微型定容燃燒腔內C2～C4烷烴/空氣火焰傳播

蘇航，蔣利橋，曹海亮，劉秦飛，李言欽，趙黛青

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微型定容燃燒腔內C2～C4烷烴/空氣火焰傳播

蘇航1,2，蔣利橋1，曹海亮2，劉秦飛1，李言欽2，趙黛青1

（1中國科學院廣州能源研究所，廣東廣州 510640；2鄭州大學化工與能源學院，河南鄭州 450001）

在直徑35 mm、高度2 mm光學可視的定容燃燒腔內，實驗研究了常溫常壓靜止乙烷/空氣、丙烷/空氣和正丁烷/空氣預混氣在燃燒腔中心由電火花點燃后向外傳播的火焰傳播特性。結果表明：3種燃料空氣混合氣可形成火焰傳播的當量比范圍不同，范圍由大到小排序為乙烷>丙烷>正丁烷；3種燃料均存在由光滑火焰面向褶皺火焰面轉變的傳播形態；在微型定容燃燒腔內，3種燃料的火焰傳播速度均低于常規尺度下定容燃燒彈內火焰傳播速度，且火焰傳播速度隨半徑增加而減??；隨著當量比增加，火焰鋒面容易出現褶皺和斷裂現象，在高當量比情況下，火焰傳播會出現短暫停滯。

微尺度燃燒；定容燃燒；火焰傳播；火焰褶皺；傳播速度

引 言

基于燃料燃燒的微型能源動力系統具有能量密度高和續能方便的特性[1-2]，是潛在的高性能便攜供能系統[3]。微小空間內燃料的高效穩定燃燒是微型能源動力系統的關鍵，受空間尺度、壁面散熱和化學耦合作用的共同影響，微小空間內火焰傳播比常規尺度下更為復雜。研究人員針對微小空間內火焰傳播特性與火焰穩定性強化研究方面做了大量工作。Maruta等[4-5]研究微小空間內壁面與火焰熱耦合作用對傳播速度的影響，從理論和實驗上確定了獲得微小空間內火焰穩定傳播的高速和低速兩種情況；Fan等[6]研究了微通道內預混氣的多種動態火焰形態；Wu等[7]發現細長微通道內火焰傳播呈現低速、振蕩和加速等多種形態；作者所在課題組[8-10]也對微燃燒器內火焰穩定性和壁面化學熄火開展了相關研究。

常規尺度下層流火焰傳播中，火焰會出現不穩定性現象，表現在火焰面會產生皺褶[11]，這對于研究傳播中火焰形態轉變非常重要。Zhou等[12]在80 mm×10 mm定容燃燒裝置中測試了常溫常壓下壁面附近點火丙烷-空氣傳播速度，但是沒有觀察到火焰褶皺產生現象，認為火焰傳播空間半徑太小不能形成褶皺。然而，Tsuji等[13]在22 mm×16 mm×(4～8)mm類似于微型Wankel發動機定容燃燒室內實驗發現，尺度減小會降低火焰傳播速度，且觀察到了火焰傳播中產生的皺褶現象。

目前微尺度燃燒的研究對有穩定預混氣來流的圓管、狹縫等的微小空間內火焰穩定性關注較多，而對于封閉定容微小空間內的火焰傳播研究較少，特別是對微尺度下定容燃燒中火焰傳播中不穩定特性研究明顯不足。因此，本文采用實驗方法對比研究了狹縫間距2 mm、直徑35 mm圓盤狀微型定容燃燒腔內乙烷/空氣、丙烷/空氣和正丁烷/空氣火焰的傳播特性。

1 實驗裝置和實驗方法

實驗所用微型燃燒室如圖1所示，其大小為35.0 mm×2.0 mm，高度2 mm接近C2～C4烷烴/空氣熄火距離。其由兩塊可視石英玻璃蓋板（0=60 mm）構成，下蓋板開有3個圓孔通道，左側孔（1=1.5 mm）距離中心14 mm，作為進口；右側孔（2=2.5 mm）距離中心13 mm，作為出口；中心孔（3=2.5 mm）作為點火電極通道。點火電極由雙孔陶瓷管以及鎢絲（4=0.2 mm）組成。上下石英玻璃蓋板由兩塊圓柱形不銹鋼蓋板和四顆螺栓緊固。在石英玻璃和不銹鋼之間墊有銅片防止爆炸沖擊損壞玻璃。如圖1所示。

實驗系統如圖2所示。乙烷（純度>99.9%）、丙烷（純度>99.9%）、正丁烷（純度>99.9%）作為燃料，壓縮干空氣作為氧化劑，分別由質量流量計（MKS GE50a 誤差0.1%）控制，在進入燃燒室之前充分預混。點火電極布置在燃燒腔室中心，由高壓線圈通過兩根間距0.5 mm鎢絲放電來實現點火。

每次實驗開始前，預混氣通入燃燒室掃氣10 min，然后關閉進出口靜置20 min以確保燃燒室內無殘留氣體以及預混氣混合均勻，初始壓力為1個大氣壓，初始溫度為室溫。點火后，通過高速攝像機（MEMRECAM HX-6）拍攝火焰傳播過程，曝光時間196.6 μs，拍攝記錄5000幅/秒。對所拍攝每張圖片使用Matlab編程處理，通過提取每張圖片中心垂直線上的最亮點到中心的像素距離，將所提取距離進行換算，可得出火焰傳播距離，其方法與過程如圖3所示。首先對火焰原始圖像提取軸線上每個像素亮度值，然后運用二值法去噪點，得到火焰軸線上的亮度分布值，提取最亮點峰值作為火焰鋒面位置，換算得到火焰鋒面實際空間位置。本文提取豎直方向下半徑方向傳播距離數據來計算火焰傳播速度。

2 實驗結果與分析

2.1 火焰傳播可燃當量比范圍

在固定點火電極位置、間距和點火能條件下，分別測試了乙烷、丙烷和正丁烷3種燃料在微燃燒室內能點著并形成火焰傳播的當量比（）范圍，結果如圖4所示。由于微尺度效應的作用，乙烷/空氣混合氣在本實驗裝置中能點燃的范圍為=0.9～1.6；丙烷/空氣混合氣在本實驗裝置中能點燃的范圍為=1.0～1.55；正丁烷/空氣混合氣在本實驗裝置中能點燃的范圍為=1.0～1.5。

可燃當量比范圍與點火能和熄火距離密切相關。本文中高壓線圈固定放電點火能在100 mJ左右（不包含線路點火能的損失），遠大于3種燃料的最低點火能。最低點火能隨燃料當量比的變化是開口向上拋物線的變化趨勢，隨當量比增加，最低點火能量先降低后增大，在某一個當量比附近，最低點火能最小。如乙烷/空氣，在當量比=1.2時，最低點火能0.24 mJ，丙烷/空氣在=1.3時，最低點火能 0.25 mJ，正丁烷/空氣在=1.5時，最低點火能 0.26 mJ[14]。

同時，2 mm間距已經接近3種燃料的熄火距離。3種燃料中，熄火距離按大小排序是正丁烷＞丙烷＞乙烷，在相同點火能和微型燃燒腔間距下，熄火距離小的燃料容易點燃并形成火焰傳播。上述原因導致圖4中可燃極限范圍當量比排序是乙烷＞丙烷＞正丁烷。

2.2 火焰傳播基本特性

3種燃料在不同當量比下火焰傳播特性如圖5所示，火焰傳播形態可分為4種，以乙烷為例[圖5(a)]：①在當量比較低時（=1.0），火焰光亮暗淡，火焰鋒面光滑，火焰可傳播至燃燒室盡頭；②=1.2，火焰鋒面光滑，火焰可傳播至燃燒室盡頭；③=1.4，火焰鋒面有褶皺，火焰可傳播至燃燒室盡頭；④=1.6，火焰傳播中途熄滅。從圖5中還可以看到，火焰傳播圖片中的左右兩邊先出現皺褶，這是進排氣口所在位置導致的。由于進排氣通道與燃燒室直接連通，而進排氣管上的閥門與燃燒腔有一小段距離，當進排氣閥門關閉時，燃燒室封閉空間包含進排氣通道這一段管內空間，盡管進排氣通道體積占燃燒室體積比例較?。偤图s為0.13 ml，而燃燒室體積為2 ml），但對燃燒后燃燒室內流場有著明顯的影響。當預混氣中心著火后向外火焰傳播形成，熱氣體膨脹推動未燃冷氣體向外流動，而在進排氣口位置處，未燃氣體形成匯流進入進排氣口通道，從而改變火焰鋒面結構，使得火焰傳播圖像不是一個正圓形，也容易形成皺褶。

通過對比可以發現，3種燃料火焰傳播速度不同，乙烷火焰傳播完成稍快，丙烷與正丁烷相當，具體火焰傳播速度在后面內容中定量分析比較。隨著當量比升高，火焰傳播更加不穩定，3種燃料均出現火焰皺褶。并且在高當量比條件下會出現中途熄滅的情況，如乙烷在=1.6和丙烷在=1.55高當量比下的情況。

火焰傳播中火焰面輪廓的局部增強或減弱，導致火焰面產生皺褶發生不穩定性傳播，火焰不穩定由3種不同機制單獨或相互作用所導致，分別是熱擴散不穩定性、水動力學不穩定性和因為浮力造成的不穩定性[15]。由于本文中微燃燒室水平放置，且間距是2 mm，浮力影響可以忽略。

對于富燃料的乙烷/空氣、丙烷/空氣和正丁烷/空氣預混火焰，它們的Lewis數≠1，且隨著當量比的增加，總體增大，非平衡擴散效應增強，因此，非平衡熱質擴散容易造成傳播中火焰面褶皺的發生[15]，這與實際觀察到的火焰皺褶在高當量比下較早出現現象一致。

水動力學不穩定性是傳播后期發生褶皺和斷裂的主要原因，在火焰傳播后期，受壁面影響，在壁面附近，在黏性無滑移邊界層的作用下，小間距的狹縫間流場速度梯度很大，導致火焰拉伸增強，增加了不穩定性。當隨著當量比繼續增大，熱擴散速度相較于質量擴散速度繼續增大，同時，高當量比下燃燒速度降低導致熱釋放率降低，在微尺度下大的壁面散熱增加的共同作用下，就會出現火焰不能繼續傳播而發生熄滅現象。

2.3 火焰傳播速度特性

根據球形定容彈中火焰傳播理論，火焰傳播速度等于單位時間內火焰傳播半徑（距離）的增加量。通過計算不同時刻下火焰照片中提取的距離數據，獲得本實驗中火焰鋒面的傳播速度，即火焰鋒面相對于固定壁面移動速度。對于3種燃料火焰傳播速度計算，不考慮出現火焰褶皺和中途熄滅等不穩定燃燒工況，故選取=1.0～1.3的火焰傳播速度進行對比，結果如圖6所示。可以看出，在開始時刻，受點火能量影響，火焰傳播速度遠高于各自燃料的層流燃燒火焰傳播速度。Liao等[16]和Bradley等[17]的研究表明球形定容彈中，在火核半徑6 mm范圍內，火焰傳播速度會受到點火能量影響。在半徑超過這個臨界點，不同點火能量的層流燃燒速度趨于一致，當火焰傳播半徑超出點火能量影響范圍時，傳播速度隨傳播半徑增大呈現下降的特性。圖6表明火焰傳播速度在0～2 m·s-1范圍內，如丙烷[圖6(b)]，這比常規尺度定容燃燒腔中的火焰傳播速度低（高于3 m·s-1）[12]。產生這一現象的主要原因是微尺度下較高的表面積體積比加劇了微燃燒器的壁面散熱，隨著火焰鋒面半徑的增大，燃燒區域散熱面積呈平方增大，這導致散熱急劇增大，火焰溫度降低，從而降低了燃燒反應強度和火焰傳播速度。另一方面，火焰傳播速度是當地未燃氣流動速度和層流火焰燃燒速度疊加的結果，壓力的增加使得燃燒速度降低，而后期封閉空間壁面的影響降低了火焰鋒面未燃氣流動速度，從而導致火焰傳播速度降低。

2.4 火焰傳播的短暫停滯現象

在接近火焰傳播熄滅上限當量比時，會出現火焰傳播短暫停滯現象。以丙烷為例，圖7表明，在=1.5時，火焰的傳播半徑隨時間變化曲線出現明顯的不光滑現象。在14.6～16 ms和18～19.4 ms時間范圍內，火焰傳播半徑基本沒有變化，說明這兩個時段內火焰鋒面位置沒有變化。圖8表明，在火焰傳播停滯時，火焰鋒面厚度發生了很小變化。

壁面與火焰之間的非均衡換熱是造成這種現象的原因之一，在封閉空間內，火焰傳播方向與未燃氣體質量擴散方向相反[18]。在熱輻射和壁面散熱的作用下，火焰溫度降低，燃燒反應強度降低，火焰傳播速度逐漸下降。當在某一時刻，火焰面中燃燒所消耗的反應物質的量剛好等于未燃燒氣體質量擴散的物質的量，此時火焰面不再向前傳播而停滯。當火焰停滯不動時，固定位置的持續放熱使得附近壁面溫度上升，高溫壁面對火焰面前未燃預混氣的預熱作用增強，這種壁面回熱作用有利于增強燃燒[19-20]，導致火焰停滯后繼續向前傳播。

3 結 論

本文在常溫常壓下分別對比實驗研究了不同當量比的乙烷、丙烷、正丁烷和空氣的預混氣在2 mm間距、35 mm內徑圓形定容燃燒腔內的火焰傳播特性，得到如下結論。

（1）3種燃料可形成火焰傳播的燃料當量比范圍不同，乙烷當量比范圍最寬，丙烷次之，正丁烷最窄，與3種燃料各自的層流燃燒速度由大到小次序排列一致。

（2）在微尺度定容燃燒腔中，火焰傳播中火焰呈現光滑、褶皺與斷裂3種形態。隨當量比增加，火焰容易發生褶皺，熱質擴散不穩定性是皺褶發生時刻變化的主要原因；火焰傳播后期，水動力學拉伸是皺褶發展的主要原因。

（3）實驗中乙烷、丙烷和正丁烷火焰傳播速度在0～2 m·s-1范圍內，且隨著火焰向外傳播逐漸降低，比常規尺度定容燃燒腔中的火焰傳播速度要低。

（4）微尺度下火焰傳播過程中會出現火焰面短暫停滯駐留現象，火焰與壁面的非平衡換熱是主要原因。

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Flame propagation of C2—C4hydrocarbons/air mixture in a constant-volume micro-chamber

SU Hang1,2, JIANG Liqiao1, CAO Hailiang2, LIU Qinfei1, LI Yanqin2, ZHAO Daiqing1

(1Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, Guangdong, China;2School of Chemical Engineering and Energy, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, Henan, China)

At ambient temperature and pressure condition, the outwardly propagating characteristics of quiescent ethane/air, propane/air and n-butane/air flames were experimentally investigated in a visible constant-volume micro-chamber with 35 mm diameter and 2 mm height respectively. The results showed that the flammable equivalence ratio ranges of these three fuels were different in the micro chamber. The sequence of them was ethane>propane>-butane. Both smooth flame-front and wrinkled flame-front shapes were observed during flame propagating of these fuels. The flame speed was lower in the micro chamber than that in conventional combustion chamber, and the flame speed declined along the radial direction during flame propagating. With the increase of equivalence ratio, the flame-front was prone to appear wrinkles and crack. In addition, at high flammable equivalence ratio, sometimes, the flame propagation had a brief stagnation.

micro combustion; constant-volume combustion; flame propagation; flame wrinkles; flame speed

2016-04-26.

Prof. JIANG Liqiao, jianglq@ms.giec.ac.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20160548

TQ 028.8

A

0438—1157（2016）11—4574—06

蘇航（1991—），男，碩士研究生。

國家重點基礎研究發展計劃項目（2014CB239600）；國家自然科學基金項目（51336010，51176174）；廣東省科技計劃項目（2016A040403095）。

2016-04-26收到初稿，2016-08-15收到修改稿。

聯系人：蔣利橋。

supported by the National Basic Research Program of China(2014CB239600), the National Natural Science Foundation of China (51336010, 51176174) and the Science and Technology Project of Guangdong Province(2016A040403095).