相龍凱, 牙宇晨, 聶曉康, 任 飛, 柯 偉, 楚化強(qiáng)

(安徽工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院, 安徽 馬鞍山 243002)

0 引 言

作為新型可再生能源的重要部分，天然氣在未來(lái)幾十年內(nèi)的需求量將不斷增加，預(yù)計(jì)到2040年可再生能源的需求增量將占全球能源需求增量的85%[1]，尤其是交通運(yùn)輸行業(yè)，天然氣已經(jīng)取代石油類產(chǎn)品成為部分汽車的主要燃料。天然氣的組成成分因產(chǎn)地不同而有所差異，但總的來(lái)說(shuō)，其主要組分包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等碳?xì)浠衔顲nHm(n≥1，m≥1)以及微量的氫氣、硫化氫、二氧化碳和氮?dú)?。雖然因產(chǎn)地不同，天然氣組成成分占比略有變化，但總體上甲烷(CH4)在天然氣中的總體比重達(dá)到85%～98%[2-4]。因此，對(duì)甲烷的燃燒特性進(jìn)行分析從而提高天然氣的燃燒效率有著重要意義。

層流預(yù)混燃燒是湍流燃燒研究的基礎(chǔ)，而層流燃燒速度作為表征燃料/氧化劑混合物整體燃燒的基本特性之一，是確定燃燒傳播模型和驗(yàn)證化學(xué)反應(yīng)機(jī)理構(gòu)建的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。此外，層流燃燒速度還可用于火焰建模、計(jì)算總反應(yīng)級(jí)數(shù)和表觀活化能，所以精確測(cè)量甲烷層流火焰?zhèn)鞑ニ俣染哂兄匾饬x。測(cè)量甲烷層流燃燒速度時(shí)，要保證所測(cè)量的火焰為層流預(yù)混火焰。因此，對(duì)甲烷/空氣燃燒流場(chǎng)進(jìn)行觀測(cè)非常重要。

紋影技術(shù)最早由Toepler提出，后被廣泛應(yīng)用于觀測(cè)火焰的燃燒。作為非接觸式的光學(xué)測(cè)量方法，在進(jìn)行火焰溫度場(chǎng)測(cè)量以及獲取燃料層流火焰?zhèn)鞑ニ俣确矫娴玫搅藦V泛的應(yīng)用[5-10]，為燃燒研究奠定了基礎(chǔ)。

目前，國(guó)內(nèi)外已有眾多學(xué)者在甲烷層流預(yù)混火焰實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方面開(kāi)展了研究。Drrenberger等[2]采用熱流量法對(duì)天然氣以及C1～C4烷烴平面火焰在不同摻氫比下的層流燃燒速度進(jìn)行了測(cè)量，并總結(jié)推導(dǎo)出適用于純?nèi)剂虾突旌先剂系膶恿魅紵俣冉?jīng)驗(yàn)公式。張楊竣等[11]利用標(biāo)高法、攝影高度法和攝影角度法結(jié)合數(shù)值模擬，分析了8種不同組分的天然氣的法向火焰?zhèn)鞑ニ俣?，結(jié)果表明，攝影高度法更能真實(shí)反映實(shí)驗(yàn)測(cè)試值，與模擬值和文獻(xiàn)參考值較接近。Hu等[12]采用本生燈和Chemkin模擬計(jì)算了初始溫度為300 K、初始?jí)毫?05Pa時(shí)甲烷在O2/N2和O2/CO2這2種條件下的層流燃燒速度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，O2/CO2下的甲烷層流燃燒速度小于其在O2/N2下的層流燃燒速度；此外，O2/CO2下的燃燒反應(yīng)物、重要中間產(chǎn)物濃度變低，火焰厚度變厚。Dong等[13]使用本生燈法測(cè)量了H2/CO/Air的層流燃燒速度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明H2對(duì)混合燃料層流燃燒速度的影響大于CO的影響。Zhen等[14]使用本生燈法測(cè)量了沼氣(CH4: 40%～60%，CO2: 60%～40%)/H2的層流燃燒速度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明H2的添加提高了沼氣火焰的穩(wěn)定性。王金華等[15]在定容彈上利用高速攝影紋影法開(kāi)展了不同噴射壓力和背壓下的天然氣高壓噴射射流特性試驗(yàn)研究，揭示了不同噴射壓力和背壓下的射流貫穿距離、射流錐角和射流體積隨時(shí)間變化的規(guī)律。李華等[16]基于紋影法的工作原理和刀口進(jìn)給量與紋影圖像的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 分別討論了刀口方向選擇、焦點(diǎn)位置確定和刀口切入量設(shè)置對(duì)甲烷層流預(yù)混燃燒火焰觀測(cè)的影響，為合理使用紋影系統(tǒng)進(jìn)行流場(chǎng)可視化測(cè)量提供借鑒和參考。Ren等[17]利用Chemkin研究了H2在不同初始溫度和壓力下對(duì)CH4燃燒特性的影響。Xiang等[18]使用Chemkin研究了摻混CO2對(duì)CH4/Air燃燒特性的影響，分析了CO2含量對(duì)中間重要自由基CH3，O，OH，H濃度的影響。周昊等[10]應(yīng)用紋影技術(shù)對(duì)本生燈預(yù)混火焰溫度場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，使用迭代算法得到火焰的溫度場(chǎng)分布。王根娟等[19]使用背景紋影法對(duì)CH4/Air本生燈火焰進(jìn)行了觀測(cè)，使用多種算法獲得甲烷火焰的溫度分布圖。李興虎等[20]使用本生燈結(jié)合紋影法對(duì)氮?dú)庀♂尩谋閷恿魅紵俣冗M(jìn)行了測(cè)量。關(guān)于甲烷層流預(yù)混燃燒特性以及紋影法觀測(cè)火焰流場(chǎng)的研究已有很多，但是對(duì)于甲烷層流燃燒速度及對(duì)應(yīng)的火焰外部流場(chǎng)系統(tǒng)的觀測(cè)研究較少。為進(jìn)一步揭示其流場(chǎng)分布特性、獲得CH4/N2/Air的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，本文采用本生燈法與數(shù)值模擬法測(cè)量不同氮?dú)鈸交炝繒r(shí)甲烷層流燃燒速度，系統(tǒng)分析誤差形成的原因。此外，結(jié)合紋影法觀測(cè)當(dāng)量比對(duì)甲烷層流火焰外部流場(chǎng)的影響，并對(duì)N2的添加造成甲烷層流預(yù)混火焰外部流場(chǎng)變化的原因進(jìn)行定性分析。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與測(cè)量方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1為甲烷層流燃燒速度測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)主要由本生燈、圖像采集系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)和流量控制系統(tǒng)組成。本生燈出口直徑為6 mm，為保證出口氣體為層流，本生燈整體高度大于50倍出口直徑。

從高壓燃料氣瓶導(dǎo)出的甲烷通過(guò)高精度流量計(jì)后，與高壓氣瓶提供的不同比例的O2/N2在預(yù)混室進(jìn)行預(yù)混，然后經(jīng)管道進(jìn)入本生燈，在噴口處形成穩(wěn)定的錐形火焰。觀察火焰待其穩(wěn)定并使用CCD相機(jī)獲得火焰圖像，利用Matlab軟件計(jì)算得到層流燃燒速度。

圖1 層流燃燒速度測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

紋影儀的原理為：通過(guò)設(shè)置狹縫使光源近似點(diǎn)光源，并利用凸透鏡和反射鏡提供一束平行的檢測(cè)光。點(diǎn)光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)流場(chǎng)(如火焰、噴霧等)時(shí)，由于流場(chǎng)中密度的不均勻使得光線發(fā)生偏折，通過(guò)調(diào)節(jié)刀口大小就可以改變光的明亮程度，從而獲得流場(chǎng)中的密度、溫度等信息，這樣就把流場(chǎng)對(duì)光的擾動(dòng)信息記錄為光強(qiáng)分布圖像，利用CCD相機(jī)即可獲得流場(chǎng)變化圖像，如圖2所示。

圖2 紋影裝置示意圖

1.2 層流燃燒速度測(cè)量方法

在層流燃燒速度測(cè)量過(guò)程中，火焰面的選擇非常重要，選取的面積要盡可能覆蓋全部火焰的區(qū)域。一般而言，火焰面可分為3個(gè)火焰層面[13]：紋影面、陰影面內(nèi)邊界面、可視邊界面，分別對(duì)應(yīng)紋影區(qū)、陰影區(qū)和可見(jiàn)區(qū)，如圖3所示。根據(jù)未燃混合氣層流燃燒速度的定義，火焰面應(yīng)為未燃區(qū)域與已燃區(qū)域間的薄層,即未燃混合氣下游的邊界面。由于陰影面的內(nèi)邊界面或者紋影面更接近于未燃區(qū)的邊界面，因此，這2個(gè)面較多被用來(lái)測(cè)量層流燃燒速度，尤其是在陰影區(qū)的內(nèi)邊界面上測(cè)得的速度更為準(zhǔn)確。

本生燈形成的是2D軸對(duì)稱的圓錐形火焰，其穩(wěn)定在扁焰燃燒器或者直圓柱管的唇口。這種圓錐形的火焰會(huì)受到流體動(dòng)力學(xué)拉伸(火焰表面的切向速度梯度)和彎曲變形(即錐形火焰頂端存在一定的弧度,而非標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)點(diǎn))的影響。采用本生燈法測(cè)量層流燃燒速度時(shí)常忽略拉伸對(duì)火焰的影響。實(shí)際測(cè)量中有2種方法可用來(lái)降低這種拉伸對(duì)錐形火焰的影響：火焰全面積法和火焰角度法，本文采用火焰全面積法測(cè)量層流燃燒速度，即：

圖3 本生燈3種標(biāo)準(zhǔn)火焰邊界面圖

(1)

其中Su為面積權(quán)重的層流燃燒速度，Q為預(yù)混氣體的質(zhì)量流率，ρ為混合氣體密度，A為已選定測(cè)量的整個(gè)火焰面積。

圖4 層流預(yù)混火焰圖像處理過(guò)程

1.3 實(shí)驗(yàn)誤差分析

在進(jìn)行本生燈全面積法測(cè)量層流燃燒速度的過(guò)程中，測(cè)量誤差δL主要是由氣體總流量的誤差δQ和火焰面積計(jì)算時(shí)產(chǎn)生的誤差δA造成的。預(yù)混氣體總流量的誤差是由甲烷流量誤差δCH4(流量計(jì)精度為設(shè)定點(diǎn)的±2%)、氧氣流量計(jì)誤差δO2和氮?dú)饬髁坑?jì)誤差δN2(流量計(jì)精度為設(shè)定點(diǎn)的±1%)決定。根據(jù)誤差傳遞原理，采用文獻(xiàn)[21-22]中的誤差計(jì)算方法，即可求出氣體總流量誤差δQ：

(2)

火焰面積的誤差主要是由相機(jī)分辨率和圖像處理方法造成的。通過(guò)對(duì)火焰內(nèi)邊界最大梯度點(diǎn)的相鄰點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，得出誤差約為4.5%。

層流燃燒速度總的計(jì)算誤差為：

(3)

計(jì)算可得層流燃燒速度的誤差約為6%。

1.4 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)定

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燃料流量過(guò)大時(shí)，為達(dá)到相同的當(dāng)量比，需要更大的空氣流量，容易導(dǎo)致火焰被吹飛且難以點(diǎn)燃，不利于實(shí)驗(yàn)開(kāi)展；當(dāng)燃料流量過(guò)小時(shí)，火焰較小不易進(jìn)行火焰邊緣提取，且可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的當(dāng)量比范圍也較小(當(dāng)量比過(guò)大時(shí)火焰形狀在紋影系統(tǒng)中難以顯示)。因此，為獲得較好的甲烷/空氣層流火焰外部流場(chǎng)的分布情況，在經(jīng)過(guò)多組實(shí)驗(yàn)考察后，選擇甲烷流量為280 mL/min，當(dāng)量比Φ范圍為0.90～1.60，間隔0.05，如表1所示。在摻混氮?dú)鈺r(shí)， 繼續(xù)選用甲烷流量為280 mL/min會(huì)吹飛火焰，因此本文選擇甲烷流量為260 mL/min進(jìn)行摻混氮?dú)鈱?shí)驗(yàn)，如表2和3所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 甲烷/氮?dú)?空氣層流燃燒速度

圖5給出了摻混不同含量氮?dú)獾募淄?空氣燃燒層流燃燒速度。由圖可知，隨著當(dāng)量比增加，層流燃燒速度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，即在微富燃時(shí)(Φ=1.05)層流燃燒速度達(dá)到最大值，且3種工況下層流燃燒速度最大值均出現(xiàn)在當(dāng)量比為1.05時(shí)。隨著氮?dú)夂康脑黾樱瑢恿魅紵俣认陆?，這是因?yàn)閷恿魅紵俣戎饕Q于火焰中H自由基濃度，H濃度越高，層流燃燒速度越大，絕熱火焰溫度越高。

不同摻氮比下燃燒過(guò)程中H摩爾分?jǐn)?shù)的變化情況如圖6所示。由表1～3及圖6可知，摻混氮?dú)夂?，甲烷含量降低，造成甲烷氧化過(guò)程中H的最大值隨之降低。隨著氮?dú)獾脑黾?，H的生成時(shí)間有所提前，但變化幅度不大。在不摻混氮?dú)獾那闆r下，GRI 3.0[23]與Sandiego[24]機(jī)理的模擬結(jié)果相差較大，GRI 3.0預(yù)測(cè)的結(jié)果與本文實(shí)驗(yàn)值吻合較好。當(dāng)量比為1.15時(shí)，實(shí)驗(yàn)值與模擬值相差約為9%，分析其原因，可能是氣流導(dǎo)致的火焰不穩(wěn)定而在火焰面邊緣提取時(shí)產(chǎn)生較大的誤差，以及長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致噴口溫度過(guò)高。由圖5還可以看出，當(dāng)量比從1.20增至1.30，層流燃燒速度下降幅度最大，當(dāng)量比每增加0.05，層流燃燒速度下降約5 cm/s。在當(dāng)量比大于1.20時(shí)，Dirrenberger等[25]的結(jié)果與本文結(jié)果偏差較大；本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果總體趨勢(shì)與文獻(xiàn)[26-28]的結(jié)果吻合較好。當(dāng)?shù)獨(dú)鈸交鞛?0%時(shí)，本文的結(jié)果與文獻(xiàn)[26]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。當(dāng)?shù)獨(dú)夂刻岣叩?0%時(shí)，甲烷層流燃燒速度有較大幅度的降低，且當(dāng)量比大于1.20時(shí)，實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果吻合較好。

圖5 甲烷/氮?dú)?空氣層流燃燒速度

圖6 不同摻氮比下的H摩爾分?jǐn)?shù)

表1 甲烷/空氣層流預(yù)混火焰實(shí)驗(yàn)工況

Table 1 Experimental data for CH4/Air laminar premixed flame

表2 甲烷流量為260 mL/min、摻混20%氮?dú)鈺r(shí)實(shí)驗(yàn)工況

表3 甲烷流量為260 mL/min、摻混40%氮?dú)鈺r(shí)實(shí)驗(yàn)工況

2.2 紋影法觀測(cè)甲烷/空氣層流預(yù)混火焰外部流場(chǎng)

圖7展示了利用紋影法觀測(cè)到的火焰流場(chǎng)圖像?？梢钥吹?，火焰在噴口處，在紋影圖中看起來(lái)為“凹陷”進(jìn)去的部分，火焰外部流場(chǎng)為火焰上方“凸”出來(lái)的部分。

開(kāi)展了8組不同工況下的實(shí)驗(yàn),甲烷流量為280 mL/min，當(dāng)量比范圍為0.90～1.60。實(shí)驗(yàn)時(shí),待錐形火焰穩(wěn)定后，每組工況拍攝50張照片，圖8給出了8種工況下錐形火焰的紋影圖像。

由圖8可知，甲烷流量保持一定，改變空氣流量，當(dāng)量比從0.90增加到1.00時(shí)，火焰高度降低，此時(shí)層流燃燒速度隨著當(dāng)量比的增加而增大。當(dāng)量比從1.00增加到1.60時(shí)，火焰高度逐漸升高，火焰與本生燈燒嘴水平面的傾斜角也逐漸增大，當(dāng)量比為1.00時(shí)錐形火焰的高度最低。當(dāng)量比超過(guò)1.60時(shí)，錐形火焰的尖端容易發(fā)生跳動(dòng)，火焰極難穩(wěn)定，且易熄滅，熄滅后難以點(diǎn)燃。由圖8還可以看出，對(duì)于任意當(dāng)量比，層流預(yù)混火焰外部流場(chǎng)的底端(上游)都呈現(xiàn)出均勻的層流分布，而在火焰上方流場(chǎng)(下游)會(huì)出現(xiàn)2種情況：一是變得不穩(wěn)定、紊亂，二是整個(gè)流場(chǎng)都能達(dá)到穩(wěn)定層流的情況，具體分布情況與當(dāng)量比、摻氮比有關(guān)。

圖7 紋影圖中火焰位置和外部流場(chǎng)位置

圖8 甲烷流量為280 mL/min時(shí)，不同當(dāng)量比下的層流預(yù)混火焰紋影

Fig.8 Laminar premixed flame schlieren photographs at different equivalence ratios with the methane flow rate of 280 mL/min

當(dāng)甲烷流量為280 mL/min、當(dāng)量比為0.90～1.60時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)抽樣的方法從每組拍攝的50張照片中選取5張，如圖9所示。

由以上各個(gè)工況下的甲烷/空氣層流預(yù)混火焰紋影圖像可知，在控制燃料不變、通過(guò)改變空氣流量來(lái)改變當(dāng)量比時(shí)，隨著當(dāng)量比的增加，甲烷/空氣層流預(yù)混火焰的外部流場(chǎng)先由穩(wěn)定變得紊亂，之后再次達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，但在當(dāng)量比為1.60時(shí)，火焰兩側(cè)有向內(nèi)凹陷的趨勢(shì)。當(dāng)量比從0.90增加到1.00，火焰下游流場(chǎng)變得不穩(wěn)定，當(dāng)量比從1.00逐漸增加到1.60，屬于富燃料燃燒，火焰流場(chǎng)逐漸變得穩(wěn)定。分析其原因，我們認(rèn)為，隨著當(dāng)量比的增加，混合氣體的總流量減少，導(dǎo)致噴口處的混合氣體流速和火焰外部流場(chǎng)處的氣體流速變化梯度降低，使得火焰外部流場(chǎng)處于層流狀態(tài)，因此外部流場(chǎng)更容易達(dá)到穩(wěn)定。此外，在化學(xué)當(dāng)量比時(shí)(Φ=1.05)，火焰溫度最高，此時(shí)火焰與外界環(huán)境溫差最大，導(dǎo)致溫度梯度增加，使得下游流場(chǎng)不穩(wěn)定。

圖9 甲烷流量為280 mL/min時(shí)，不同當(dāng)量比下的層流預(yù)混火焰紋影

Fig.9 Laminar premixed flame schlieren photographs at different equivalence ratios with the methane flow rate of 280 mL/min

2.3 紋影法觀測(cè)甲烷/氮?dú)?空氣層流預(yù)混火焰外部流場(chǎng)

2.3.1 摻混20%氮?dú)鈺r(shí)火焰外部流場(chǎng)

當(dāng)甲烷流量為260 mL/min、摻入20%氮?dú)?、?dāng)量比為1.00～1.40時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)抽樣的方法從每組拍攝的50張照片中選取5張，如圖10所示。

由圖10紋影圖像可知，相較于未摻混氮?dú)?，在摻?0%氮?dú)夂?，?dāng)量比為1.40時(shí)，兩側(cè)就開(kāi)始出現(xiàn)凹陷現(xiàn)象，由此可見(jiàn)，摻混氮?dú)馐沟眉淄閷恿骰鹧娴姆€(wěn)定性降低。與未摻混氮?dú)庀啾龋瑩交斓獨(dú)庵蟮幕鹧嫦掠瓮獠苛鲌?chǎng)明顯變得更加紊亂，難以達(dá)到穩(wěn)定的層流狀態(tài)。在火焰中游處，流場(chǎng)變成有規(guī)律的擾動(dòng)狀態(tài)，但火焰上游流場(chǎng)均能保持穩(wěn)定層流狀態(tài)，這表明摻混20%氮?dú)獠焕陬A(yù)混層流火焰外部流場(chǎng)的穩(wěn)定。分析其原因可知，摻混20%的氮?dú)鈺r(shí)，絕熱火焰溫度降低幅度并不太大，未參與反應(yīng)的氮?dú)獾竭_(dá)火焰下游時(shí)，造成下游流場(chǎng)與外界環(huán)境的溫度梯度過(guò)大，使得火焰下游流場(chǎng)變得有規(guī)律地波動(dòng)。

2.3.2 摻混40%氮?dú)鈺r(shí)火焰外部流場(chǎng)

當(dāng)甲烷流量為260 mL/min、摻入40%氮?dú)?、?dāng)量比為1.00～1.30時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)抽樣的方法從每組拍攝的50張照片中選取5張，如圖11所示。

由圖11可知，氮?dú)鈸交?0%、當(dāng)量比提前到1.30時(shí)，火焰兩側(cè)就出現(xiàn)了“向內(nèi)凹陷”的情況。結(jié)合圖9～11可知，摻混氮?dú)庠蕉?，甲烷層流火焰能穩(wěn)定燃燒的當(dāng)量比范圍越小，即，摻混氮?dú)饨档土舜螽?dāng)量比時(shí)的火焰穩(wěn)定性。此外，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的當(dāng)量比范圍內(nèi)，火焰外部流場(chǎng)均較為穩(wěn)定。雖然部分火焰下游流場(chǎng)不穩(wěn)定(可能是因外界條件所致)，但火焰上游流場(chǎng)穩(wěn)定。我們推測(cè)，當(dāng)?shù)獨(dú)鈸交毂冗_(dá)到40%時(shí)，在燃燒過(guò)程中摻混的氮?dú)饬枯^多，吸收部分反應(yīng)熱，使得火焰溫度降低幅度較大，導(dǎo)致下游溫度梯度降低，從而火焰下游流場(chǎng)穩(wěn)定。比較摻混20%和40%氮?dú)獾慕Y(jié)果可知，當(dāng)量比相同時(shí)，摻混的氮?dú)獍俜直仍礁?，?duì)預(yù)混層流火焰外部流場(chǎng)的穩(wěn)定越有利，火焰下流流場(chǎng)越能趨于穩(wěn)定。當(dāng)摻混40%氮?dú)?、?dāng)量比超過(guò)1.30時(shí)，火焰難以達(dá)到穩(wěn)定，焰尖一直跳動(dòng)，因此不再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖10 甲烷摻混20%氮?dú)?、?dāng)量比為1.00～1.40時(shí)，甲烷/氮?dú)?空氣層流預(yù)混火焰外部流場(chǎng)紋影

Fig.10 Methane/N2/Air laminar premixed flame external field photograph with blending 20% N2atΦ=1.10～1.40

圖11 甲烷摻混40%氮?dú)?、?dāng)量比為1.00～1.30時(shí)，甲烷/氮?dú)?空氣層流預(yù)混火焰外部流場(chǎng)紋影

Fig11 Methan/N2/Air laminar premixed flame external field photograph with blending 40% N2atΦ=1.00～1.30

3 結(jié) 論

采用本生燈-紋影實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，探究了不同當(dāng)量比、不同燃料流量下甲烷預(yù)混層流火焰的層流燃燒速度、火焰大小以及火焰外部流場(chǎng)的分布，并分析了氮?dú)鈸交鞂?duì)甲烷/空氣預(yù)混層流火焰燃燒特性的影響。主要結(jié)論如下：

(1) 對(duì)于甲烷/空氣層流預(yù)混火焰，隨著當(dāng)量比的增大，錐形火焰的高度均會(huì)呈現(xiàn)出先降低后升高的變化趨勢(shì)，當(dāng)量比過(guò)低時(shí)易發(fā)生回火現(xiàn)象，當(dāng)量比過(guò)大易發(fā)生熄滅現(xiàn)象，而層流火焰的外部流場(chǎng)均會(huì)隨著當(dāng)量比的增加而變得穩(wěn)定。

(2) 對(duì)于甲烷/空氣層流預(yù)混火焰，其一維傳播速度隨當(dāng)量比的增加呈現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢(shì)，層流預(yù)混燃燒速度在當(dāng)量比為1.05附近達(dá)到最大值；而當(dāng)量比一定時(shí)，改變?nèi)剂系牧髁看笮?，層流燃燒速度變化不大?/p>

(3) 氮?dú)鈸交焓沟眉淄?空氣層流燃燒速度降低。摻混比越大，層流燃燒速度越低；氮?dú)鈸交焓沟缅F形火焰高度增加，但摻混比對(duì)于火焰高度、大小影響不大；隨著摻混比增大，火焰外部流場(chǎng)有著先紊亂后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。