層流預(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊奶骄竣?/h1>
2018-06-12 06:04:38
物理之友 2018年5期
(1. 南京師范大學(xué)附屬中學(xué),江蘇 南京 210003;2. 南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院,江蘇 南京 210016)
1 引言
燃燒的組織方式根據(jù)燃料與氧化劑在化學(xué)反應(yīng)前的狀態(tài)可以分為擴散燃燒、預(yù)混燃燒和部分預(yù)混燃燒，三種燃燒方式在生活、工業(yè)、能源等領(lǐng)域均有利用。其中預(yù)混燃燒是指在化學(xué)反應(yīng)發(fā)生前,燃料與氧化劑已完全混合好的一種燃燒。此時,燃燒速度與油氣混合程度無關(guān),只取決于化學(xué)反應(yīng)本身。
火焰?zhèn)鞑ナ穷A(yù)混燃燒機理的基本問題之一，國內(nèi)外對此開展了大量的研究。當(dāng)可燃預(yù)混氣靜止時(如圖1),火焰向四周傳播,圖中展示了不同時刻t1、t2和t3時的火焰鋒面位置?；鹧?zhèn)鞑ニ俣榷x為火焰前鋒沿法線朝新鮮預(yù)混氣方向傳播的速度,即:u0=dn/dt,其中,dn為火焰鋒面在dt時間內(nèi)沿法向移動的距離。[1]
圖1 火焰?zhèn)鞑ゼ八俣榷x
圖2 直管火焰
火焰?zhèn)鞑ニ俣仁穷A(yù)混燃燒的重要參數(shù)之一,一般通過實驗測量得到[2-6],常用的方法包括直管法和本生燈法。圖2為直管內(nèi)火焰鋒面，當(dāng)火焰?zhèn)鞑ニ俣萿0等于氣流速度u時,火焰鋒面靜止不動;當(dāng)火焰?zhèn)鞑ニ俣萿0大于氣流速度u時,火焰鋒面會向可燃預(yù)混氣一側(cè)移動,稱為回火;當(dāng)火焰?zhèn)鞑ニ俣萿0小于氣流速度u時,則火焰鋒面會向已燃氣側(cè)移動直至在管口吹熄[1]。本生燈火焰結(jié)構(gòu)如圖3所示,火焰在管口穩(wěn)定需要滿足u0=usinθ。[7]
圖3 本生燈火焰結(jié)構(gòu)
根據(jù)預(yù)混氣的流態(tài)是層流還是湍流,火焰分為層流和湍流火焰兩類,對應(yīng)的傳播速度也稱為層流或湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣?。層流和湍流火焰從現(xiàn)象上看存在較明顯的差異,前者火焰面光滑、厚度薄;而湍流預(yù)混火焰則粗糙折皺,長度變短,厚度增加。盡管如此,從內(nèi)在的微觀特征上看,湍流火焰本質(zhì)上仍是層流火焰,在任意一個微小流團內(nèi),火焰的特征都是一樣的。一般地,當(dāng)管內(nèi)流動雷諾數(shù)不大于2300時,管內(nèi)處于層流流動[1][8]。
綜上所述,可以通過駐定火焰,根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍饬魉俣群突鹧驿h面的形狀,計算得到火焰?zhèn)鞑ニ俣取１疚囊源藶槌霭l(fā)點,采用水平玻璃管,以液化石油氣為燃料,以空氣為氧化劑,通過數(shù)碼相機記錄玻璃管口火焰形狀及位置,由此計算層流預(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>
2 實驗裝置和參數(shù)
2.1 實驗裝置
實驗裝置如圖4所示,主要由燃料氣罐、空氣氣罐、管路、閥門、浮子流量計、玻璃管和相機組成。玻璃管長度大約為1m,內(nèi)徑為d=13.6mm?？諝夂鸵夯蜌夥謩e經(jīng)過各自的閥門和浮子流量計進入混合管段,摻混后形成預(yù)混氣進入玻璃管內(nèi)。通過調(diào)整預(yù)混氣的流量和空氣/燃料比例等參數(shù),可以在玻璃管出口形成駐定的預(yù)混火焰，利用相機記錄該過程中火焰結(jié)構(gòu)的變化情況。
圖4 實驗裝置示意圖
2.2 實驗參數(shù)
實驗中,環(huán)境溫度大約為20℃,大氣壓為1atm,空氣密度為1.20kg/m3,液化石油氣密度為2.35kg/m3。
對應(yīng)的燃料與空氣的比值為0.06371，實際的燃料氧氣比與化學(xué)恰當(dāng)燃料氧氣比的比值稱為當(dāng)量比φ，φ<1表示貧燃料燃燒，φ>1表示富燃料燃燒，φ=1表示恰當(dāng)燃燒。
空氣流量與液化石油氣流量決定了玻璃管內(nèi)氣流的速度、流場特征和預(yù)混氣的油氣比，實驗中空氣流量變化范圍從0.29m3/h到0.88m3/h，燃料(液化石油氣)流量變化范圍為0.06L/min至0.4L/min，具體變化數(shù)值及玻璃管中預(yù)混氣速度與當(dāng)量比如表1所示。
表1
3 實驗結(jié)果與分析
圖5 管口火焰結(jié)構(gòu)隨當(dāng)量比φ的變化
以此類推,可以計算得到其他當(dāng)量比φ的火焰?zhèn)鞑ニ俣?數(shù)值如表2所示,可知各當(dāng)量比下火焰?zhèn)鞑ニ俣染∮?.3m/s,這也與碳氫燃料與空氣預(yù)混的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣群苌俪^0.4m/s的研究結(jié)論一致。[1]
圖6 錐形火焰?zhèn)鞑ニ俣扔嬎隳Ｐ?/p>
?0.510.881.151.481.75u0(m/s)0.1900.2360.230.1290.092
圖7是層流預(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣萿0隨當(dāng)量比變化曲線，由圖可知:隨著當(dāng)量比φ的增加,火焰?zhèn)鞑ニ俣萿0先增加后減小,約在當(dāng)量比φ=1.0左右時達到最大值。由此說明,在化學(xué)恰當(dāng)比燃燒時,火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲?而在貧燃料或富燃料燃燒時,火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?。這主要是因為在化學(xué)恰當(dāng)比燃燒時,反應(yīng)物完全反應(yīng),燃燒釋放的熱量大,火焰溫度高,有利于熱量迅速從火焰?zhèn)鬟f至未燃預(yù)混氣,使得新鮮預(yù)混氣迅速進入火焰的反應(yīng)區(qū),從而提高火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>
圖7 層流預(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣入S當(dāng)量比變化曲線
4 結(jié)論
筆者利用水平放置的石英玻璃管,對液化石油氣與空氣的預(yù)混氣,開展不同當(dāng)量比和氣流速度下火焰?zhèn)鞑ヌ卣鞯膶嶒炑芯?，通過分析獲得的主要結(jié)論如下。
(1) 計算得到的層流預(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣染∮?.4m/s,表明火焰?zhèn)鞑ニ俣群喕嬎隳Ｐ秃侠?
(2) 火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c預(yù)混氣的當(dāng)量比有關(guān)。隨著當(dāng)量比增加,火焰?zhèn)鞑ニ俣认仍龃蠛鬁p小;
(3) 氣流的速度及預(yù)混氣的當(dāng)量比變化影響著火焰?zhèn)鞑ゼ盎鹧驿h面形狀。
參考文獻：
[1] 何小民,張凈玉,李建中.航空發(fā)動機燃燒室原理[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2015.
[2] 胡賢忠,于慶波,秦勤,等.CH4/O2/CO2層流預(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣葘嶒炑芯縖J].東北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,34(11):1593-1596.
[3] 高靜,王恒,蘇慶泉,等.層流預(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c火焰穩(wěn)定傳播界限的測定[J].工業(yè)加熱,2009,38(1):14-17.
[4] 張艷春,喻健良,丁信偉,等.層流預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦愿攀鯷J].化工裝備技術(shù),2003,24(2):56-60.
[5] 李鵬飛,費立群,金仁瀚,等.高密度烴層流火焰?zhèn)鞑ニ俣仍囼炑芯縖J].推進技術(shù),2015,36(8):1193-1198.
[6] 馬增益,李月寧,羅婭,等.應(yīng)用圖像處理技術(shù)進行預(yù)混層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊脑诰€測量[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2004,10(6):526-528.
[7] 徐旭常,呂俊復(fù),張海.燃燒理論與燃燒設(shè)備[M].北京:科學(xué)出版社,2012.
[8] 梁德旺.流體力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:航空工業(yè)出版社,1998.
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(1. 南京師范大學(xué)附屬中學(xué),江蘇 南京 210003;2. 南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院,江蘇 南京 210016)
1 引言
燃燒的組織方式根據(jù)燃料與氧化劑在化學(xué)反應(yīng)前的狀態(tài)可以分為擴散燃燒、預(yù)混燃燒和部分預(yù)混燃燒，三種燃燒方式在生活、工業(yè)、能源等領(lǐng)域均有利用。其中預(yù)混燃燒是指在化學(xué)反應(yīng)發(fā)生前,燃料與氧化劑已完全混合好的一種燃燒。此時,燃燒速度與油氣混合程度無關(guān),只取決于化學(xué)反應(yīng)本身。
火焰?zhèn)鞑ナ穷A(yù)混燃燒機理的基本問題之一，國內(nèi)外對此開展了大量的研究。當(dāng)可燃預(yù)混氣靜止時(如圖1),火焰向四周傳播,圖中展示了不同時刻t1、t2和t3時的火焰鋒面位置?；鹧?zhèn)鞑ニ俣榷x為火焰前鋒沿法線朝新鮮預(yù)混氣方向傳播的速度,即:u0=dn/dt,其中,dn為火焰鋒面在dt時間內(nèi)沿法向移動的距離。[1]
圖1 火焰?zhèn)鞑ゼ八俣榷x
圖2 直管火焰
火焰?zhèn)鞑ニ俣仁穷A(yù)混燃燒的重要參數(shù)之一,一般通過實驗測量得到[2-6],常用的方法包括直管法和本生燈法。圖2為直管內(nèi)火焰鋒面，當(dāng)火焰?zhèn)鞑ニ俣萿0等于氣流速度u時,火焰鋒面靜止不動;當(dāng)火焰?zhèn)鞑ニ俣萿0大于氣流速度u時,火焰鋒面會向可燃預(yù)混氣一側(cè)移動,稱為回火;當(dāng)火焰?zhèn)鞑ニ俣萿0小于氣流速度u時,則火焰鋒面會向已燃氣側(cè)移動直至在管口吹熄[1]。本生燈火焰結(jié)構(gòu)如圖3所示,火焰在管口穩(wěn)定需要滿足u0=usinθ。[7]
圖3 本生燈火焰結(jié)構(gòu)
根據(jù)預(yù)混氣的流態(tài)是層流還是湍流,火焰分為層流和湍流火焰兩類,對應(yīng)的傳播速度也稱為層流或湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣?。層流和湍流火焰從現(xiàn)象上看存在較明顯的差異,前者火焰面光滑、厚度薄;而湍流預(yù)混火焰則粗糙折皺,長度變短,厚度增加。盡管如此,從內(nèi)在的微觀特征上看,湍流火焰本質(zhì)上仍是層流火焰,在任意一個微小流團內(nèi),火焰的特征都是一樣的。一般地,當(dāng)管內(nèi)流動雷諾數(shù)不大于2300時,管內(nèi)處于層流流動[1][8]。
綜上所述,可以通過駐定火焰,根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍饬魉俣群突鹧驿h面的形狀,計算得到火焰?zhèn)鞑ニ俣取１疚囊源藶槌霭l(fā)點,采用水平玻璃管,以液化石油氣為燃料,以空氣為氧化劑,通過數(shù)碼相機記錄玻璃管口火焰形狀及位置,由此計算層流預(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>
2 實驗裝置和參數(shù)
2.1 實驗裝置
實驗裝置如圖4所示,主要由燃料氣罐、空氣氣罐、管路、閥門、浮子流量計、玻璃管和相機組成。玻璃管長度大約為1m,內(nèi)徑為d=13.6mm?？諝夂鸵夯蜌夥謩e經(jīng)過各自的閥門和浮子流量計進入混合管段,摻混后形成預(yù)混氣進入玻璃管內(nèi)。通過調(diào)整預(yù)混氣的流量和空氣/燃料比例等參數(shù),可以在玻璃管出口形成駐定的預(yù)混火焰，利用相機記錄該過程中火焰結(jié)構(gòu)的變化情況。
圖4 實驗裝置示意圖
2.2 實驗參數(shù)
實驗中,環(huán)境溫度大約為20℃,大氣壓為1atm,空氣密度為1.20kg/m3,液化石油氣密度為2.35kg/m3。
對應(yīng)的燃料與空氣的比值為0.06371，實際的燃料氧氣比與化學(xué)恰當(dāng)燃料氧氣比的比值稱為當(dāng)量比φ，φ<1表示貧燃料燃燒，φ>1表示富燃料燃燒，φ=1表示恰當(dāng)燃燒。
空氣流量與液化石油氣流量決定了玻璃管內(nèi)氣流的速度、流場特征和預(yù)混氣的油氣比，實驗中空氣流量變化范圍從0.29m3/h到0.88m3/h，燃料(液化石油氣)流量變化范圍為0.06L/min至0.4L/min，具體變化數(shù)值及玻璃管中預(yù)混氣速度與當(dāng)量比如表1所示。
表1
3 實驗結(jié)果與分析
圖5 管口火焰結(jié)構(gòu)隨當(dāng)量比φ的變化
以此類推,可以計算得到其他當(dāng)量比φ的火焰?zhèn)鞑ニ俣?數(shù)值如表2所示,可知各當(dāng)量比下火焰?zhèn)鞑ニ俣染∮?.3m/s,這也與碳氫燃料與空氣預(yù)混的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣群苌俪^0.4m/s的研究結(jié)論一致。[1]
圖6 錐形火焰?zhèn)鞑ニ俣扔嬎隳Ｐ?/p>
?0.510.881.151.481.75u0(m/s)0.1900.2360.230.1290.092
圖7是層流預(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣萿0隨當(dāng)量比變化曲線，由圖可知:隨著當(dāng)量比φ的增加,火焰?zhèn)鞑ニ俣萿0先增加后減小,約在當(dāng)量比φ=1.0左右時達到最大值。由此說明,在化學(xué)恰當(dāng)比燃燒時,火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲?而在貧燃料或富燃料燃燒時,火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?。這主要是因為在化學(xué)恰當(dāng)比燃燒時,反應(yīng)物完全反應(yīng),燃燒釋放的熱量大,火焰溫度高,有利于熱量迅速從火焰?zhèn)鬟f至未燃預(yù)混氣,使得新鮮預(yù)混氣迅速進入火焰的反應(yīng)區(qū),從而提高火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>
圖7 層流預(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣入S當(dāng)量比變化曲線
4 結(jié)論
筆者利用水平放置的石英玻璃管,對液化石油氣與空氣的預(yù)混氣,開展不同當(dāng)量比和氣流速度下火焰?zhèn)鞑ヌ卣鞯膶嶒炑芯?，通過分析獲得的主要結(jié)論如下。
(1) 計算得到的層流預(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣染∮?.4m/s,表明火焰?zhèn)鞑ニ俣群喕嬎隳Ｐ秃侠?
(2) 火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c預(yù)混氣的當(dāng)量比有關(guān)。隨著當(dāng)量比增加,火焰?zhèn)鞑ニ俣认仍龃蠛鬁p小;
(3) 氣流的速度及預(yù)混氣的當(dāng)量比變化影響著火焰?zhèn)鞑ゼ盎鹧驿h面形狀。
參考文獻：
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[3] 高靜,王恒,蘇慶泉,等.層流預(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c火焰穩(wěn)定傳播界限的測定[J].工業(yè)加熱,2009,38(1):14-17.
[4] 張艷春,喻健良,丁信偉,等.層流預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヌ匦愿攀鯷J].化工裝備技術(shù),2003,24(2):56-60.
[5] 李鵬飛,費立群,金仁瀚,等.高密度烴層流火焰?zhèn)鞑ニ俣仍囼炑芯縖J].推進技術(shù),2015,36(8):1193-1198.
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[7] 徐旭常,呂俊復(fù),張海.燃燒理論與燃燒設(shè)備[M].北京:科學(xué)出版社,2012.
[8] 梁德旺.流體力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:航空工業(yè)出版社,1998.
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