兩相擴散火焰結構探討

何朔然,魏杰立,李明玉,陳 鋒

(1.南京師范大學附屬中學，江蘇 南京 210003； 2.南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇 南京 210016)

兩相擴散火焰結構探討

何朔然1,魏杰立2,李明玉2,陳 鋒1

(1.南京師范大學附屬中學，江蘇 南京 210003； 2.南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇 南京 210016)

利用鼓風式煤油噴燈，開展了不同空氣射流流量下的兩相擴散火焰結構的試驗研究. 采用工業相機及紅外熱像儀對穩定燃燒狀態下的火焰參數進行了測量，獲得了射流擴散火焰形狀、高度和火焰溫度隨射流流量的變化規律. 結果表明，射流擴散火焰呈現下小中間大上面小的形狀，在頂端會出現分層或分叉現象；且隨著射流流量的增加，火焰面呈現由光滑向褶皺再光滑的變化規律；火焰高度隨著射流流量的增加，起初不斷減小，直至基本保持不變，流量增大至180 L/h時，出現了熄火；火焰最高溫度隨著空氣射流流量的增加先升高后降低.

兩相射流擴散火焰；火焰結構；火焰溫度；火焰高度

本文研究源于南京師范大學附屬中學的研究性學習課程，該課程由學生根據興趣自行選題，旨在培養和訓練學生發現問題、提出問題、多元研究問題、分析解決問題的創造性思維能力. 本文以“火焰及燃燒反應的探究”為題目開展了研究探討，在教師的指導下，經歷了調研、開題答辯、中期輔導、報告撰寫以及結題答辯等階段，實驗工作在南京航空航天大學燃燒傳熱實驗室開展，共進行了3次實驗，整個過程歷時1年半的時間. 筆者在這個過程中，不僅對流動、火焰及燃燒的一些基本知識和特性有了了解，也為提高統籌規劃、理論和實際結合的能力，以及形成嚴謹踏實的科學思想提供了極大的幫助.

1 擴散燃燒

擴散燃燒在生活、工業、能源利用、火災防治及環境保護等方面都有廣泛的應用，目前絕大多數的燃燒設備，包括鍋爐、燃氣輪機燃燒室等都采用了擴散燃燒的組織方式.

擴散燃燒是指燃料和氧化劑未預先混合的燃燒方式. 在擴散火焰中，化學反應速率比由擴散引起的質量輸運速率和由熱傳導產生的能量輸運速率快得多，因而擴散燃燒速率主要取決于燃料和氧化劑之間的混合. 擴散燃燒的基本特點是火焰鋒面的一側為燃料，另一側為氧氣劑，兩者在火焰面處混合燃燒.

圖1 氣態燃料射流擴散火焰結構

火焰結構是燃燒機理研究中的基本問題之一，包括了火焰面的位置、形狀、尺寸和溫度分布等. 國內外對擴散火焰的結構開展了大量的研究[1-7]，圖1為氣態燃料擴散火焰的典型結構，圖中氣態燃料從燃燒器出口流出，與周圍空氣進行摻混后燃燒. 從燃燒器出口沿軸向上，火焰面直徑先變大，然后逐步變小并收縮至尖頂，整體呈現鼓形和圓錐結合的形狀. 燃料從燃燒器出口流出后，逐漸向火焰面擴散，并在火焰面處與外界空氣混合燃燒，因而在火焰面處燃料和氧化劑的濃度都為零，向外氧氣濃度逐步增加，在一定距離后達到空氣中的氧氣濃度(21%體積分數)，并保持不變，向內燃料濃度逐步增加，到射流核心區(圖中中心部分的三角形)后達到最大(100%). 燃燒產物主要在火焰面處產生，因此其濃度最大，向內向外都逐步下降. 從溫度看，火焰面處是化學反應最劇烈處，因而火焰面處溫度最高，向內外兩側逐步下降.

圖2為不同射流速度下射流擴散火焰高度和幾何外形的變化情況. 由圖2可見，隨著燃料射流速度的增加，火焰長度先增大后減小，到一定射流速度后，基本保持不變. 射流速度較低時，火焰面光滑、穩定；繼續增大射流速度，流動從層流轉變為湍流，火焰頂部開始出現顫抖、褶皺. 油氣在湍流擴散作用下混合加快，提高了燃燒速率，火焰縮短. 進一步增大射流速度，褶皺、破裂的初始點(轉捩點)向噴口移動，直到靠近噴口. 此時火焰達到完全湍流狀態，此后，再增大射流速度，火焰高度趨于定值.

圖2 射流擴散火焰隨射流速度的變化

除此之外，學者們也對擴散火焰的熄火、效率等特性進行了詳細研究，得到了相關性能與氣動、結構參量間的變化關系. 這些研究都為深入理解擴散火焰的內在機理和發展高性能擴散燃燒技術奠定了理論基礎.

但目前關于擴散火焰結構和特性的結果大都是基于氣態燃料獲得，氣態燃燒與兩相燃燒有較大的區別，因而兩者的火焰結構和燃燒特點也會有所不同，理論上的不足顯然會影響到目前兩相燃燒系統的燃燒組織和性能優化.

在此基礎上，本文利用鼓風式煤油噴燈，以航空煤油為燃料、空氣為氧化劑，詳細開展不同空氣射流流量下擴散火焰的形狀、高度和溫度場等的研究，以獲得兩相擴散火焰的基本結構.

2 實驗模型、系統和參量

2.1鼓風式煤油噴燈

鼓風式煤油噴燈模型及幾何參量如圖 3所示. 噴燈主要由射流管、風管、燈芯、燈體及底座組成. 空氣從射流管出來后先流入風管，然后再流出，其中射流孔直徑為0.81 mm. 液態航空煤油從底端供入，通過燈芯上行至端面，圓環形燈芯內直徑為13.5 mm，外直徑為36 mm. 在中間射流空氣的引射作用下，從燈芯帶出煤油，與空氣射流及外界環境空氣進行混合，從燈芯引射出來的煤油包括了已蒸發的煤油蒸汽和液態煤油微粒.

圖3 煤油噴燈結構示意圖

空氣作為燃燒的氧化劑，由射流管噴出后，形成自由射流，其流場的基本特征如圖4所示(圖中箭頭代表當地速度大小和方向)，整個射流流場主要由3段組成：起始段、過渡段和主體段[8]. 射流以速度u0從噴口流出后，由于周圍速度較低的空氣的拖拽作用，使得射流外圍的速度降低，形成了圖中所示的混合區；而中心速度不受影響保持u0不變，形成了核心區；隨著距離的增加， 外界低速

圖4 自由射流流場基本結構

空氣的影響區域越來越大，即混合區不斷變大，核心區逐漸減小直到消失，起始段結束. 下面一段是過渡段，此時射流軸心線上的速度開始減小，到一定距離后，內外氣流間充分混合，射流速度大小和分布不再變化，則射流流動從過渡段轉入主體段. 可見，隨著射流的不斷引射、發展，射流中心速度逐漸減小，射流區域逐漸增大.

2.2實驗系統

實驗系統如圖5和圖6所示，整個系統由鼓風式煤油噴燈、分液漏斗、空氣壓縮機、閥門、導管、浮子流量計、溫度顯示儀、紅外熱像儀、工業相機和計算機等組成. 空氣射流由空氣壓縮機提供，經減壓閥、浮子流量計及輸氣管進入鼓風式煤油噴燈的射流管，流量由浮子流量計測量，流量計的精度等級為2.5級，量程為200 L/h. 航空煤油由分液漏斗經導管進入煤油噴燈，每次測量前保持導管內液面與噴燈的高度一致，這可以保證各種工況時分液漏斗的導管到燈芯處的壓差相同.

圖5 實驗系統圖

圖6 實驗系統實物照片

基于圖像法研究火焰是常用的研究方法[9-10]，文中射流擴散火焰的光學圖像及溫度圖像分別由工業相機和紅外熱像儀拍攝. 工業相機的分辨率為1 024×1 024像素，紅外熱像儀為Researc-3N型全數字動態紅外熱像儀，測溫范圍-253～1 273 K，溫度分辨率為0.1 ℃，空間分辨率為1.9 mrad[11].

在實驗系統中安裝了K型溫差電偶，固定在三維坐標架上，可通過三維坐標架的刻度確定測量點的空間坐標. 溫差電偶絲的材料為鎳鉻-鎳硅，測溫范圍為0～1 300 ℃，Ⅱ級精度(±0.75%t). 溫差電偶測點布置在靠近火焰根部的位置，另一端連接溫度顯示儀(可以對環境溫度進行自動補償). 實驗中，在采用紅外熱像儀拍攝溫度場的同時，也用溫差電偶測量指定參考點的溫度. 在數據處理時，根據參考點的溫差電偶測得的溫度，對紅外熱像儀測得的溫度分布進行校準.

2.3實驗參量

液態燃料采用RP-3航空煤油，航空煤油為各種烷烴、烯烴及苯類有機物組成的混合物，根據所含C和H的含量可以采用C12H23來表示. 其與氧氣的化學反應方程式為

當燃油與氧氣的質量比(油氣比)f=167/568=0.294(對應的燃油與空氣比為0.067 6)時，發生完全化學反應，該油氣狀態也稱為化學恰當狀態，對應的燃油和氧氣(或空氣)的比值記為化學恰當比fs. 當ffs稱為富燃料燃燒(富油燃燒).

空氣射流流量是研究中的重要參量，不僅會改變流場特性、射流速度，影響油氣混合強度和燃燒駐留時間，而且也直接影響射流對燃料的引射效果，改變油氣比f的大小. 實驗中空氣射流流量的變化范圍從0 L/h變到180 L/h，具體的變化數值及對應的射流出口速度和雷諾數如表1所示，表中流量為標準狀態下的體積流量.

表1 空氣射流流量試驗工況

3 實驗結果分析

實驗中，開展表1所示的10組工況的研究，其中工況1～9都能成功點燃并穩定燃燒；第10組工況時，煤油噴燈無法穩定燃燒，出現了熄火現象，主要是因為流體速度過高后，油氣來不及混合，停留時間也不足以使之著火或充分燃燒. 因此，主要針對工況1～9進行分析.

3.1兩相擴散火焰形狀分析

圖7示出了工況1～9的火焰形狀照片.

圖7 不同工況下的火焰形狀

3.1.1 有空氣射流的情況

射流流量不為零時(工況2～9)，火焰形狀總體相同，沿軸向往上，火焰直徑先增加到一最大值，然后減小，到最高點時收縮為尖頂. 實驗中還發現，射流流量增大，火焰顏色由黃色逐步向藍色變化，產生的碳黑減少.

空氣從煤油噴燈的風管出來后，形成了如圖4所示的自由射流流場，燈芯中的煤油蒸汽被引射帶入混合區，與其中的空氣進行混合，一旦達到合適的油氣比，就著火燃燒. 在射流管出口處，混合區小，油氣混合的量相對也少，可燃區域就小；向上，隨著混合區區域面積的擴大，油氣混合的量增加，燃燒的范圍也隨之擴大；再向上，由于大部分煤油都已被燒完，可燃的范圍又相應地變小. 另外，由于中間的流速快，燈芯內側的煤油會被射流帶得更高，再加上隨著火焰高度的增加煤油越來越少，使得上端的火焰會逐步收縮至尖頂.

由圖7還可看出，從工況2到工況9，火焰面由光滑變為皺褶再變為光滑，這種變化主要與射流的流態有關. 雷諾數較小時(如工況2)，流動處于層流，流動分層且表面光滑；雷諾數變大后，層流向湍流轉變，流場內部會出現大量的微小漩渦. 雷諾數較小時(如工況4～6)，這些小漩渦的時均特征在各個方向和區域是不均勻的，宏觀上體現出各區域的流場形狀變得不規則，稱為從層流向湍流的過渡態；雷諾數繼續增加，微小漩渦在各個方向的時均特征變得相同，流動處于完全湍流的狀態，流場形狀在宏觀上重新變成規則和光滑.

本研究中，燃油的運動主要依賴于空氣射流的引射帶動，因而燃油的流動特性和油氣分布規律也就與流場結構相匹配，即有什么樣的流場就會體現出對應的油氣分布特征，既而出現對應的火焰面. 燃燒區域出現分層現象可能與下面2個因素有關：一是相比于氣態燃料，煤油不易快速燃燒完全；二是液態煤油微粒受熱蒸發成煤油蒸汽，與空氣混合后產生二次燃燒. 火焰顏色和碳黑主要與混合均勻程度及富燃料區域有關，射流流量越大，流速越高，特別是進入湍流狀態，油氣混合越均勻，富燃料區域變少，燃燒變得更充分，碳黑不易產生.

3.1.2 沒有空氣射流的情況(工況1)

工況1(空氣射流流量為0)的火焰形狀與有射流流量的工況有較大的區別：火焰表面光滑，沒有出現明顯的褶皺. 火焰在軸向上并不豎直，中上部出現了明顯的彎曲和分叉、分層現象. 沿軸向往上，火焰底部的直徑最大(圖7中標出的直徑為32.5 mm)，然后逐漸減小，到一定高度時基本保持不變. 實驗中整個火焰呈現橙黃色，并伴隨有大量的炭黑形成.

產生上述形狀和現象的原因可能是：由于工況1的空氣射流流量為0，從燈芯出來的煤油蒸汽主要與外部環境空氣進行混合，因而在底部處外圍先著火，火焰面的直徑也最大，然后內側的煤油蒸汽再逐步與外界空氣混合著火，火焰直徑有所減小；同時由于油氣自由混合的速度慢、強度低，化學反應速率和燃燒速率都小，使得火焰會拖得很長，對于特定流向截面處的燃燒而言，包含當地的新鮮混合氣和從下部流過來的已燃氣兩部分，這兩部分的相互作用以及油氣混合不均勻導致了火焰形狀的彎曲、分叉和分層現象. 除此外，燃燒速度較慢、少量液態煤油微粒受熱蒸發后的二次燃燒，也是造成頂端火焰分叉和分層的重要原因. 此外無射流情況下，油氣混合氣偏向富燃料，燃燒時更易產生碳黑，而碳黑的二次燃燒也會加劇燃燒的不均勻性.

3.2射流擴散火焰高度

圖7中火焰照片左側的標尺是實驗中與火焰同時拍攝的，可以從標尺中讀出火焰的高度，如圖 8所示，橫坐標為空氣射流流量，縱坐標為擴散火焰高度. 由圖8可見，通入空氣射流后，隨著射流流量的增加，火焰高度先減小(工況2～6)，然后基本保持不變(工況7～9)，火焰高度的最大差距接近9 cm.

圖8 火焰高度隨射流流量變化圖

如前所述，隨著空氣射流流量的增加，出口速度和射流雷諾數Re變大，相應地提高了射流的湍流強度，引射摻混增強，油氣混合速度加快，提高了化學反應速率和火焰傳播速度，促進了充分燃燒，有利于縮短火焰高度；但同時，射流速度越快，相同時間內流體流過的距離就越長，這反過來會增加火焰的高度；另外射流雷諾數增大到一定程度后，油氣混合強度以及冷熱氣流間的熱量和質量交換程度處于較高水平，繼續提高雷諾數帶來的促進燃燒的作用有所減弱， 火焰高度將變化不大. 3方面的共同作用，使得擴散火焰高度呈現先增大后減小最后保持不變.

3.3射流擴散火焰的溫度分布

圖9所示為紅外熱像儀測得的工況1～9的溫度分布圖，背景采用黑色處理，左側色標為溫度值.

由圖9可見，隨著射流流量的增加，射流火焰的最高溫度呈現先升高后降低的趨勢，最高溫度出現在工況6～8，達到1 200 ℃左右；而無空氣射流流量工況(工況1)的火焰溫度最低，中心最高溫度僅600 ℃. 此外，從圖9中溫度分布對比可以看出，除了工況1以外，其余工況都是中間靠近噴燈出口的部分溫度高，火焰外圍和上半部分溫度低，射流流量越大，這種現象越明顯，且中心高溫區的軸向長度越短.

在沒有空氣射流的情況下，火焰區域內的煤油蒸汽與空氣的摻混主要由自由擴散主導，摻混速度慢，此時油氣處于富油狀態，火焰溫度低；在射流流量較小的工況，隨著射流流量的增加，混氣摻混強度增加，化學反應速度和火焰傳播速度提高，燃燒快且充分，火焰溫度不斷升高，高溫區的軸向高度不斷縮短；但隨著射流量的進一步增大(如工況9)，射流速度過大，油氣混合不充分，蒸發的煤油蒸汽也沒有足夠的時間充分燃燒即被高速射流帶走，導致火焰溫度有所降低.

圖9 不同工況下火焰溫度云圖

4 結 論

本文以鼓風式煤油噴燈為對象，開展了不同空氣射流流量下兩相射流擴散火焰結構的實驗研究. 通過分析獲得如下主要結論：

1)有空氣射流時，射流擴散火焰的形狀呈現下小中間大上端再變小的形狀，射流流量越小，其規整性越差. 相比于氣態燃料，煤油微粒的蒸發和燃燒速度慢，以及二次燃燒帶來了火焰的分叉或分層現象，射流流量越小，這種現象越明顯，特別是在無射流時. 同時隨著射流流量的增加，火焰面由光滑向褶皺再光滑的趨勢變化.

2)射流火焰高度隨射流流量的增加逐漸減小，到射流流量變至120 L/h(Re=3 512.7)后，高度基本保持不變.

3)射流擴散火焰的火焰溫度隨射流流量的增加先升高后降低，核心高溫區隨射流流量增大不斷縮短.

[1] 黃勇,林宇震,樊未軍，等. 燃燒與燃燒室[M]. 北京:北京航空航天大學出版社，2009.

[2] 曾怡. 低壓下射流擴散火焰的燃燒特性與圖像特征[D]. 合肥：中國科學技術大學,2013.

[3] 陸嘉,廖光煊,陶常法. 甲烷射流擴散火焰試驗研究[J]. 安全與環境學報,2010,25(6):164-168.

[4] 甘云華,宋景東,楊澤亮，等. 小尺度射流擴散火焰結構的實驗研究[J]. 華南理工大學學報,2011,39(3)：73-77.

[5] 范愛武,姚洪,劉偉. 微小尺度燃燒[M]. 北京:科學出版社，2012.

[6] 楊澤亮,徐濤,甘云華. 液體乙醇微細尺度層流擴散燃燒實驗與數值模擬[J]. 中國電機工程學報, 2010,30(Z):96-100．

[7] 何小民,張凈玉,李建中. 航空發動機燃燒室原理[M]． 北京： 北京航空航天大學出版社，2015.

[8] 梁德旺. 流體力學基礎[M]. 北京: 航空工業出版社,1998.

[9] 艾育華. 基于輻射成像的擴散火焰溫度和煙黑濃度分布研究[D]. 武漢：華中科技大學,2006.

[10] 蔣瑤,嚴建華,馬增益,等. 基于圖像法研究燃燒過程的火焰擴散[J]. 電站系統工程,2006,22(4):1-3.

[11] Research-N3型全數字動態紅外熱像儀系統使用指南[Z].

[責任編輯：郭 偉]

Experimentalstudyonthestructureoftwo-phasediffusionflame

HE Shuo-ran1, WEI Jie-li2, LI Ming-yu2, CHEN Feng1

(1. High School Affiliated To Nanjing Normal University, Nanjing 210003, China; 2. College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

An experiment was conducted to study the effects of jet mass flow rate on the shape of two-phase diffusion flame based on the kerosene blast burner. The structures, heights and temperature of the flame with different jet flow rates were obtained by measuring the steady combustion flame using an industrial camera and an infrared camera. The results showed that the width of the bottom and top of the flame was smaller than that of the middle section. In addition, sometimes there existed stratification or bifurcation on the top of the flame. As the jet flow rate increased, the flame changed from a smooth one to a wrinkling one and finally returned to a smooth state. The height of the flame decreased and eventually remained constant as increasing the jet flow rate. Flameout was observed when the flow rate was 180 L/h. The maximum temperature of flame increased first and reduced later with the increase of the jet flow rate.

two-phase jet diffusion flame; flame structure; flame temperature; flame height

2017-03-18

何朔然(2000-)，男，浙江義烏人，南京師范大學附屬中學嚴濟慈班學生.

指導教師：陳 鋒(1969-)，男，江蘇南京人，南京師范大學附屬中學高級教師，學士，從事高中物理教學工作.

TK16;O643.21

：A

：1005-4642(2017)09-0049-06