模型，固體壁面與外界空氣的對流傳熱系數為20 W·m-2·K-1 [22]，外界環境溫度300 K，不銹鋼壁面與石英壁面的外部發射率分別取0.85與0.97，不銹鋼管的熱導率取16.27 W·m-1·K-1，石英的熱導率為1.3 W·m-1·K-1[23]。在仿真計算中，忽略燃氣的輻射。甲烷與空氣的入口邊界采用速度入口條件，出口則為壓力出口條件，燃氣與壁面采用非滑移壁面條件。

甲烷燃燒反應速率通過Arrhenius定律控制，反應機理選用了Smooke[24]開發的骨架反應機理。其中涉及15種組分(不包含N2)，35個化學反應，諸多研究人員利用該反應機理對甲烷燃燒反應進行了研究[25-27]。同時，本文還利用CHEMKIN對沖火焰模型對該機理進行了驗證，得到了不同當量比下對沖火焰的溫度分布。模型分別采用了骨架反應機理與GRI-mech機理。一般認為，GRI-mech反應機理能夠準確地反映甲烷的化學反應進程，但是其基元反應過多，在使用上具有很大的局限性[28]。從圖中可以看出，Smooke機理的計算結果與GRI-mech機理的結果吻合得很好。因此本文所采用的骨架反應機理能夠有效地對甲烷/空氣的燃燒反應進行模擬分析。

2 結果與討論

表1為燃燒器中不同的工作狀態，燃料流速(F)為120 ml·min-1，空氣流速(A)隨工作狀態而改變，表中還顯示了不同工況下，充分混合后的當量比(ER)、空氣流速(air)與空氣Reynolds數(air)。

表1 燃燒器工況 Table 1 Combustion cases of simulation

2.1 計算方法驗證與火焰形態

本文以Kim等[19]建立的逆流甲烷燃燒器作為研究對象。根據其實驗圖像以及裝置的壁面溫度，將仿真得到的溫度分布與實驗結果進行了對比(圖3)。從圖中可以看出，仿真結果與實驗圖像吻合得很好。此外，本文還對比了F=150 ml·min-1，A為380 ml·min-1時燃燒器壁面上的溫度分布，如圖4所示。很顯然，仿真計算能夠很好地模擬燃燒狀況。

圖4 QF=150 ml·min-1時QA為380 ml·min-1外管壁面上實驗[19]與仿真溫度對比 Fig.4 Temperature profiles of experiment and simulation when QF=150 ml·min-1, QA = 380 ml·min-1

在逆流甲烷燃燒器中，入口空氣與入口甲烷流動方向相反，完成燃燒后的燃氣流動方向沿甲烷進氣管外壁流動，能夠對甲烷進行預熱，提高反應前甲烷溫度，從而提高燃燒穩定性。圖3為燃燒器上的溫度分布，可以看出，由于A的不同，火焰位置與火焰形態均有所變化。主要表現在，在A較小時(A≤381 ml·min-1)，火焰呈扁平狀(flat-disk shape)，此時火焰位于內管出口正方向，且隨著A的增加其形狀也略有彎曲；而當A較大時(A＞ 381 ml·min-1)，火焰為彎曲狀(curved shape)，覆蓋在內管外壁并將內管出口包覆，且當A繼續增加時，火焰的彎曲程度也更加顯著。

2.2 邊界條件對于燃燒狀態的影響

通過對燃燒狀態的進一步分析可以得到火焰形態的變化，圖5顯示了F=120 ml·min-1時，不同工況下火焰厚度、火焰長度、火焰位置以及火焰溫度的變化，其中火焰厚度的計算方法由式(1)給出，b與u分別為完成燃燒的氣體溫度與未燃氣體溫度[29]。很顯然，隨著A的升高，反應區域被氣體壓縮得更小。完成燃燒后的混合氣向軸負方向流動，并在流動的過程中逐漸消耗熱量——部分熱量通過外管壁傳遞到外界環境中，部分熱量用于對內管中氣體的加熱。

在燃燒器中，OH的存在時間要比其他自由基要長[30]。在研究中常常利用OH云圖來代表反應區域[31]。OH云圖的脊線(ridge line)則定義為火焰面，脊線的長度即為火焰長度(flame distance)。與絕熱火焰類似，在逆流燃燒器中，火焰溫度變化也呈現先升高后降低的趨勢，且在當量比ER=1.00時(Case 5)達到最高。在相同的F下，A的增加也會改變火焰的位置，圖5中的火焰位置(flame distance)表示了火焰面與燃燒器軸線的交點距離內管出口的長度。從圖5中還可以看出，A的增加使得火焰長度逐漸增加，而當ER=1.00時火焰長度達到了最大，出現了較長的拖尾，在某些情況下拖尾甚至能夠延伸至燃燒器出口位置；而隨著A繼續增加，火焰長度逐漸下降。

圖6為各個狀態下燃燒器中不同中間產物質量分數的最大值的變化。在A較小時，OH質量分數最大值迅速由0.15%變化至0.53%（190～1143 ml·min-1），即當ER=1.00時，OH峰值達到最大，繼續增加，OH濃度逐漸降低。HO2在反應進程中是OH的主要來源之一，其變化趨勢與OH的變化趨勢大體相反。H、HCO以及CH2O是CH4燃燒過程中的重要參與者，其中H參與了大部分化學反應，而HCO與CH2O則是CH4轉化為CO2的反應鏈的組成部分，這三者的變化則呈現了隨著Q的增加逐漸增大的趨勢，反映了化學反應的劇烈程度在逐漸提高。

圖7為ER=3.00(Case 4)與0.45(Case 6)時火焰附近的火焰結構。從圖中可以看出，ER較小時，由于A較大，溫度分布較為緊密，火焰顯得更加緊湊。CH4與O2在火焰附近被快速消耗掉，其中CH4在依次轉化為CH3、CH2O、HCO、CO后最終轉化為CO2；CO2與H2O的分布則較為接近，這兩種物質都是CH4完全燃燒的產物，但CO2還會通過逆反應生成CO。而即使是在ER=3.00時，火焰附近的CO的分布也較少，可以認為CO更多在其他區域由CO2轉化而來。由圖中還可以看出，OH的分布與溫度的變化較為吻合，HO2更多位于靠近O2方向，而HO2正是在H的參與下由O2轉化而來，進而轉化為OH。