李?雷，李國岫，李洪萌，姜延歡

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湍流條件下高當量比合成氣著火實驗研究

李?雷，李國岫，李洪萌，姜延歡

(北京交通大學機械與電子控制工程學院，北京 100044)

為了研究高當量比合成氣著火極限條件下初始湍流環(huán)境對火焰初始發(fā)展階段的影響規(guī)律，在湍流定容燃燒實驗裝置中開展了常溫、常壓條件下50%CO/50%H2合成氣相關湍流燃燒實驗，并研究了火焰等效半徑和火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓囊?guī)律及影響因素．研究結果表明：在本文實驗條件下層流環(huán)境中，火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸尸F(xiàn)先減小后增加的趨勢，并且隨著當量比的增加而逐漸減小，合成氣著火極限當量比為5.8；在高當量比混合氣條件下，初始湍流強度的增加可以拓寬可燃混合氣的著火極限；在高當量比著火極限條件下，火焰等效半徑隨著湍流強度增大而增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著湍流強度的增加而增大，同一湍流強度環(huán)境中，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤傮w呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢．

著火極限；湍流強度；等效半徑；火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>

實際燃燒過程多數(shù)是在湍流環(huán)境中進行的，絕大多數(shù)動力設備燃燒均是在湍流氛圍中，因此湍流預混燃燒具有重要的研究意義．火焰?zhèn)鞑ヌ匦允茄芯客牧黝A混火焰的傳播與發(fā)展的重要方面．

對于預混燃燒而言，廣大學者對層流預混燃燒已經進行了大量研究．有從火焰發(fā)展的過程來研究，有針對最小點火能量到初始火核形成[1-4]、再到火焰充分發(fā)展階段[5-6]進行研究．在火焰結構和速度特性方面以及火焰穩(wěn)定性方面，也有大量學者進行了詳細的研究，并從機理上給與了解釋[7-9]．

而對于湍流預混燃燒過程的研究，多數(shù)學者是針對火焰充分發(fā)展階段湍流預混火焰的特性進行研究．Liu等[10]對貧燃甲烷-空氣在相對較高的環(huán)境壓力下的湍流和層流燃燒速度進行了研究．Vancoillie等[11]利用定容燃燒彈，對甲醇-空氣預混合氣在環(huán)境溫度385K時不同當量比、不同環(huán)境壓力下的湍流燃燒速度進行研究，并利用所得到的湍流燃燒速度與多個速度理論模型進行對比．Lawes等[12]利用湍流燃燒彈對異辛烷-空氣預混合氣在不同湍流脈動速度、不同當量比和不同初始環(huán)境壓力下的湍流燃燒速度進行了研究．結果表明，隨著湍流強度和初始環(huán)境壓力的增加，湍流燃燒速度增大．Brequigny等[13]利用兩套紋影-高速攝影對燃燒彈內火焰發(fā)展過程進行拍攝記錄，進行了體積重建，并且研究了湍流強度和初始壓力環(huán)境對湍流火焰速度的影響規(guī)律．劉福水?等[14]在定容燃燒彈內加入網板，火焰穿過網孔后被誘導轉變?yōu)橥牧骰鹧?，從而研究不同初始壓力環(huán)境對氫氣-空氣預混誘導湍流燃燒的影響．姜延歡等[15]在定容燃燒彈內展開常溫常壓下50%CH4/50%H2(體積分數(shù))混合氣在不同湍流強度下的相關實驗，并采用褶皺因子對火焰結構進行了量化研究．

1?研究手段及方法

1.1?實驗裝置

湍流定容燃燒實驗裝置包括定容燃燒彈、配氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、湍流營造系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，實驗裝置示意圖如圖1所示．定容燃燒彈內腔直徑為380mm，定容燃燒彈的壁面設有4個水平對置石英玻璃視窗，以觀察和拍攝記錄火焰燃燒過程．在定容燃燒彈的正上方的端蓋上接有高壓管路，通過高壓管路進行配氣和廢氣清洗．在本文點火系統(tǒng)中，采用一對水平對置的點火電極進行點火，點火線圈的輸入電壓為12V，輸入電壓經過點火線圈升壓后通過點火電極尖端放電點燃預混合氣．點火中心位置與燃燒彈的中心重合以保證中心點火．本文實驗中點火電極間距為1.30mm，點火電極直徑為2.5mm．本文研究火焰初始階段的發(fā)展，需保證點火能量不變，因此本文實驗中輸入的點火線圈電壓與點火電極間距均固定不變．在定容燃燒彈的外圍安裝有4個成正四面體布置的電動機．電動機通過磁力聯(lián)軸器驅動內部扇葉旋轉，形成旋流，旋流通過風扇前端的孔板形成多束射流并在燃燒彈中心相互撞擊破碎形成初始湍流環(huán)境，本文實驗所用孔板孔徑為12mm，4個電機通過變頻器進行同步轉動控制．火焰圖像通過紋影-高速攝影系統(tǒng)進行拍攝和采集，高速攝像機拍攝速度為13500幅/s．

1—合成空氣；2—高純一氧化碳氣；3—高純氫氣；4—減壓閥；5—止回閥；6—高壓針閥；7—定容燃燒彈；8—石英玻璃視窗；9—點火針；10—火花塞；11—電動機；12—光源；13—狹縫；14—平面鏡；15—凹面鏡；16—刀口；17—高速攝像機；18—高精度數(shù)字顯示壓力表；19—壓力傳感器；20—電荷放大器；?21—真空泵；22—觸發(fā)控制實驗臺；23—筆記本電腦

1.2?實驗數(shù)據(jù)處理方法

本實驗中所采集到的火焰圖像均是利用自行設計開發(fā)的Matlab圖像處理程序進行分析．通過程序對處理的圖像數(shù)據(jù)進行火焰半徑、周長、面積等基礎信息的計算，并將對火焰輪廓邊緣進行標記輸出，處理標記結果如圖2所示，可見處理程序的準確性是較為可靠的．

圖2?Matlab程序處理結果

1.3?相關參數(shù)定義

定容燃燒彈內的流動燃燒情況非常復雜，需要用適合描述湍流定容燃燒彈內混合氣燃燒過程的特征參數(shù)來對其進行描述．

由于湍流環(huán)境下火焰鋒面會發(fā)生褶皺，火焰面發(fā)展并不規(guī)則，所以火焰半徑采用等效半徑s來表?示[23]，定義為

???(1)

式中：為火焰的投影面積．

火焰?zhèn)鞑ニ俣萒為等效火焰半徑對時間的導數(shù)，定義為

???(2)

1.4?火焰?zhèn)鞑ミ^程中階段的劃分

對于電火花點火湍流預混燃燒火焰?zhèn)鞑ミ^程，可以分為電極點火階段、火焰初始發(fā)展階段、火焰充分發(fā)展階段．電火花的作用可以分為熱作用和放電引起的化學活化作用．為了研究方便，全部以點火能量表征．假定點火能量在點火瞬間全部以熱量形式傳給電極間氣體，形成如圖3中所示直徑為1的初始火核．由于電極放電時間極短，高溫初始火核只有微小膨脹，緊接著是初始火核的膨脹并向外傳熱的過程．此階段的火焰膨脹傳播由點火能量主導，隨著點火能量逐漸耗散，火焰膨脹傳播過程中向預熱區(qū)放出熱量，當預熱區(qū)溫度提高到混合氣自燃溫度時，火焰便能夠繼續(xù)向外傳播．當火焰?zhèn)鞑ナ怯扇紵懦龅哪芰恐鲗Р㈤_始加速傳播時，假設此時火焰直徑為2，認為火焰即將進入初始發(fā)展階段，此前為電極點火階段．當火焰發(fā)展到一定階段，火焰不再明顯加速傳播時，為火焰充分發(fā)展階段．

圖3?火焰初始發(fā)展階段物理模型

2?結果與討論

圖4?不同當量比的層流火焰圖像發(fā)展過程

圖5?層流條件下火焰等效半徑隨時間變化規(guī)律

圖6?層流條件下火焰?zhèn)鞑ニ俣入S等效半徑的變化規(guī)律

圖7?湍流強度對火焰等效半徑的影響規(guī)律

圖8?湍流強度對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸?guī)律

Fig.8 Effects of turbulence intensity on flame propaga-tion speed

3?結?論

預混合氣著火問題是燃燒及火焰?zhèn)鞑サ那疤幔诟鞣N湍流燃燒設備中，預混合氣能否著火直接影響到設備的穩(wěn)定運行．為了研究混合氣在高當量比情況下的著火問題，開展了50%CO/50%H2合成氣預混高當量比著火極限條件下湍流強度對火焰初始發(fā)展階段的影響研究．

(1) 在輸入系統(tǒng)的點火能量恒定時，層流環(huán)境下50%CO/50%H2合成氣在高當量比時火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著當量比的增加而減小，在當量比為5.9時火焰不能正常傳播發(fā)展，層流著火極限當量比為5.8．

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Experimental Study on Ignition of High-equivalence-ratio Syngas Under Turbulent Conditions

Li Lei，Li Guoxiu，Li Hongmeng，Jiang Yanhuan

(School of Mechanical，Electronic and Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)

To study the influence of the turbulent environment on the initial development stage of a flame under high-equivalence-ratio-limit conditions，a number of turbulence combustion experiments using 50%CO/50%H2syngas in a turbulent constant-volume combustion device atnormal atmospheric temperature and pressure were performed.Thechanging rules and influential factorsof the flame equivalent radius and flame propagation speed were studied. Results show that underlaminar conditions，the flame propagation speed decreased first and then increased，and decreased with the growing equivalence ratio，andthe limit ignition equivalent ratio of the syngas was 5.8；increasein theinitial turbulence intensity canextend the ignition limit of acombustible mixtureat a high equivalence ratio；the flame equivalent radius increased with the increase of turbulence intensity，andthe flame propagation speed increased with the increase of turbulence intensity under high-equivalence-ratio ignition limit conditions. Overall，the flame propagation speed showed a trend of decreasing first and then increasingin the same turbulence intensity environment.

inflammability limit；turbulence intensity；equivalent radius；flame propagation speed

TK431

A

1006-8740(2019)01-0031-06

10.11715/rskxjs.R201804030

2018-04-12．

國家自然科學基金資助項目(51706014)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費資助項目(2017JBZ102，2017JBM049)；中國博士后科學基金資助項目(2017M610757).

李?雷（1992—??），男，博士研究生，lei_li@bjtu.edu.cn.

李國岫，男，博士，教授，Li_guoxiu@yahoo.com.