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        垂直圓管內(nèi)摻氫甲烷燃燒不穩(wěn)定性研究

        2022-11-13 07:32:52吳一溫小萍張素梅郭志東鄧浩鑫紀(jì)文濤
        化工學(xué)報 2022年10期
        關(guān)鍵詞:鋒面不穩(wěn)定性氫氣

        吳一,溫小萍,張素梅,郭志東,鄧浩鑫,紀(jì)文濤

        (1 河南理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院,河南 焦作 454003; 2 重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實驗室,重慶 400044; 3 河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,河南 焦作 454003)

        引 言

        如何應(yīng)對傳統(tǒng)化石能源的枯竭,已經(jīng)成為世界各國為解決可持續(xù)發(fā)展而面對的難題[1]。氫能和甲烷作為可再生的清潔能源,都展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。然而,由于甲烷和氫氣自身的燃燒特性,例如甲烷的點(diǎn)火能量高,燃燒速度低[2-3],而氫氣的點(diǎn)火能量極低,在存儲和運(yùn)輸時都有很高的爆炸風(fēng)險[4-5],這些都制約了氫氣和甲烷的進(jìn)一步充分利用。Law 等[6]提出,在氫氣中加入少量的碳?xì)浠衔锟梢杂行У亟档蜌錃夥磻?yīng)伴隨的風(fēng)險。同時有很多研究表明,在甲烷中添加氫氣可以極大地改變其燃燒特性,使其點(diǎn)火能量降低且燃燒更加充分[7-11],兩者的缺點(diǎn)互相彌補(bǔ)展現(xiàn)出的良好燃燒性能具有非常實際的研究意義。

        摻氫甲烷預(yù)混氣體的利用與輸送管道緊密相關(guān),如果發(fā)生泄漏極易發(fā)生爆炸事故[12]。而在發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等其他燃燒器中,預(yù)混氣體在燃燒時往往伴隨著多種不穩(wěn)定現(xiàn)象,例如由于已燃?xì)怏w的膨脹作用而產(chǎn)生的Darrieus-Landau(D-L)不穩(wěn)定性[13];由于已燃與未燃?xì)怏w間存在的密度差在壓力梯度作用下產(chǎn)生的Rayleigh-Taylor (R-T)不穩(wěn)定性[14];燃燒器聲學(xué)與不穩(wěn)定燃燒相互耦合而產(chǎn)生的熱聲不穩(wěn)定[15-16]等。其中由于熱聲不穩(wěn)定產(chǎn)生的超壓和火焰的高頻振蕩,是眾多燃燒器在實現(xiàn)安全平穩(wěn)運(yùn)行時需要面對的重大挑戰(zhàn)。因此,對于燃燒管道內(nèi)的火焰不穩(wěn)定性振蕩以及火焰與壓力間的耦合機(jī)制成為眾多學(xué)者對火焰動力學(xué)研究的重點(diǎn)。

        Searby 等[17]在半開口管道中研究了預(yù)混火焰與聲學(xué)的相互影響,發(fā)現(xiàn)隨著火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊奶岣撸鹧嬖诠艿纼?nèi)傳播時變得愈發(fā)不穩(wěn)定,并開始由平滑的彎曲火焰向湍流火焰轉(zhuǎn)變。在后續(xù)研究中,Searby[18]將這種火焰由開口端向閉口端傳播時出現(xiàn)的兩種熱聲不穩(wěn)定現(xiàn)象稱為初級(一次)不穩(wěn)定(由細(xì)胞狀火焰變?yōu)槠交膹澢鹧妫┖痛渭墸ǘ危┎环€(wěn)定(由平滑的彎曲火焰轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧骰鹧妫?,并且兩種不穩(wěn)定現(xiàn)象在出現(xiàn)時都伴隨著火焰的振蕩。Clanet 等[19]對初級不穩(wěn)定出現(xiàn)的原因進(jìn)行了研究,指出在預(yù)混氣體條件下,由于已燃?xì)怏w與未燃?xì)怏w間存在密度差,聲波的加速傳播將兩者相互分離,對火焰鋒面的形狀產(chǎn)生了影響。Aldredge 等[20]在環(huán)形燃燒器中對預(yù)混層流火焰的傳播進(jìn)行了研究,測定了初級和次級不穩(wěn)定出現(xiàn)的臨界層流燃燒速度。Yoon 等[21]研究了火焰鋒面面積對初級不穩(wěn)定性振蕩的影響,認(rèn)為火焰鋒面面積的改變對初級不穩(wěn)定性振蕩的影響取決于特定當(dāng)量比。Dubey 等[22]對開口管道中火焰?zhèn)鞑コ霈F(xiàn)的次級不穩(wěn)定性振蕩的增長速率進(jìn)行了測量,發(fā)現(xiàn)低Lewis 數(shù)的混合物具有更強(qiáng)的不穩(wěn)定性。Dubey 等[23]在另外的研究中,通過改變管道的幾何參數(shù),發(fā)現(xiàn)長徑比較大的管道具有更高的不穩(wěn)定性,且次級不穩(wěn)定性振蕩對管道幾何參數(shù)的變化更加敏感。

        許多學(xué)者研究了預(yù)混氣體組分濃度的變化對火焰燃燒特性帶來的影響。韋雙明等[24]在定容燃燒彈中研究了氫氣∕二甲醚∕甲烷預(yù)混氣體的燃燒特性,發(fā)現(xiàn)壓力峰值和火焰?zhèn)鞑ニ俣染S氫氣濃度的增加而遞增,而增加甲烷和二甲醚的濃度后實驗結(jié)果相反,并且甲烷和氫氣的濃度直接決定了燃燒時間的長短。鄭立剛等[25]在透明方管中開展了氫氣∕空氣預(yù)混氣體的燃燒特性研究,發(fā)現(xiàn)氫氣濃度和點(diǎn)火位置對火焰鋒面形狀有顯著影響,并且氫氣濃度對超壓峰值和壓力波形的影響程度要遠(yuǎn)大于點(diǎn)火位置。

        現(xiàn)有的研究對預(yù)混火焰的初級(一次)和次級(二次)不穩(wěn)定性振蕩出現(xiàn)的原因進(jìn)行了較為深入的探討,對不穩(wěn)定性振蕩的影響因素進(jìn)行了多種理論分析,對于火焰?zhèn)鞑ミ^程中壓力和聲波的耦合關(guān)系取得了一定的研究進(jìn)展。但是,現(xiàn)有大多數(shù)研究采用的預(yù)混氣體與工業(yè)和生活中實際應(yīng)用的氣體成分有較大的差別,對摻氫甲烷預(yù)混火焰?zhèn)鞑ミ^程中不穩(wěn)定性振蕩規(guī)律的相關(guān)研究較少,對于爆炸超壓和火焰形態(tài)的耦合研究有待進(jìn)一步完善。針對以上不足,本文進(jìn)行了相關(guān)研究,通過改變摻氫甲烷預(yù)混氣體中氫氣的體積分?jǐn)?shù),分析其對火焰?zhèn)鞑ミ^程中不穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響,對于摻氫甲烷預(yù)混氣體的安全利用具有實際意義。

        1 實驗裝置和方法

        實驗裝置如圖1 所示,燃燒管道半徑r= 30 mm,管長L= 600 mm,垂直放置,管道采用30 mm 厚透明亞克力材料來觀察火焰鋒面變化過程。管道上端使用PVC 薄膜密封,在火焰?zhèn)鞑r薄膜受到超壓后破裂,視為開口端。管道底部使用10 mm 厚不銹鋼板密封,視為閉口端。點(diǎn)火系統(tǒng)由截面積為0.2 mm2的點(diǎn)火電極和壓電式點(diǎn)火器組成,點(diǎn)火點(diǎn)位于管道頂部圓心處。根據(jù)以往的研究[26-29],火焰在燃燒管道頂部開口端被點(diǎn)燃,向下傳播到封閉端的過程中,更容易受到Darrieus-Landau(D-L)不穩(wěn)定性以及熱聲不穩(wěn)定性的影響,火焰?zhèn)鞑ミ^程中呈現(xiàn)出的變化更加豐富。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由壓力傳感器和高速攝像機(jī)組成。壓力傳感器測量范圍為-0.10 ~0.25 MPa,精度0.25% FS,響應(yīng)頻率200 kHz,安裝在管道底部不銹鋼板上。高速相機(jī)用來記錄火焰形狀和位置,采用美國Phantom 公司生產(chǎn)的MIRO M310 型高速攝像機(jī),拍攝頻率為1000 s-1。燃?xì)馀錃庀到y(tǒng)由甲烷、氫氣、空氣壓縮機(jī)和ALICAT 21系列的氣體質(zhì)量流量控制器組成。

        圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device

        實驗前首先由式(1)計算出化學(xué)當(dāng)量比下不同工況的氫氣體積分?jǐn)?shù)γ。

        式中,VH2和VCH4分別為H2和CH4的體積。不同工況下甲烷∕氫氣∕空氣的體積比如表1 所示。實驗時將管道開口使用PVC 薄膜密封,在通氣時打開進(jìn)出口閥門,通氣過程中保持管道內(nèi)壓力為大氣壓。在流量計示數(shù)穩(wěn)定后開始計時,當(dāng)通入的預(yù)混氣體體積大于管道容積5 倍時,認(rèn)為預(yù)混氣體已將管道完全充滿[30-31]。通氣結(jié)束后迅速關(guān)閉進(jìn)出口閥門并將預(yù)混氣體靜置2 min,以避免氣體擾動的影響。在實驗結(jié)束后通入5 min 空氣,確保將上組實驗殘留氣體完全排出。為保證實驗的準(zhǔn)確性,每組實驗重復(fù)三次。

        表1 實驗工況Table 1 Experimental conditions

        2 實驗結(jié)果與討論

        2.1 火焰結(jié)構(gòu)分析

        本實驗采用長度為600 mm圓形管道,由于管道兩端有30 mm 厚法蘭結(jié)構(gòu)會對火焰圖像產(chǎn)生影響,因此取去除法蘭結(jié)構(gòu)后540 mm管道圖像進(jìn)行分析,定義圖像接近開口位置的上端為540 mm,接近閉口位置的下端為0 mm,點(diǎn)火時刻定義為0 ms,以γ=30%和γ=50%工況為例,圖2 展示了火焰整體傳播過程。早期的研究[32-33]揭示了圓形和環(huán)形截面管道內(nèi),火焰由開口端向下傳播到封閉端過程中可能會出現(xiàn)的四種傳播階段,如圖3 所示。階段A:火焰在開口端被點(diǎn)燃,在泄爆氣流的干擾結(jié)束后,由于D-L 不穩(wěn)定性,火焰鋒面出現(xiàn)胞狀褶皺。階段B:隨著火焰的繼續(xù)傳播,縱向聲波的加強(qiáng)削弱了火焰鋒面的胞狀振蕩[32],平滑的彎曲火焰在此階段出現(xiàn)。階段C:隨著燃燒反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行,反應(yīng)溫度提高,熱聲不穩(wěn)定性逐漸發(fā)展,火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌欤^大尺寸的胞狀結(jié)構(gòu)重新在火焰鋒面上出現(xiàn)。階段D:火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M(jìn)一步加快,胞狀火焰結(jié)構(gòu)發(fā)生大尺度振蕩并逐漸演化為湍流傳播。

        圖2 火焰?zhèn)鞑ミ^程示意圖Fig.2 Schematic diagram of flame propagation process

        圖3 四種火焰?zhèn)鞑ルA段(圖片來自于不同的實驗工況)Fig.3 Four flame propagation stages(pictures from different experimental conditions)

        然而在A~D 四種火焰?zhèn)鞑ルA段中,平滑的彎曲火焰(階段B)是否會受到預(yù)混氣體中氫氣體積分?jǐn)?shù)的影響。圖4 展示了氫氣體積分?jǐn)?shù)γ不同時火焰?zhèn)鞑ミ^程中代表性的圖像,可以看出,對于γ=30%和40%的工況,點(diǎn)火后火焰鋒面短暫地發(fā)展為球形火焰,此時開口處PVC 薄膜還未破裂。隨著火焰繼續(xù)向下傳播,PVC 薄膜破裂,火焰鋒面出現(xiàn)胞狀火焰,火焰尺寸約為17 mm(階段A),并且在傳播過程中出現(xiàn)不穩(wěn)定振蕩?;鹧孢M(jìn)一步向下傳播,胞狀結(jié)構(gòu)尺寸迅速增大到約51 mm,隨著燃燒速度的加快胞狀火焰振幅增加(階段C),相鄰的胞狀結(jié)構(gòu)相互融合,形成兩到三股連續(xù)的大尺寸胞狀火焰,在持續(xù)的振蕩下胞狀結(jié)構(gòu)的邊界變得模糊,最終發(fā)展為完全湍流(階段D),此后火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M(jìn)一步增加,直至傳播到封閉端。

        圖4 γ =30%、40%、50%、60%、70%時火焰?zhèn)鞑ミ^程代表性圖像Fig.4 Representative images of flame propagation process at γ =30%,40%,50%,60%,70%

        對于γ=50%、60%和70%的工況,階段A 所示的胞狀結(jié)構(gòu)并沒有隨著火焰的傳播直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡A段C 的大尺寸結(jié)構(gòu),相反地,胞狀結(jié)構(gòu)的數(shù)量增多,并出現(xiàn)高頻振蕩,火焰緩慢地向下傳播,胞狀結(jié)構(gòu)的尺寸逐漸減小,直到演變?yōu)槠交膹澢鹧妫A段B),在圖4 中用方框標(biāo)出。平滑的彎曲火焰出現(xiàn)后,火焰表現(xiàn)出接近層流的平穩(wěn)傳播,然而階段B并不穩(wěn)定,胞狀結(jié)構(gòu)很快再次出現(xiàn)并發(fā)展為湍流傳播。

        圖5 展示了火焰鋒面位置與氫氣體積分?jǐn)?shù)γ之間的變化關(guān)系。在總體趨勢上,隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)的增加,火焰從開口端傳播到閉口端所經(jīng)歷的時間逐漸縮短,并且火焰在開口端被點(diǎn)燃后由于受到泄爆氣流的影響,火焰鋒面在傳播到管道450 mm處之前發(fā)生了較大幅度的波動,在450 mm之后火焰鋒面位置變化較為規(guī)律。對于圖5(a),γ<50%的工況,火焰在傳播到管道300 mm 位置前經(jīng)過了從階段A到階段C的變化,火焰鋒面位置表現(xiàn)出小幅度振蕩。當(dāng)火焰的鋒面超過管道300 mm位置后,鋒面的振蕩幅度明顯增加,火焰進(jìn)入階段D。對于圖5(b),γ≥50%的工況,火焰在傳播到管道中間段250~300 mm 位置時,鋒面振蕩的幅度顯著減小,平滑的彎曲火焰(階段B)在此處開始出現(xiàn),此后階段C 在管道200~250 mm 位置出現(xiàn),而階段D 則在火焰?zhèn)鞑サ焦艿?00 mm位置后才出現(xiàn),與γ<50%的工況相比,階段B的出現(xiàn)使階段D出現(xiàn)的位置延后。

        圖5 火焰鋒面位置與氫氣體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between flame front position and hydrogen volume fraction

        2.2 不穩(wěn)定性振蕩分析

        圖6 展示了γ=30%和50%兩個典型工況火焰?zhèn)鞑ミ^程中的壓力曲線與火焰鋒面位置耦合圖。壓力數(shù)據(jù)由安裝在管道閉口端的壓力傳感器測得,由高速攝像機(jī)拍攝的火焰圖片可以得到火焰鋒面位置。將火焰圖片處理為高對比度的黑白圖像,使用Matlab 軟件識別出火焰鋒面最前方的像素坐標(biāo)X,代入式(2)可以得到火焰鋒面位置S[34]。

        圖6 壓力曲線與火焰鋒面位置Fig.6 Pressure curve and flame front position

        以上全部工作都可在Matlab 軟件內(nèi)完成,其中Z為沿火焰?zhèn)鞑シ较驁D片的像素長度。將γ=30%和50%兩個工況的壓力曲線與火焰鋒面位置圖相對比,可以很明顯觀察到兩者的不同。

        壓力曲線上出現(xiàn)的第一個較高峰值為破膜壓力[35],峰值大小僅與所使用的PVC 薄膜材料有關(guān)。對于圖6(a),從壓力曲線上可以看出,在破膜壓力出現(xiàn)之后,火焰從階段A 演變到階段C的過程中,壓力曲線表現(xiàn)為周期的振蕩,179 ms后到達(dá)階段D,火焰變?yōu)橥牧?,壓力振蕩幅度增大并出現(xiàn)峰值。Searby[18]將階段D出現(xiàn)的這類壓力曲線形式稱為次級不穩(wěn)定性振蕩,壓力增長趨勢呈指數(shù)型變化是次級不穩(wěn)定性振蕩出現(xiàn)的顯著標(biāo)志[17],如圖6(a)中虛線箭頭所示。次級不穩(wěn)定性振蕩出現(xiàn)后,鋒面位置波動的尺寸顯著增加,在位置曲線上出現(xiàn)明顯的斜率變化,因此根據(jù)火焰鋒面位置曲線也可以清楚地確定次級不穩(wěn)定性振蕩開始的階段。

        對于圖6(b),在159 ms 后同樣出現(xiàn)了次級不穩(wěn)定性振蕩。對壓力曲線進(jìn)行傅里葉變換,制作振幅-頻率圖,如圖7 所示,以最大振幅為標(biāo)準(zhǔn)對振幅數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化處理。對于開口管道,燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的聲學(xué)振蕩頻率可由式(3)計算得到近似值[36]。

        圖7 壓力曲線振幅-頻率圖Fig.7 The amplitude-frequency diagram of pressure curve

        式中,L為管道長度;c為利用CHEMKIN 軟件(USC Ⅱ機(jī)理)[37]計算得到的預(yù)混未燃?xì)怏w聲速,具體數(shù)值見表1。USC Ⅱ機(jī)理是在GRI Mech 1.2和3.0基礎(chǔ)上發(fā)展而來的[38],包含784 種反應(yīng),許多研究表明[21-23,38-40]該機(jī)理在模擬碳?xì)浠衔锶紵F(xiàn)象時提供了準(zhǔn)確的結(jié)果,因此本實驗所有模擬均采用USCⅡ機(jī)理。對于本文所進(jìn)行的實驗,理論計算得到的聲學(xué)振蕩頻率范圍在295.0~310.8 Hz,圖8展示了理論計算與實驗測得的次級不穩(wěn)定性振蕩頻率與氫氣體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系,可以看出兩者具有相同的變化趨勢,振蕩頻率均隨聲速的增加而增加,并且理論計算數(shù)據(jù)與實驗結(jié)果之間差值最大僅3.0 Hz,具有良好的吻合性,說明次級不穩(wěn)定性振蕩是由于燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的有限振幅的聲學(xué)振蕩引起的[17],并且同一個燃燒管道內(nèi),次級不穩(wěn)定性振蕩頻率僅與預(yù)混未燃?xì)怏w的聲速相關(guān)。

        圖8 次級不穩(wěn)定性振蕩頻率與氫氣體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.8 Relationship between the frequency of secondary instability oscillation and hydrogen volume fraction

        對于圖6(b),γ=50%的工況在階段A 的后期出現(xiàn)了明顯的高頻振蕩,從圖7(b)可知振蕩頻率在562.4 Hz 左右。Searby[18]稱這種振蕩為初級不穩(wěn)定性振蕩。對初級不穩(wěn)定性振蕩的產(chǎn)生機(jī)制仍沒有明確的定義,目前比較普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為:燃燒反應(yīng)速率對聲壓的敏感性以及聲學(xué)加速引起的火焰表面積的變化導(dǎo)致了初級不穩(wěn)定現(xiàn)象的產(chǎn)生。將γ=50%工況的壓力曲線與火焰圖像相結(jié)合以方便觀察胞狀火焰階段(Ⅰ)、初級不穩(wěn)定階段(Ⅱ)以及次級不穩(wěn)定階段(Ⅲ)火焰形態(tài)的特點(diǎn),如圖9 所示。胞狀火焰階段(Ⅰ)一個壓力振蕩周期約6 ms,在一個周期內(nèi)火焰鋒面上胞狀結(jié)構(gòu)的數(shù)量和尺寸沒有發(fā)生明顯變化,只有火焰鋒面位置的周期性上下移動。初級不穩(wěn)定階段(Ⅱ)一個壓力振蕩周期約1.8 ms,與階段(Ⅰ)相比振蕩頻率大幅增加,且火焰鋒面上胞狀結(jié)構(gòu)尺寸變小,數(shù)量明顯增多。Pelcé 等[41]提出了胞狀不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的條件:火焰的表面積應(yīng)大于管道的半徑與管道長度之比,如式(4)所示。

        圖9 γ =50%時壓力曲線與火焰圖像Fig.9 Pressure curve and flame images at γ =50%

        式中,a為火焰彎曲結(jié)構(gòu)的振幅;wf是火焰彎曲結(jié)構(gòu)的最大寬度。Pelcé 等[41]認(rèn)為,由D-L 不穩(wěn)定引起的火焰褶皺在形成胞狀結(jié)構(gòu)后,火焰在振蕩傳播的過程中,隨著壓力的波動火焰振幅會出現(xiàn)變化導(dǎo)致火焰表面積發(fā)生改變?;鹧姹砻娣e的波動引起了熱釋放率與聲壓的相位變化,這些因素共同作用導(dǎo)致了初級不穩(wěn)定性振蕩的出現(xiàn),并證明了初級不穩(wěn)定的增長速率與(ak)2成正比,其中k是胞狀結(jié)構(gòu)個數(shù)。結(jié)合圖9可以看出,胞狀火焰振蕩階段,火焰鋒面向閉口端移動對應(yīng)壓力曲線的上升,火焰鋒面向開口方向移動對應(yīng)壓力曲線的下降,在一個振蕩周期中只有鋒面位置的改變,胞狀結(jié)構(gòu)的尺寸和數(shù)量沒有出現(xiàn)明顯變化。而在高頻振蕩階段,火焰鋒面上產(chǎn)生的胞狀結(jié)構(gòu)數(shù)量明顯增多,并且振蕩表現(xiàn)在胞狀結(jié)構(gòu)尺寸的快速變化,這引起了火焰表面積的快速改變,Pelcé 等[41]的理論可以很好地解釋初級不穩(wěn)定性產(chǎn)生的原因。對于圖9(d),次級不穩(wěn)定性振蕩階段火焰已經(jīng)向著湍流傳播轉(zhuǎn)變,理論不再適用。

        γ=50%的工況初級不穩(wěn)定表現(xiàn)出的高頻振蕩,與富氧和摻氫條件下對烷烴預(yù)混氣體進(jìn)行爆炸實驗時[42-43],壓力曲線上出現(xiàn)的高頻振蕩類似。Di Benedetto 提出了一種新的機(jī)制對此類高頻振蕩進(jìn)行了解釋。Di Benedetto 等[44]將其稱為燃燒誘導(dǎo)快速相變(combustion-induced rapid phase transition,cRPT)現(xiàn)象:反應(yīng)產(chǎn)物中的水在遇到容器壁面后冷凝形成水膜,由于光滑的管壁上缺乏允許水膜蒸發(fā)的成核位置,因此形成的水膜又快速被燃燒產(chǎn)生的高溫氣體加熱到高于蒸發(fā)溫度的過熱狀態(tài),發(fā)生快速相變,冷凝與蒸發(fā)的過程快速重復(fù),出現(xiàn)高頻振蕩現(xiàn)象。cRPT現(xiàn)象與反應(yīng)產(chǎn)物中的水密切相關(guān),因此預(yù)混氣體中氫氣的體積分?jǐn)?shù)一定程度上決定了cRPT 現(xiàn)象能否出現(xiàn)[45]。本實驗中,氫氣體積分?jǐn)?shù)γ<50%的工況沒有出現(xiàn)高頻振蕩,當(dāng)γ≥50%后的所有工況均出現(xiàn)高頻振蕩現(xiàn)象,與cRPT 現(xiàn)象的出現(xiàn)規(guī)律具有良好的相似性。

        2.3 次級不穩(wěn)定性振蕩最大壓力變化趨勢與敏感性分析

        實驗中產(chǎn)生的最大壓力出現(xiàn)在次級不穩(wěn)定性振蕩階段,圖10展示了不同工況火焰?zhèn)鞑ミ^程中最大壓力出現(xiàn)的時間和最大壓力數(shù)值的變化規(guī)律。從圖10(a)可以看出,隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)的增加,出現(xiàn)最大壓力所需的時間逐漸縮短。利用CHEMKIN軟件(USC Ⅱ機(jī)理)[37]對不同氫氣體積分?jǐn)?shù)的工況進(jìn)行數(shù)值計算,得到主要鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的敏感度系數(shù)[圖11(a)],以及早期鏈?zhǔn)椒磻?yīng)在高溫下產(chǎn)生OH 自由基摩爾分?jǐn)?shù)的最大值[圖11(b)]。敏感度系數(shù)為正說明該反應(yīng)可以提高燃燒反應(yīng)的速率,敏感度系數(shù)為負(fù)則為抑制作用。從圖11(a)可以看出,反應(yīng)R1 為正敏感度系數(shù)的主導(dǎo)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。結(jié)合表2主要鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和圖11(b),可以發(fā)現(xiàn),反應(yīng)R1 以及多數(shù)促進(jìn)反應(yīng)R2、R31 和R40 等,都生成了H、O 和OH 自由基,這些自由基的化學(xué)反應(yīng)速率決定了燃燒反應(yīng)的強(qiáng)度以及火焰的傳播速度[46]。氫氣體積分?jǐn)?shù)的增加促進(jìn)了反應(yīng)R1 的進(jìn)行,反應(yīng)中出現(xiàn)的OH 自由基摩爾分?jǐn)?shù)也隨之提升。反應(yīng)速率和火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著氫氣體積分?jǐn)?shù)的增加而加快,次級不穩(wěn)定性振蕩出現(xiàn)的時間逐漸提前,因此出現(xiàn)最大壓力所需的時間逐漸縮短。結(jié)合圖5可以發(fā)現(xiàn),在高頻振蕩階段,火焰鋒面?zhèn)鞑ニ俣让黠@降低,使得γ=50%的工況出現(xiàn)最大超壓所經(jīng)歷的時間有所增加。

        表2 主要鏈?zhǔn)椒磻?yīng)Table 2 Main chain reactions

        圖10 不同氫氣體積分?jǐn)?shù)壓力峰值及出現(xiàn)的時間的變化趨勢Fig.10 The pressure peak and time variation trend of different hydrogen volume fractions

        圖11 主要鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的敏感度系數(shù)和OH自由基摩爾分?jǐn)?shù)的最大值Fig.11 The sensitivity coefficients for main chain reactions and the maximum value of the OH free radical molar fraction

        火焰?zhèn)鞑ミ^程中出現(xiàn)的最大壓力隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)的增加也在逐漸降低,當(dāng)γ=70%時,最大壓力已經(jīng)降至低于破膜壓力。這一變化趨勢與其他實驗[47-48]有所不同,這主要是由于點(diǎn)火位置在開口處造成的影響[25,49]。當(dāng)點(diǎn)火位置位于封閉端時[47-48],火焰?zhèn)鞑ミ^程經(jīng)歷了Clanet 等[50]提出的四個階段,預(yù)混氣體燃燒較為完全,火焰得到了充分發(fā)展,隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)的增加預(yù)混氣體反應(yīng)強(qiáng)度提高,隨之出現(xiàn)的最高壓力也在逐漸增大。與閉口端點(diǎn)火相比,本文所進(jìn)行的實驗點(diǎn)火點(diǎn)在開口端,預(yù)混火焰在傳播過程產(chǎn)生的聲壓存在更多的開口損失,見式(5)[19]。

        式中,L為管道長度;c為預(yù)混未燃?xì)怏w聲速;r為管道半徑;ω為角頻率。對于同一個管道,(ωr)2固定,開口聲壓損失只與聲速有關(guān)。因此可以估測,隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)的增加,管道開口聲壓損失隨著聲速的增加逐漸增大。同時開口端點(diǎn)火后會產(chǎn)生比閉口端點(diǎn)火更強(qiáng)烈的泄爆氣流,大量已燃?xì)怏w與部分預(yù)混未燃?xì)怏w一同噴出管道,泄爆氣流的強(qiáng)度與燃燒反應(yīng)劇烈程度正相關(guān),因此氫氣體積分?jǐn)?shù)增加將會使更多預(yù)混未燃?xì)怏w隨泄爆氣流噴出管道。以上兩種開口處的損失最終導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ミ^程中出現(xiàn)的最大壓力逐漸降低。

        3 結(jié) 論

        (1)氫氣體積分?jǐn)?shù)對火焰?zhèn)鞑ミ^程中的鋒面結(jié)構(gòu)有很大影響。對于氫氣體積分?jǐn)?shù)γ<50%的工況,火焰在開口端點(diǎn)火后火焰鋒面出現(xiàn)胞狀結(jié)構(gòu)(階段A),隨著火焰繼續(xù)向下傳播胞狀結(jié)構(gòu)尺寸逐漸增大(階段C),當(dāng)傳播到管道300 mm 位置后火焰逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆牧鱾鞑ィA段D)。對于氫氣體積分?jǐn)?shù)γ≥50%的工況,火焰在階段A后期小尺寸胞狀結(jié)構(gòu)明顯增多并伴隨著快速振蕩,在火焰?zhèn)鞑サ焦艿乐胁?50~300 mm 位置時,火焰演變?yōu)槠交膹澢鹧妫A段B),火焰表現(xiàn)出接近層流的平穩(wěn)傳播,然而階段B 并不穩(wěn)定,很快地胞狀結(jié)構(gòu)再次出現(xiàn)并發(fā)展為湍流傳播。

        (2)氫氣體積分?jǐn)?shù)的變化使火焰?zhèn)鞑ミ^程中出現(xiàn)兩種完全不同的不穩(wěn)定振蕩形式。對于γ<50%的工況,當(dāng)火焰處于湍流傳播階段,壓力曲線上出現(xiàn)次級不穩(wěn)定性振蕩,這是由于燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的有限振幅的聲學(xué)振蕩引起的,振蕩頻率與預(yù)混未燃?xì)怏w的聲速相關(guān)。對于γ≥50%的工況,壓力曲線上存在次級不穩(wěn)定性振蕩的同時還存在初級不穩(wěn)定性振蕩,出現(xiàn)在階段A 后半段。胞狀結(jié)構(gòu)尺寸的快速變化引起的火焰表面積的改變是形成初級不穩(wěn)定振蕩的原因,燃燒誘導(dǎo)快速相變現(xiàn)象與實驗中初級不穩(wěn)定性產(chǎn)生的高頻振蕩相似,并且在一定程度上解釋了高頻振蕩出現(xiàn)在γ≥50%工況的原因。

        (3)由敏感性分析可知鏈?zhǔn)椒磻?yīng)R1(H+O2=== ===== O+OH)為提高燃燒反應(yīng)速率的主導(dǎo)鏈?zhǔn)椒磻?yīng),氫氣體積分?jǐn)?shù)的增加促進(jìn)了反應(yīng)R1 的進(jìn)行,使火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?,?dǎo)致次級不穩(wěn)定性振蕩出現(xiàn)的時間逐漸提前。由于開口處的聲壓損失和預(yù)混未燃?xì)怏w隨泄爆氣流的損失均隨氫氣體積分?jǐn)?shù)的增加而增加,導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ミ^程中出現(xiàn)的最大壓力逐漸降低。

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