合成气预混火焰的热声振荡

第18卷第2期燃烧科学与技术2012年4月Journal of Combustion Science and TechnologyApr.2012多孔介质钝体火焰稳定性刘明侯,许胜,陈靖,陈义良(中国科学技术大学热科学和能源工程系,合肥230027)摘要:提岀釆用多孔介质材料制作钝体火焰稳定器,旨在利用其通透和弥散性能改善钝体后燃空比,从而提高火焰稳定性.通过对实心钝体、平均孔径为1.27mm和0.32mm的多孔介质钝体尾迹冷态流场、钝体火焰及其稳定特性对比实验,发现基于来流速度和钝体特征长度尺度的雷诺数对实心和多孔介质钝体回流区产生特性影响较大.多孔介质钝体回流区岀现在xD=1,其长度为(0.8~1.0)D,回流强度35%;实心钝体产生的回流区紧贴钝体,长度为1.4D、回流强度为82%.当空气伴流速度为60ms时,实心钝体燃料流速度小于3.lm/s时熄火,而平均孔径为1.70mm和0.32mm的多孔介质则分别在实心钝体燃料流速度小于1.6ms和09m/s后才熄火.由于多孔介质渗透和弥散作用,钝体后燃料空气混合更好,可获得更宽的火焰稳定范围.当燃料速度相同时,多孔介质钝体熄火的空气伴流速度更大;当相同燃料和空气伴流条件时,多孔介质火焰刚性更强,燃烧更充分.关键词:多孔介质;火焰稳定器;熄火极限;火焰稳定性中图分类号:TK223.23文献标志码:A文章编号:1006-8740(2012)020111-06Flame Stability of Porous Media Bluff BodiesLIU Ming-hou, XU Sheng, CHEN Jing, Chen Yi-liangDepartment of Thermal Science and Energy Engineering, University of Science and Technology of ChinaHefei 230027. ChinaAbstract: Due to permeability and diffusion, the porous media bluff body was proposed as flame holder to improveflame stability. By comparing of cold flow field, flame structure and flame stabilization of solid, 394 and1 576 PPM(pores per meter) porous media blunt bodies, it was found that the back flow regions after different bluffdies changed obviously with Reynolds numbers, which is based on free stream velocity and blunt body lengthscale. Compared with porous media bodies, the solid blunt body has bigger recirculation regions and stronger backflow intensity. For porous media blunt body, its back flow region occurs at x/D= l, with about 0.8D--1 0D in lengthand 35% in back flow intensity, For solid blunt body, however, its back flow region is about 1. 4D in length and 82%in back flow intensity. Due to virtual mixing of fuel and oxidant, the porous media flame holder has better flame sta-bilization. For a given fuel velocity, the porous media flame holder has bigger extinction velocity of air co-flow. Forthe same air and fuel velocities, the combustion after porous media bodies is more stable and effectiveKeywords: porous media; flame holder; extinction limits; flame stability采用钝体火焰稳定器是提髙航空发动机、火箭冲稳定器为Ⅴ型火焰稳定器,其主要作用是形成稳定的压发动机和民用回转窑等设备或装置的燃烧室火焰回流区.大量的研究和应用表明,V型火焰稳定器导稳定性的重要手段之一.工程中常用的典型钝体火焰致燃烧室产生较大流动损失.由于回流区燃料和氧化中国煤化工收稿日期:2011-08-29基金项目:国家自然科学基金资助项目(1112296;50936005)HCNMHG作者简介:刘明侯(1966-),男,博士,教授.通讯作者:刘明侯, mhliulaustc. edu. cnl12燃烧科学与技术第18卷第2期剂混合不好,火焰稳定边界相对较窄,燃烧效率不高,还答易出现振荡燃烧为了解决上述问题,研究1实验装置者发明了改进的ⅴ形稳定器.该稳定器是在V形顶部或两侧开槽或孔、其目的是使Ⅴ形稳定器上游的燃图1为丙烷与空气扩散燃烧实验装置示意料进入后面的回流区,使得回流区燃料与空气混合更图.多孔介质置于燃料喷嘴上方L处.燃料管的内径好,可以大大降低贫燃熄火极限2.可见,火焰稳定D2=5mm,壁厚1.5mm,长度为1m.空气伴流管道器除了稳定涡旋作用外,还需要有效强化燃料与氧化内径D1=60mm,长度600mm.石英玻璃管内径为剂混合的作用通常,钝体火焰稳定器火焰稳定能力与堵塞比相钝体材料:平均孔径为1.27m和0.32mm多孔介关,尤其是当流体速度较快时,实现火焰驻定的堵塞质孔钝体板及实心钝体圆盘.不同材料钝体结构外比就更大,如导弹发动机中火焰稳定器的堵塞比可形尺寸相同,均为圆盘钝体结构,其端面直径为D达到50%~60%.然而大堵塞比的火焰稳定器会导40mm,高度h为8mm.流体通道堵塞比达致严重的流动损失,降低发动机推力,火焰稳定器必4.1%燃然料管与钝体材料几何布置如图2所示,实须在稳定火焰的同时,减少流动损失.为此,研究者验时,空气压气机抽入空气,通过涡轮流量计(流量提出了高效的涡旋驻定稳定器,如沙丘稳定器、范围为5-100m/h,精度等级为±1.5%)进入燃烧室驻涡稳定器等研究者通过大量硏究总结出一个火焰稳定器雳与丙烷燃料进行扩散燃烧.实验通过多孔介质与实心钝体火焰和冷态流场对比,分析多孔介质火焰稳定要有如下性能:优越的驻涡性能燃料与空气得到器对流体压力损失、熄火极限和火焰高度等参数的影有效混合、强化液体燃料的蒸发、减少流动阻力等.响,探索采用多孔介质火焰稳定器提高火焰稳定性的而影响钝体火焰稳定器火焰稳定性能因素包括其形可行性状、燃料/伴流速度(或动量)比、燃料/氧化剂比、燃料类别和工作压力等.已进行的研究中,虽然火焰稳定器形状多样,但都是采用实心材料或开槽挖孔制作成各种形式的钝体火焰稳定器多孔介质是一种新型的材料,已被广泛应用于流动、传热、燃烧等各个领域.多孔介质大比热容有蓄热作用,相当于固定的高温源,有利于稳定火焰;单位体积内多孔介质有很大的表面积,气体和固体之间可以进行充分的热交换,使得燃烧温度分布相对均匀,提高燃烧安全性和稳定性,同时多孔介质的复杂多变的流道桥路,也可以在延长燃气停留时间的同时1—丙烷;2—石英玻璃罩;3—多孔介质;4—空气整流器;5—涡轮强化燃烧;多孔介质的高热导率和强辐射作用可以流量计;6一空气压气机;7一CCD照相机使反应放出的热量向上游和下游传给临近的流体介图1实验装置示意质杜声同等对陶瓷多孔毛细渗油火焰稳定器的实D验研究结果表明,毛细渗油结构可以有效扩大火焰稳高度h定范围,对点火、防振及火焰状况都有利,而且由于毛细储油功能,使熄火时间加长;由于热惯性的存在有利于再着火虽然目前对多孔介质内燃烧已进行了很多研究但用多孔介质做火焰稳定器相关研究还未见报道.本文提出用多孔材料制作多孔介质火焰稳定器.采用热线测试实心钝体和多孔介质钝体尾迹冷态流场结构,并采用丙烷为燃料进行对比燃烧实验中国煤化工研究多孔介质钝体火焰稳定特性.ICNMHG2012年4月刘明侯等:多孔介质钝体火焰稳定性113为了研究回流区大小和回流强度,用热线测速仪15mm处.对于实心钝体火焰(图4(a)),当va=1m/s测试了各种工况时不同火焰稳定器后轴线上流向速时,由于空气速度较小,火焰长且呈黄红色,呈现扩度分布.冷态流场测试中,热线测速仪采用直径散火焰特征.随着空气伴流速度增大(v2=2m/s),火5μ m wollaston(PT10%RH热丝,其速度敏感长度为焰上部为黄红色,下部为蓝色.这是由于伴流速度增lmm,电阻52Ω.热线测速仪测试时采用恒温工作大,钝体火焰稳定能力的下降导致扩散火焰(黄红色模式,热线测速仪工作电阻R与环境温度下电阻R部分)抬举.燃料与空气在自由流与尾迹交界面混合比值为1.8.热线测速仪信号经过放大、平移、通过较好,且应变率较低,沿着钝体四周产生了蓝色火16通道AD(12位)板进入计算机.采样频率焰.随着空气伴流速度进一步增大(v2=3~4ms)3.5kH,采样时间10s.实验前,对热线测速仪进行钝体稳定火焰能力降低,火焰上部黄色的扩散火焰部速度-电压标定.具体标定过程见文献[0],平均速度分渐渐变小、消失.当空气速度进一步增大时,火焰测量误差为1.7%尾迹处的黄红色火焰消失,转变成短小蓝色的纯钝体火焰.该蓝色火焰出现在绕钝体后回流区与自由流2流动损失交界的剪切处,主要由于绕流剪切强化了燃料与氧化剂的混合.当v>6m/s时,实心钝体产生熄火.这是实验采用 Swema微压差计( SwemaMan80,分辨由于绕流剪切层产生的高应变率引起熄火.多孔介率0.1Pa测量流体经过3种不同钝体稳定器后流体质钝体火焰(图4(b)与实心钝体火焰发展过程也类的压降,以评估不同火焰稳定器的流动损失.取压位似,但火焰稳定能力提高很多.当v=5m/s时,才开置分别在钝体上下表面15mm处.压降随流速分布始产生扩散火焰的拾举;当va=8ms时,抬举火焰依关系如图3所示从图中可见,与实心钝体相比,相然比较稳定,但开始向钝体火焰转变.多孔介质钝体同空气伴流速度时多孔介质火焰稳定器能明显降低尾迹中,由于燃料可以直接穿过多孔介质钝体,因而流体压力损失.随着伴流空气速度的提高,多孔介质其火焰与射流扩散火焰特征类似.而实心钝体火焰开火焰稳定器减少压力损失的优势更明显.当空气速始产生抬举时,是空心火焰.火焰根部环绕钝体端面度达到8ms时,平均孔径为1.27mm和0.32mm的四周,呈中空状态,因而火焰跳动、不稳定,直至熄火多孔介质稳定器前后压力差分别为79Pa和73.5Pa而实心钝体的前后压力差达到191Pa,分别为前者的24倍和2.6倍.多孔介质平均孔径从1.27mm变化到032mm时,由于测试的速度较小,压降-速度特性并没有明显差异.但随着速度变大,两者差异有变大的趋势.可见,在航空和火箭发动机等髙流速燃烧流场中如使用多孔介质火焰稳定器可显著减少压力损失180一实心钝体速度/m·s)140(a)实心钝体速度/(m·s)图3冷态流场中不同钝体前后压力差3多孔介质钝体火焰实验时,首先通过固定燃料速度(v=4.5m/s)改变空气伴流(v=2~9m/s)观测不同钝体后火焰演I中国煤化工CNMHG钝体变过程(图4).实验中,燃料出口位于钝体下方L=图4燃料速度为v=45m/s,不同空气伴流速度火焰114燃。烧科学与技术第18卷第2期为了进一步比较多孔介质火焰稳定器与实心钝孔介质回流区长度大约为0.8D~1.0D,小于实心钝体稳定器的火焰稳定性,并评估多孔介质孔密度对火体后回流区长度另外,多孔介质钝体具有渗透和产焰稳定特性的影响,又引人了平均孔径为1.27mm生回流区的双重功能,但多孔介质回流区在更下游位的多孔介质钝体进行火焰稳定实验.通过给定空气置.且随着雷诺数增大,回流区更小,回流区向更下伴流速度(va=6.0ms)或给定燃料流速度(=游发展.实心钝体回流强度大于多孔介质.实心钝体1.2ms),观测火焰熄火工况(表1)回流速度是来流速度的82%左右,而多孔介质最大表1两种情况下不同钝体熄火极限值回流速度是来流速度的35%.雷诺数对实心钝体后回流区影响较小,但对多孔介质后回流区大小和回流才料F1.2强度影响较大.在雷诺数8000~13333范围内,实实心钝体≤31msv≥45ms平均孔径为127mm的多孔介质v≤16msv2≥5.3m/s心钝体后回流区大小和回流强度基本不变;而多孔介平均孔径为032mm的多孔介质v≤0.9msw2≥8.1m/s质钝体随着雷诺数的增大,回流区大小和强度都减弱.这说明,对于一定孔密度和厚度的多孔介质钝从表1的熄火极限数据可发现在相同空气伴流体,来流速度增大时,其产生回流区的能力下降这速度时,实心钝体需要更多的燃料才能实现火焰稳里需要指出的是,由于实验时,多孔介质钝体上游端定.当空气伴流速度v=6.0ms,实心钝体需要燃料面有燃料喷管(直径是5mm,因此,在xD=0处轴速度>3.1ms才能保障不熄火;平均孔径为向速度近似等于零.如果没有燃料管的阻挡作用,该0.32mm的多孔介质钝体只需要燃气速度大于09m/s,就不熄火.在相同燃料速度时,实心钝体需处轴向速度不会接近零通过流向平均速度沿轴线分布(图5)可以发现要更小的空气伴流速度实现稳定燃烧.如当燃料速多孔介质和实心钝体后流场结构有明显差异(图度ⅵ=12ms时,实心钝体在空气伴流速度v=6).当燃料喷管在钝体上游时,对于实心钝体,燃料45mS以上产生熄火,而平均孔径为032mm的多需要绕过钝体,在回流区与自由流边界上进行混孔介质钝体产生熄火的空气伴流速度达到8.1m/s.合.从流场结构测试结果发现,自由流速度变化对回比较3种火焰稳定器发现,平均孔径为0.32mm的最佳.可能平均孔径为0.32mm的多孔介质兼顾了通透性(有利于钝体后燃料与氧化剂混合)和回流区特1000性,使得稳定器后速度场、组分场更加适合燃烧,从而火焰稳定性较强,熄火极限拓宽.因此,对多孔介质火焰驻定特性硏究时,其孔密度是一个关键参数4钝体尾迹冷态流场测试Re=10666Re=13333实心钝体平均孔径0.32mma平均孔径0.32mm0平均孔径0.32mm多孔介质和实心钝体火焰稳定器火焰稳定性能差异与其尾迹中燃料分布及钝体尾迹流场结构密不图5轴向平均速度沿轴线分布可分.图5给出轴向平均速度沿轴线分布.图中,x是测点距离钝体下游端面轴向距离,D是钝体端面直径;U是无钝体时通道内流体平均速度;雷诺数为基于长度尺度D和来流速度的值,即Re=-D.从图5可以看出,实心钝体和平均孔径为0.32mm的多孔介质钝体后轴线上平均速度分布有很大不同.实心钝体后轴向速度为负,说明钝体后是回流区,其长度大约为14D;而多孔介质钝体后由于多孔介质渗透性,其速度为正.由于多孔介质钝体的阻挡中国煤化工作用,大约在xD=1时才开始出现一个回流区,回CNMHG流区大约在1.8D~20D处结束.这说明,一方面,多多扎把平后埸纤示意2012年4月刘明侯等:多孔介质钝体火焰稳定性115流区大小影响不大(图5),由于空气与燃料混合处尾迹回流区域,导致火焰呈现很强的扩散火焰特征(图6虚线速度较大,混合时间较短;对于多孔介质比较平均孔径为0.32mm和1.27mm的多孔介质钝钝体,燃料可以渗透到回流区上游,该处速度较低,体火焰发现,当L小于5cm时,孔密度小时火焰长混合时间较长,呈现局部预混燃烧特性.因此,多孔度略长.这是由于平均孔径为1.27mm时孔径较大介质钝体极大地改善了尾迹中燃料与空气的混合,有当L很小时,燃料在钝体前来不及与空气充分混合更适合燃烧的组分场.但由于回流区较小,且回流强通过渗透进入钝体尾迹区域,孔密度小的多孔介质弥度降低,因此,该类稳定器的关键是找到渗透特性和散作用较弱,导致火焰呈现更明显扩散火焰特征,火回流区产生特性的最佳平衡点焰长度更长.当L大于5cm后,由于从燃料出口到钝体之间的距离L足够大,使得燃料和空气混合较5燃料喷嘴与钝体下表面的距离对火焰高度好,多孔介质的渗透与弥散差异作用已处于次要的影响地位当空气伴流速度较大时(工况2,图7中实线所L是燃料喷管出口到钝体上游端面的距离.由于示),3个稳定器性能差异较大.多孔介质产生熄火的燃料速度和空气伴流有速度差异,交界面存在剪L更大,且不熄火时火焰更长;伴流速度增大后,两切.距离L愈大,燃料与空气混合愈好.为了研究燃种孔密度的多孔介质火焰高度较工况1有更明显差料与空气混合程度对钝体火焰稳定性的影响,研究中异,但产生熄火的L并没有明显差异.这说明当燃料设计了两种工况:工况1,va=3.0m/s,w=2.4ms与空气混合较差时,孔密度影响火焰;当燃料和氧化况2,v=60ms,=5ms.两种工况燃料与伴流速剂混合较好时,多孔介质火焰稳定器的火焰差异较度比近似相等,旨在考察3种钝体结构在较低和较高小.这从另外角度说明多孔介质的渗透与弥散性能空气伴流速度下燃料喷口与钝体上游端面之间距离改善了钝体后燃料与氧化剂当量比,从而提高扩散火L对钝体后火焰高度H的影响(H测量以钝体下游端焰稳定性面为基点).实验结果如图7所示,其中虚线和实线分别表示工况1和工况2的结果.当火焰高度为06结论时,表示熄火(1)在堵塞比为44%、流体速度为8m/s时,实工况1心钝体压损是平均孔径为0.32mm和1.27mm的多1.27m▲1.27mm孔介质钝体压损的24和2.6倍;对于v=6.0m/s空0.32mm◆◆气伴流速度,实心钝体燃料流v≤<3.1ms时熄火,而50平均孔径1.70mm和0.32mm多孔介质则分别在v小于1.6m/s和0.9ms后才熄火.采用多孔介质钝体22可在大大降低流阻同时,拓宽火焰稳定极限.20你@●(2)实心和多孔介质钝体流场结构有较大差异.在本文研究的流动参数范围内,实心钝体回流区长度为1.4D,且紧贴钝体,而多孔介质回流区长度为0.8D~1.0D,出现在xD=1左右位置.实心钝体和图7钝体火焰高度随距离变化曲线多孔介质回流速度分别为来流速度的82%和35%.可从图7中可以看出,燃料喷管出口与稳定器之间见,与实心钝体尾迹相比,多孔介质钝体尾迹回流区距离L对火焰高度和稳定性有较大影响.总体上看后移、且回流区较小,回流强度降低.随着雷诺数增火焰高度H随着L的增加而减小;当空气伴流速度加,多孔介质回流区向下游移动,且回流速度下降较大(工况2)时,产生熄火的L变小(3)多孔介质钝体需要有合适的孔密度以达到当空气伴流速度较小时(工况1,图7中虚线所渗透与回流区产生特性的最佳平衡.本文实验中发示),多孔介质钝体后火焰明显都高于实心钝体后火现,相同燃料速度时平均和径为032mm多孔钝体焰。这是由于多孔介质具有较强的渗透与弥散作火焰稳定器较中国煤化工伴流速度条件用.中心线附近燃料可以直接通过多孔介质渗透到下稳定燃烧CNMHG116燃烧科学与技术第18卷第2期(4)当燃料喷口与钝体之间距离L>5cm时[5] Ahmed S F, Balachandran R, Marchione T, et al多孔介质钝体火焰差异较小.这表明当空气与燃料Spark ignition of turbulent nonpremixed bluff-body混合较好时,多孔介质钝体火焰稳定性优势会降低flames[J. Combustion and Flame, 2007, 151(1或消失.因此,对于扩散燃烧或局部预混燃烧,多孔366-385介质钝体稳定器具有更优越的火焰稳定性能.[6] Chaudhuri Swetaprovo, Cetegen Baki M. Responsedynamics of bluff-body stabilized参考文献bulent flames with spatial mixture gradients [J]. Combus1]程秋芳.一种引燃式组合火焰稳定器[J.航空动力学ion and Flame,2009,l56(3):706-720.报,1991,6(3):259-262[7] Esquiva-Dano I, Escudie D. A way of consideringCheng Qiufang. Design and experimental study of ainfluence of the bluff-body geometry on the nonpremixedcombined pilot flame holder [J]. Journal of Aerospaceflame stabilization process [J]. Combustion and FlamePower,1991,6(3):259-262 (in Chine2005,142(3):2993022]杨茂林,全中,白兴艳,等.尾缘吹气式火焰稳定[8]徐侃,刘明侯,姜海,等.应用于热光伏系统中器试验研究[J.航空动力学报,1998,13(2):185的多孔介质燃烧器[J.工程热物理学报,2009,0(5):887-889Yang Maolin, Quan Zhong, Bai Xingyan, et al. ExXu Kan, Liu Minghou, Jiang Hai, et al. 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