平板狹縫間C1～C4烷烴/空氣預混射流火焰的燃燒特性

曹海亮，年志遠,2，楊浩林，蘇航,2，汪小憨，趙黛青

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平板狹縫間C1～C4烷烴/空氣預混射流火焰的燃燒特性

曹海亮1，年志遠1,2，楊浩林2,3，蘇航1,2，汪小憨2,3，趙黛青2,3

（1鄭州大學化工與能源學院，河南鄭州 450001；2中國科學院廣州能源研究所，廣東廣州 510640；3中國科學院可再生能源重點實驗室，廣東廣州 510640）

對平行平板狹縫間C1～C4烷烴預混射流火焰進行了實驗研究，考察了壁面溫度、狹縫間距、當量比、燃料種類等對火焰形態和穩定性的影響，并利用高速相機獲得了狹縫間的火焰圖像。結果表明，隨著狹縫間距的減小，火焰經歷了穩定、脈動和熄火3個階段。其中，火焰脈動發生在大于熄火間距的狹小范圍內，其脈動頻率隨著壁面溫度的升高而增加。對同一種燃料，當預混氣當量比和壁面溫度保持恒定時，火焰的脈動頻率在脈動發生的區域內保持不變。對比C1～C4烷烴預混火焰的脈動頻率及脈動火焰持續距離范圍，發現甲烷預混火焰的均最小，而其他3種燃料則比較接近。

微尺度；烷烴；燃料；燃燒特性；火焰穩定性；脈動火焰

引 言

微小型燃燒系統具有能量密度高、體積小、使用壽命長、添加燃料方便等特點，但由于比表面積大，壁面與火焰的耦合作用強烈，使得這類燃燒器通常難以維持在穩定的狀態[1-4]。很多研究人員采用不同的措施來改善這種情況，Sitzki等[5]提出了瑞士卷式的燃燒器利用燃氣余熱循環利用的方法穩定火焰，Cao等[6]開發的環狀微型透平燃燒器，Jiang 等[7]提出的多孔壁面進氣的微型燃燒器，都有效提升了微燃燒系統的燃燒效率和可燃極限。Gan等[8-10]通過采用荷電噴霧燃燒裝置促進了微尺度下液體燃料的穩燃。然而，這些研究只是針對物理結構或者系統進行改進，并沒有對造成熄火的原因進行考察。通常認為，微燃燒不穩定性和熄火的主要機制有兩個方面：散熱損失造成的熱熄火以及自由基在燃燒器表面淬熄造成的化學熄火。為了考察這兩種不同的熄火機制，針對壁面與火焰之間的相互作用機理及現象進行了大量研究。

在熄火機理方面，Sloane等[11-12]首先發現影響熄火的壁面自由基淬熄發生在壁面附近1 mm以內。Miesse等[13]發現火焰向壁面散熱而引起的熱熄火是低壁溫下（300～500 K）火焰熄滅的主要原因，與壁面材料無關，而高壁溫時（1000 K），不同材料壁面導致的自由基化學失活差異是造成熄火特性顯著不同的主要原因。Kim等[14]認為火焰熄火特性是熱損失、氣相反應及自由基失活這3個因素相互作用的結果。Fan等[15-16]認為熱熄火機制是微尺度火焰熄火的主導機制，而Saiki等[17]發現普通材料表面的化學吸附系數，即壁面對自由基的吸附作用是壁面化學作用的主要機制，在高溫時有顯著的作用。Yang等[18-19]提出壁面材料的化學吸附氧，以及壁面附近的OH自由基濃度是影響熄火機制的重要因素，當OH自由基濃度較高時，可以維持較小的熄火間距。

在火焰動力學方面，Ju等[20-21]在介觀尺度通道內，觀察到了由熱擴散機制控制的不穩定火焰，如快燃火焰、緩燃火焰以及旋轉火焰。Kumar等[22]在被加熱的介觀尺度徑向通道中發現由于流場不穩定和壁面淬熄引起的各種不同形式的不穩定火焰。Maruta等[23]在加熱的石英玻璃管中也發現了不穩定火焰，包括脈動火焰及重復點燃和熄火的火焰（FERI）。此外，Fan等[24]在微尺度矩形的石英微通道中也發現了火焰的熄滅和再點燃現象。

以上研究從不同角度對壁面作用導致熄火的原因進行了詳細考察，同時也發現了火焰的不穩定現象。接近熄火階段的火焰行為對于揭示微小尺度火焰穩定性的機理有重要意義，目前還缺乏深入的研究。因此，本文針對平板狹縫中小火焰的燃燒特性進行了實驗研究，考察了影響燃燒特性的不同因素，并對比了不同燃料預混合火焰的穩定性。

1 實驗材料和方法

平板狹縫火焰實驗裝置如圖1所示。噴嘴位于兩壁面間的中心位置，通過兩壁面的同步相向運動來減小火焰燃燒的空間，直至火焰熄滅，此時兩板間的距離即為火焰的熄火距離。壁面材料采用不銹鋼板，大小為50 mm×50 mm×10 mm。固定在鋼板內部均勻分布的電加熱棒可以將鋼板加熱到實驗所需的溫度，并通過布置在鋼板內部的熱電偶結合可控硅單元來監測并控制壁面的溫度。實驗中壁面溫度控制在473～873 K范圍，溫控誤差在±10 K以內。

噴嘴的結構如圖2所示。噴嘴上部由蜂窩陶瓷制成，規格為18目，實際單孔大小為1.0 mm×1.0 mm。多孔陶瓷下部連接均流室，均流室內布滿小鋼珠，用來穩定及均勻氣流。燃料和空氣的預混氣通過下方的鋼管進入均流室。燃料和空氣的流量通過質量流量計（MKS-GE50a）來控制。噴嘴出口位置預混氣的平均速度為1 m·s-1，當量比分別為0.9、1.0、1.1。在噴嘴的側面布置有一臺高速ICCD攝相機（MEMRECAM NAC HX-6），以500 frame·s-1的速度對火焰形態進行拍攝。以兩板間距每次0.1 mm進行遞減，直至火焰熄滅。

2 結果與討論

2.1 燃燒特性及火焰脈動

對于微小尺度火焰，由于火焰與壁面之間的強烈相互作用，從穩定的火焰到火焰熄滅之間可能存在一個中間區域，即不穩定火焰。圖3顯示了通過高速攝影機捕捉并分區的平板狹縫間正丁烷預混火焰的狀態分布。可以看出，隨著狹縫間距的變化，火焰有3個不同狀態區域：虛線右側大間距條件下為穩定火焰區域，實線左側小于熄火間距為火焰熄滅區域，實線和虛線之間的部分為不穩定火焰區域，火焰以一定的頻率脈動。同時，隨著壁面溫度的升高，脈動火焰發生的區域向狹縫距離減小的方向移動。

由圖可知，火焰脈動發生在狹縫間距接近熄火距離前的小于1 mm的很小范圍之內。這是因為當狹縫間距足夠大時，壁面距離火焰較遠，并未對火焰產生實質性的影響，火焰形態和位置都保持穩定；當狹縫間距逐漸減小到某個特定值時，壁面對火焰的物理和化學作用加強，火焰從穩定狀態轉變為脈動狀態。圖4所示是壁溫w為473 K，狹縫間距為2.4 mm時，正丁烷預混火焰一個脈動周期內不同時刻的圖像。圖中粗線代表了噴嘴的外部輪廓，細線代表兩個平板內側的壁面位置。

從圖中可看出火焰前鋒的位置隨時間在火焰的上下游有規律地脈動。以火焰前鋒達到最高位置時為初始時刻，火焰前鋒先是縮小，之后部分火焰面向上游傳播，到達最大后逐漸縮小，于=10 ms時火焰最小。當火焰再次逐漸增大，并且上游和下游的火焰面再完成一次由大到小的轉變后，火焰最終于=28 ms回到與初始時刻相同的形態。盡管不同條件下火焰的脈動頻率會發生改變，但火焰形態會經歷類似的變化周期。

狹縫間火焰發生脈動的主要原因是由于火焰與壁面之間的熱交換。當狹縫間距足夠大時，火焰通過壁面的散熱以及壁面對低溫未燃氣的預熱保持平衡，火焰處于穩定狀態。當進一步減小狹縫間距離時，氣流速度相應增加，火焰首先向下游傳播。當上游低溫的未燃氣流經高溫壁面時，由于火焰與壁面的強烈熱交換使未燃氣溫度升高，致使火焰傳播速度增加，火焰面向上游移動。在傳播過程中，由于高溫壁面受到未燃氣的持續冷卻而溫度下降后，未燃氣無法繼續被預熱到此前較高的溫度，因此，火焰傳播速度變慢，在氣流的作用下火焰面又向下游傳播直到達到新的平衡位置。狹縫間高溫火焰、壁面及低溫未燃氣之間的熱交換和熱循環就產生了脈動的火焰。

2.2 壁溫和當量比對火焰脈動的影響

通過對不同條件下的脈動火焰研究發現，當火焰進入脈動狀態以后，火焰的脈動頻率就不再隨狹縫間距的減小而改變，直到火焰熄滅前，火焰始終保持固定的脈動頻率。然而，火焰脈動頻率受到壁面溫度和當量比的影響。

圖5所示為不同當量比正丁烷預混火焰的脈動頻率隨壁面溫度的變化規律。由圖可知，火焰的脈動頻率隨著壁面溫度的升高而單調增加，從w= 473 K時的40 Hz增加到w=873 K時的100 Hz。由于火焰脈動的主要原因是火焰與壁面的熱交換，而相較于低溫的壁面，高溫的壁面可以更快地將低溫未燃氣加熱到特定的溫度，使由于氣流加速而向下游傳播的火焰快速地逆向往上游傳播，從而使脈動加速。壁面溫度越高，對未燃氣預熱的速度越快，火焰的脈動頻率也越高。另一方面，由圖可知，當預混氣靠近化學當量比時，當量比對火焰脈動頻率的影響較小，=1.0和1.1時火焰的脈動頻率略大于=0.9的值，但差值不大于20 Hz。這是由于=1.0和1.1時火焰強度和火焰傳播速度更高，在壁溫較低時能夠更快實現溫度場和速度場的平衡，而= 0.9時則需要較長的時間。同時，當量比較低時，高溫壁面對預混氣的預熱及火焰散熱的減少對火焰穩定性的影響更加顯著，因此火焰脈動頻率隨壁溫的增速大于高當量比條件的火焰，使得=0.9的火焰在w>800 K后有更高的脈動頻率。

壁面溫度不僅對火焰脈動頻率有影響，對火焰的熄火距離和脈動開始的壁面間距同樣有影響。如圖3所示，壁面溫度升高時，熄火距離逐漸減小，這與前期的研究結果一致[18]。火焰脈動發生時刻的壁面間距隨壁面溫度的升高而減小，而脈動火焰發生的區域隨溫度的變化較小，變化幅度小于0.2 mm。圖6所示為不同當量比條件下正丁烷預混火焰發生脈動的范圍。在當量比=1.0和1.1時，火焰發生脈動的狹縫間距和脈動區域基本相同，最大的變化幅度為0.1 mm。然而，當量比=0.9時，脈動火焰發生和熄火發生的狹縫間距均向右側，即較大的狹縫間距方向移動，尤其在壁面溫度較低時，熄火間距有大幅度的增大。在一定程度上，由于本實驗中，預混氣以相同的流速噴出，低當量比預混氣的燃燒強度和火焰傳播速率較低，穩定性較差，因此更易于受到壁面的影響而熄火。

2.3 C1～C4烷烴/空氣預混火焰的脈動特性

圖7所示為C1～C4烷烴預混合火焰脈動頻率隨壁面溫度的變化規律。非常明顯，所有烷烴火焰的脈動頻率均隨著壁面溫度的升高而單調增加。其中，C2～C4烷烴預混火焰的脈動頻率相差很小，為10～20 Hz，其中正丁烷預混火焰的脈動頻率略小。甲烷預混火焰的脈動頻率明顯低于其他的烷烴火焰，頻率的差值隨壁面溫度升高基本保持不變，為30～40 Hz。

圖8、圖9分別為甲烷和C2～C4烷烴預混火焰的脈動范圍隨壁面溫度的變化規律。可以看出，對于所有的燃料，脈動火焰均發生在接近熄火間距1 mm之內的狹小區域內，這也是火焰與壁面之間相互的熱和化學作用最強烈的區域。其中，甲烷預混火焰的脈動范圍最窄，最大約0.3 mm，乙烷和丙烷預混火焰的脈動范圍和位置基本重合，脈動范圍約0.6 mm，而正丁烷預混火焰的脈動范圍最寬，約0.8 mm。

綜上所述，甲烷預混火焰的脈動頻率和脈動發生的范圍與其他3種烷烴有較明顯的差別，這與不同燃料的物化特性及其燃燒特性有關。一方面，由于甲烷較高的C—H鍵能和活化能，甲烷的著火溫度較高而火焰傳播速度較其他烷烴低，火焰穩定性較差，因此熄火距離最大，火焰在發生脈動后的很小范圍內熄滅。對于C2～C4烷烴燃料，由于C—C鍵的存在，C—H鍵能和活化能較低，因此，火焰有更好的穩定性，能夠經歷較寬的脈動過程。

3 結 論

通過對平行平板狹縫間C1～C4烷烴/空氣預混射流火焰的研究發現：

（1）隨著狹縫間距的減小，火焰將經歷穩定、脈動和熄火3個階段。

（2）在脈動火焰區域，火焰脈動均發生在熄火間距前很窄的范圍內，火焰的脈動頻率隨著壁面溫度的升高而增加，且與狹縫間距的變化無關。

（3）對于C1～C4的烷烴，甲烷預混火焰的脈動發生范圍最窄，脈動頻率最低，并且與其他3種烷烴對比差別較大。C2～C3烷烴預混火焰的脈動特性基本接近，而正丁烷預混火焰的脈動范圍最寬。

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Combustion characteristics of premixed C1—C4alkane jet flames between two parallel walls

CAO Hailiang1, NIAN Zhiyuan1,2, YANG Haolin2,3, SU Hang1,2, WANG Xiaohan2,3, ZHAO Daiqing2,3

(1School of Chemical Engineering and Energy, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, Henan, China;2Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, Guangdong, China;3Key Laboratory of Renewable Energy, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

The combustion characteristics of premixed C1—C4alkane jet flames were studied experimentally with a slit burner between two parallel walls. The effects of wall temperature, the distance between two walls, equivalence ratio and fuel type on flame pattern and stability were investigated. The flame images were captured by using a high-speed charge-coupled device camera. The results indicated that the flames experienced three states with the decrease of the distance between the walls,., stable flame, pulsating flame and flame extinction. It was found that the pulsating flames only existed in a very narrow range before reaching the extinction distance. The flame pulsation frequency increased monotonically with the wall temperature. For the same fuel, the frequency was independent to the distance between two walls at a fixed wall temperature and equivalence ratio. Meanwhile, the flame pulsation frequency and the range of the pulsation zone were related to the type of fuel for premixed C1—C4alkane flames. Generally, the methane flame showed the lowest pulsation frequency and narrowest pulsation zone, while these characteristics were almost the same for C2—C4alkane flames.

microscale; alkane; fuel; combustion characteristic; flame stability; pulsating flame

2016-02-02.

Prof. YANG Haolin, yanghl@ms.giec.ac.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20160147

TK 16

A

0438—1157（2016）11—4609—06

曹海亮（1976—），男，博士，副教授。

國家自然科學基金項目（51336010，51176174）；國家重點基礎研究發展計劃項目（2014CB239601）。

2016-02-02收到初稿，2016-07-26收到修改稿。

聯系人：楊浩林。

supported by the National Natural Science Foundation of China (51336010, 51176174) and the National Basic Research Program of China (2014CB239601).