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(jié)構(gòu)與燃燒穩(wěn)定性

黃景懷，李軍偉，陳新建，魏志軍，王寧飛

(北京理工大學(xué)宇航學(xué)院，北京 100081)

用骨架反應(yīng)機(jī)理對(duì)同軸管甲烷逆流燃燒器進(jìn)行分析能夠很好地了解火焰結(jié)構(gòu)與燃燒器內(nèi)的溫度分布，并得到各處的火焰拉伸率及相關(guān)參數(shù)。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(nèi)管管口包覆，火焰厚度逐漸減小。當(dāng)量比(ER)較大時(shí)，火焰附近溫度與物質(zhì)的分布較為稀疏，而ER較小時(shí)，其分布較為緊密。內(nèi)管壁面上熱通量f隨著的A增加而逐漸加強(qiáng)；總的傳熱量在A=2540 ml·min-1達(dá)到最大。當(dāng)ER≥3.00時(shí)，火焰拉伸率開(kāi)始時(shí)緩慢變化，在越過(guò)燃燒器內(nèi)管邊緣后快速增加，但最終不大于65 s-1。在ER<1.00時(shí)，火焰呈彎曲狀，長(zhǎng)度較長(zhǎng)，值變化劇烈，最大可以達(dá)到638 s-1，并在火焰末端值變?yōu)樨?fù)數(shù)，最小值為-262 s-1。

甲烷；數(shù)值模擬；傳熱；逆流；燃燒狀態(tài)；火焰拉伸率

引 言

過(guò)去20年來(lái)，微機(jī)電系統(tǒng)與微動(dòng)力裝置在國(guó)防和經(jīng)濟(jì)等多個(gè)領(lǐng)域表現(xiàn)出非常廣泛的應(yīng)用前景，依托MEMS技術(shù)的納衛(wèi)星、微型飛行器等產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始裝備[1-3]。微尺度燃燒器能量質(zhì)量密度能夠達(dá)到10～1000 W·kg-1，遠(yuǎn)高于現(xiàn)今常用的鋰離子電池[4]。微尺度燃燒反應(yīng)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(guó)內(nèi)外研究人員提出了多種不同的方式對(duì)火焰進(jìn)行穩(wěn)定，并取得了一定的成果。如Miesse等[13]認(rèn)為微尺度火焰的燃燒仍然是可行的，但需要對(duì)燃燒器壁面的材料與構(gòu)型進(jìn)行仔細(xì)的設(shè)計(jì)；為了提高火焰在微尺度燃燒器中的穩(wěn)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(huì)對(duì)燃燒邊界產(chǎn)生影響，同時(shí)催化劑的使用能夠降低火焰溫度。國(guó)內(nèi)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(duì)微尺度化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)氫氣/空氣催化燃燒的影響，結(jié)果表明即使在氫氣的爆炸極限內(nèi)，氫氣/空氣混合氣也能夠在微燃燒器內(nèi)進(jìn)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(yù)混氣體在微型燃燒器中的燃燒狀況，結(jié)果表明甲烷流量、空氣過(guò)量系數(shù)以及壁面溫度都對(duì)催化效率有一定的影響；萬(wàn)建龍等[18]研究了不同材料的鈍體對(duì)于微尺度燃燒的影響，結(jié)果表明微型鈍體燃燒器中火焰穩(wěn)定性與流動(dòng)和傳熱之間的相互作用非常密切。針對(duì)微尺度燃燒器的燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象，Kim等[19-20]設(shè)計(jì)了一種同軸逆流非預(yù)混甲烷燃燒器，在這種燃燒器中，完成燃燒的燃?xì)馀c未燃?xì)怏w進(jìn)行熱交換。首先利用實(shí)驗(yàn)手段對(duì)該燃燒器進(jìn)行了分析，測(cè)定了燃燒器的上下邊界與溫度分布，并對(duì)不同的熄火機(jī)理進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)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(yīng)機(jī)理對(duì)該燃燒器進(jìn)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(dǎo)作用，此外還利用數(shù)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(tài)[20]。他們認(rèn)為，相比于敞開(kāi)環(huán)境中的逆流燃燒器，細(xì)管中的逆流燃燒器其燃燒穩(wěn)定性更好[19]，但是這種燃燒器的燃燒機(jī)理尚不完全清楚。

甲烷作為最簡(jiǎn)單的有機(jī)物，其燃燒特性非常獨(dú)特，具有很高的著火溫度和很低的火焰?zhèn)鞑ニ俣?；研究人員對(duì)甲烷的燃燒化學(xué)反應(yīng)也理解得非常深入。同時(shí)甲烷作為天然氣與沼氣的主要成分，在工業(yè)生產(chǎn)與日常生活方面具有非常重要的用途。單步反應(yīng)機(jī)理簡(jiǎn)單，對(duì)計(jì)算資源要求不高，但是無(wú)法更加深入地了解火焰結(jié)構(gòu)、反應(yīng)機(jī)理等深層次問(wèn)題。本文分析了Kim等的逆流甲烷燃燒器，在其實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用商業(yè)數(shù)值計(jì)算軟件(Fluent 15.0)，對(duì)逆向流動(dòng)中的甲烷射流在非預(yù)混燃燒器中的燃燒特性進(jìn)行數(shù)值研究。在研究中引入了甲烷骨架燃燒反應(yīng)機(jī)理，能夠很好地了解各種中間產(chǎn)物的形成與演化，更加深入地對(duì)火焰進(jìn)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(jié)構(gòu)，通過(guò)數(shù)值仿真得到燃燒器內(nèi)的溫度分布以及關(guān)鍵中間產(chǎn)物的分布情況，同時(shí)利用所得到的計(jì)算結(jié)果計(jì)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(shù)對(duì)火焰拉伸的影響。

1 物理模型與數(shù)值計(jì)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(nèi)管為不銹鋼管，外管為石英管，二者壁厚均為0.5 mm，裝置結(jié)構(gòu)尺寸如圖所示。甲烷燃料由內(nèi)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?xì)鈩t由左端內(nèi)外管之間的環(huán)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(jù)燃燒器的結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性，數(shù)值計(jì)算模型采用二維軸對(duì)稱(chēng)模型。計(jì)算采用基于壓力的隱式求解器，由于所模擬的工況中Reynolds數(shù)均小于1600，故選用層流流動(dòng)模型，數(shù)值仿真中所采用的控制方程包括連續(xù)方程、動(dòng)量守恒方程、組分守恒方程、能量守恒方程、氣體狀態(tài)方程等[21]。忽略重力的影響。在網(wǎng)格劃分上，模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸0.1 mm，網(wǎng)格總數(shù)59500個(gè)。為改善收斂，計(jì)算過(guò)程中采用了較小的亞松弛因子。

為了解散熱對(duì)燃燒穩(wěn)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(duì)流傳熱系數(shù)為20 W·m-2·K-1 [22]，外界環(huán)境溫度300 K，不銹鋼壁面與石英壁面的外部發(fā)射率分別取0.85與0.97，不銹鋼管的熱導(dǎo)率取16.27 W·m-1·K-1，石英的熱導(dǎo)率為1.3 W·m-1·K-1[23]。在仿真計(jì)算中，忽略燃?xì)獾妮椛?。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?xì)馀c壁面采用非滑移壁面條件。

甲烷燃燒反應(yīng)速率通過(guò)Arrhenius定律控制，反應(yīng)機(jī)理選用了Smooke[24]開(kāi)發(fā)的骨架反應(yīng)機(jī)理。其中涉及15種組分(不包含N2)，35個(gè)化學(xué)反應(yīng)，諸多研究人員利用該反應(yīng)機(jī)理對(duì)甲烷燃燒反應(yīng)進(jìn)行了研究[25-27]。同時(shí)，本文還利用CHEMKIN對(duì)沖火焰模型對(duì)該機(jī)理進(jìn)行了驗(yàn)證，得到了不同當(dāng)量比下對(duì)沖火焰的溫度分布。模型分別采用了骨架反應(yīng)機(jī)理與GRI-mech機(jī)理。一般認(rèn)為，GRI-mech反應(yīng)機(jī)理能夠準(zhǔn)確地反映甲烷的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程，但是其基元反應(yīng)過(guò)多，在使用上具有很大的局限性[28]。從圖中可以看出，Smooke機(jī)理的計(jì)算結(jié)果與GRI-mech機(jī)理的結(jié)果吻合得很好。因此本文所采用的骨架反應(yīng)機(jī)理能夠有效地對(duì)甲烷/空氣的燃燒反應(yīng)進(jìn)行模擬分析。

2 結(jié)果與討論

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

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

2.1 計(jì)算方法驗(yàn)證與火焰形態(tài)

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

圖4 QF=150 ml·min-1時(shí)QA為380 ml·min-1外管壁面上實(shí)驗(yàn)[19]與仿真溫度對(duì)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(dòng)方向相反，完成燃燒后的燃?xì)饬鲃?dòng)方向沿甲烷進(jìn)氣管外壁流動(dòng)，能夠?qū)淄檫M(jìn)行預(yù)熱，提高反應(yīng)前甲烷溫度，從而提高燃燒穩(wěn)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(tài)均有所變化。主要表現(xiàn)在，在A較小時(shí)(A≤381 ml·min-1)，火焰呈扁平狀(flat-disk shape)，此時(shí)火焰位于內(nèi)管出口正方向，且隨著A的增加其形狀也略有彎曲；而當(dāng)A較大時(shí)(A＞ 381 ml·min-1)，火焰為彎曲狀(curved shape)，覆蓋在內(nèi)管外壁并將內(nèi)管出口包覆，且當(dāng)A繼續(xù)增加時(shí)，火焰的彎曲程度也更加顯著。

2.2 邊界條件對(duì)于燃燒狀態(tài)的影響

通過(guò)對(duì)燃燒狀態(tài)的進(jìn)一步分析可以得到火焰形態(tài)的變化，圖5顯示了F=120 ml·min-1時(shí)，不同工況下火焰厚度、火焰長(zhǎng)度、火焰位置以及火焰溫度的變化，其中火焰厚度的計(jì)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?xì)怏w溫度[29]。很顯然，隨著A的升高，反應(yīng)區(qū)域被氣體壓縮得更小。完成燃燒后的混合氣向軸負(fù)方向流動(dòng)，并在流動(dòng)的過(guò)程中逐漸消耗熱量——部分熱量通過(guò)外管壁傳遞到外界環(huán)境中，部分熱量用于對(duì)內(nèi)管中氣體的加熱。

在燃燒器中，OH的存在時(shí)間要比其他自由基要長(zhǎng)[30]。在研究中常常利用OH云圖來(lái)代表反應(yīng)區(qū)域[31]。OH云圖的脊線(xiàn)(ridge line)則定義為火焰面，脊線(xiàn)的長(zhǎng)度即為火焰長(zhǎng)度(flame distance)。與絕熱火焰類(lèi)似，在逆流燃燒器中，火焰溫度變化也呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，且在當(dāng)量比ER=1.00時(shí)(Case 5)達(dá)到最高。在相同的F下，A的增加也會(huì)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(xiàn)的交點(diǎn)距離內(nèi)管出口的長(zhǎng)度。從圖5中還可以看出，A的增加使得火焰長(zhǎng)度逐漸增加，而當(dāng)ER=1.00時(shí)火焰長(zhǎng)度達(dá)到了最大，出現(xiàn)了較長(zhǎng)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(xù)增加，火焰長(zhǎng)度逐漸下降。

圖6為各個(gè)狀態(tài)下燃燒器中不同中間產(chǎn)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最大值的變化。在A較小時(shí)，OH質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值迅速由0.15%變化至0.53%（190～1143 ml·min-1），即當(dāng)ER=1.00時(shí)，OH峰值達(dá)到最大，繼續(xù)增加，OH濃度逐漸降低。HO2在反應(yīng)進(jìn)程中是OH的主要來(lái)源之一，其變化趨勢(shì)與OH的變化趨勢(shì)大體相反。H、HCO以及CH2O是CH4燃燒過(guò)程中的重要參與者，其中H參與了大部分化學(xué)反應(yīng)，而HCO與CH2O則是CH4轉(zhuǎn)化為CO2的反應(yīng)鏈的組成部分，這三者的變化則呈現(xiàn)了隨著Q的增加逐漸增大的趨勢(shì)，反映了化學(xué)反應(yīng)的劇烈程度在逐漸提高。

圖7為ER=3.00(Case 4)與0.45(Case 6)時(shí)火焰附近的火焰結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出，ER較小時(shí)，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(zhuǎn)化為CH3、CH2O、HCO、CO后最終轉(zhuǎn)化為CO2；CO2與H2O的分布則較為接近，這兩種物質(zhì)都是CH4完全燃燒的產(chǎn)物，但CO2還會(huì)通過(guò)逆反應(yīng)生成CO。而即使是在ER=3.00時(shí)，火焰附近的CO的分布也較少，可以認(rèn)為CO更多在其他區(qū)域由CO2轉(zhuǎn)化而來(lái)。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(zhuǎn)化而來(lái)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為OH。