羊光耀，李佳鑫，侯 彬，范愛武

部分填充多孔介質的小圓管內正丁烷/空氣的預混燃燒特性

羊光耀，李佳鑫，侯 彬，范愛武

(華中科技大學能源與動力工程學院，武漢 430074)

液體燃料由于具有很高的比能，適合在微小型燃燒動力裝置中使用．通過實驗研究了當量比＝0.5～1.5的正丁烷/空氣混合氣在部分填充金屬絲網(wǎng)的圓管(內徑為6mm)中的燃燒特性，發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)工況下，火焰部分浸沒于或完全懸浮于金屬絲網(wǎng)的下游側表面．當1.2≤≤1.5時，在高進氣速度下管口出現(xiàn)了一個擴散火焰．此外，火焰吹熄極限隨當量比增大近乎線性升高，分析表明，這是金屬絲網(wǎng)對未燃預混氣的預熱作用、火焰的散熱損失、未燃預混氣的體積膨脹效應以及管口擴散火焰對管內火焰的支持作用等多方面因素的共同作用所導致的結果．在固定當量比下，最高壁溫和排煙溫度均隨進氣速度的增大而升高．排煙溫度在中、低進氣速度下隨當量比的變化較小，這是因為壁面溫度水平隨當量比的增大變化很小，從而使得壁面散熱損失隨當量比的變化較?。傊?，這些發(fā)現(xiàn)豐富了正丁烷/空氣在部分填充多孔介質中的小圓管內的燃燒特性的認識和理解．

多孔介質燃燒；微小尺度燃燒；丁烷；火焰穩(wěn)定性

單位質量的碳氫燃料所蘊含的能量比化學電池高數(shù)十倍[1]，而且燃料的存儲和使用也很便捷．這些獨特的優(yōu)點使得基于燃燒的微型動力系統(tǒng)有潛力成為民用和軍事領域的各種微機電系統(tǒng)的能量源．然而，微小尺度燃燒也面臨巨大挑戰(zhàn)，如散熱損失比增大、燃燒混合物停留時間短等．為了克服這些缺點，許多學者開發(fā)了不同類型的穩(wěn)焰器或采用回熱結構來穩(wěn)定微小尺度下的火焰[2]．

在微燃燒器中添加多孔介質可以促進燃料與氧化劑均勻混合，而且熱循環(huán)效應有望實現(xiàn)超焓燃燒[3]. Yang等[4]發(fā)現(xiàn)通過在平板型微燃燒器中添加多孔碳化硅使得壁面溫度更加均勻，平均壁溫提升123K. Peng等[5]也證實通過向微燃燒器內添加多孔材料可以提高微型熱光伏系統(tǒng)的熱性能．Kang等[6]設計了一種微燃燒器，發(fā)現(xiàn)填充多孔碳化硅后燃燒明顯加強，而且基于該燃燒器的熱電系統(tǒng)的輸出功率增加. Li等[7]研究了氫氣/空氣火焰在部分填充不銹鋼金屬絲網(wǎng)的平板型微燃燒器中的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)火焰在不同工況下可以分別穩(wěn)定于金屬絲網(wǎng)內部或上、下游表面，它們還研究了多孔介質的物性對火焰穩(wěn)定性的影響．Yang等[8]通過在管內填充低導熱系數(shù)的陶瓷纖維，在較寬的流速范圍內實現(xiàn)了火焰穩(wěn)定．后來，F(xiàn)ursenko等[9]通過數(shù)值模擬研究了相同結構下的燃燒模式．基于以上研究，Liu等[10-12]和Ning等[13]研究了預混和非預混甲烷/空氣在填充陶瓷纖維的小尺度通道中的火焰穩(wěn)定性，在高當量比、管徑為5mm和6mm的情況下也觀察到了駐定燃燒波．Wang等[14]研究表明，對于填充多孔材料的徑向微燃燒室，由于火焰與壁間的熱相互作用增強，隨著燃燒室間隙的減小，丙烷/空氣火焰的熄火極限增大．

與常用的氣體燃料相比，單位質量的液體燃料能夠儲存更多的能量．因此，它們更適用于便攜式裝備，近年來受到了廣泛的關注．Siringnano等[15]開發(fā)了一種微型液膜燃燒室，液體燃料沿燃燒室垂直壁面流動，吸收內部火焰的熱量而蒸發(fā)．后來，Li等[16]提出了改進方案，它由兩個腔體和一個多孔型中央燃料進氣口組成．Gan等[17]發(fā)現(xiàn)，由于熱損失減少，質量擴散加劇，受限空間內的乙醇射流火焰高度比自由空間的火焰短．他們還研究了復合電場作用下乙醇的霧化和火焰行為[18]．Li等[19]采用聚丙烯腈基碳氈作為多孔介質使液態(tài)正庚烷進行氣化，并通過增加回熱器大大拓展了貧燃極限．Chen等[20]研究了多孔泡沫對小管中乙醇火焰?zhèn)鞑サ挠绊懀甕ang等[21]考察了正癸烷在微燃燒器中的均相/非均相復合燃燒模式．

丁烷和二甲醚的飽和蒸氣壓較低(0.2～0.3MPa)，常壓下為氣態(tài)．使用這兩種燃料不需要霧化器，可以簡化整個微發(fā)電系統(tǒng)，因此，它們更適合應用于微燃燒器．鐘北京等[22]實驗探索了正丁烷和二甲醚在嵌入了涂敷催化劑的多孔陶瓷的小型瑞士卷燃燒室中的催化燃燒．Dubey等[23]基于固定壁溫分布的微流動反應器研究了C1～C4烷烴的碳煙行為．Kikui等[24]研究了正丁烷在相同微通道內高壓下的微弱火焰．與陶瓷材料相比，金屬絲網(wǎng)能夠承受強烈的熱沖擊．此外，它們具有較高的導熱系數(shù)，從而可以增強熱循環(huán)效果．丁烷在填充金屬絲網(wǎng)的微小通道中較寬當量比范圍內的燃燒特性鮮見報道．因此，本文實驗研究正丁烷在插入10mm長的不銹鋼絲網(wǎng)、內徑為6mm的石英管中的燃燒特性．

1 實驗系統(tǒng)與方法

實驗系統(tǒng)如圖1所示．高壓正丁烷和干空氣(純度≥99.9%)儲存于兩個氣瓶中，通過減壓閥將氣體壓力降至0.1MPa，使管道中的正丁烷處于氣態(tài)．通過兩個質量流量控制器(精度：0.2%，美國Alicat公司)調節(jié)燃料和空氣的流量，在混合器中獲得想要的未燃氣體混合物的當量比和進氣速度．燃燒室采用透明耐熱石英管，以便于直接觀察火焰形態(tài)，如圖2所示．管狀燃燒室內徑為6mm，長度為50mm，壁厚為1mm．先將不銹鋼絲網(wǎng)卷制形成一段10mm長的多孔介質，然后將其作為一個整體插入石英管中．需要指出的是，使用這種方法制作的多孔介質不可避免地會在中心留下一個小孔，這不利于火焰穩(wěn)定，后面將對此進行討論．金屬絲網(wǎng)的物性如表1所示．

燃燒器被水平固定于工作臺上．首先用火炬加熱管壁．然后，在合適的流量和當量比下點燃出口處的新鮮混合物，火焰向上游傳播并穩(wěn)定在絲網(wǎng)表面．當燃燒系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，以0.05m/s的變化步長將混合氣流量切換到下一個工況．使用數(shù)字單反相機(佳能EOS6D)拍攝火焰照片，采用紅外熱像儀(Fotric，上海)測量壁面溫度分布．利用熱電偶對石英管表面發(fā)射率進行標定．同時，采用K型熱電偶(精度±0.75%)和無紙記錄儀對尾氣溫度進行監(jiān)測，便于觀察和判斷燃燒系統(tǒng)是否達到穩(wěn)態(tài)．考慮熱電偶對環(huán)境的熱損失并對測試溫度進行修正[25]．

圖1 實驗系統(tǒng)示意

圖2 填充金屬絲網(wǎng)的燃燒器水平視圖和端部視圖

表1 金屬絲網(wǎng)物性參數(shù)

Tab.1 Properties of the wire mesh

2 結果與討論

首先介紹預混氣當量比和進氣速度對主要燃燒特性(包括：火焰形狀、燃燒模式、可燃極限、壁溫分布和排煙溫度)的影響，然后對火焰形狀和吹熄極限的變化趨勢進行了簡要的討論．

2.1 當量比和進氣速度對火焰形態(tài)的影響

圖3為分別為0.9、1.0、1.2和1.5時不同進氣速度下的火焰照片，其中用白線標識出石英管內壁．由圖3(a)可見，在＝0.9、＝0.1m/s時火焰呈綠色且較厚．這可能是由于C2成分在相對較低的反應溫度下釋放出綠色化學發(fā)光[26]．此外，管壁附近存在較寬的死區(qū)，表明壁面附近的火焰被淬熄，未燃混合氣流出金屬絲網(wǎng)后，導致近壁處火焰鋒面發(fā)生彎曲.當進氣速度增大到＝0.2m/s時，火焰前鋒變平薄，近壁區(qū)的火焰沒有發(fā)生淬熄，同時火焰變?yōu)樗{色．另外，部分火焰浸入金屬絲網(wǎng)中，使固體升溫產生較強的熱輻射(絲網(wǎng)發(fā)紅)．當進氣速度增大到＝0.3m/s時，火焰被吹向金屬絲網(wǎng)表面，熱輻射減弱．但此時火焰表面的中心出現(xiàn)了一個很小的凸點，這應該是由于絲網(wǎng)中心處存在小孔，使圓管中心處的流速較大造成的．為了驗證這一猜想，假設中心小孔的直徑為0.2mm，對＝0.2m/s和＝0.4m/s，＝1.5工況下的冷態(tài)流動進行了二維數(shù)值模擬．圖4給出了在金屬絲網(wǎng)右表面下游1mm處軸向速度沿徑向的分布．可以看出，在圓管中心區(qū)域的軸向速度比其他區(qū)域更大，而且當進氣速度較大時(如＝0.4m/s)更加明顯．可以想象，在燃燒狀態(tài)下，未燃預混氣受到金屬絲網(wǎng)的預熱作用而產生體積膨脹和加速效應，這種中心凸起現(xiàn)象將更加明顯．

圖3 火焰形態(tài)隨進氣速度的變化

圖4 冷態(tài)下預混氣的軸向速度沿徑向的分布曲線

隨著進氣速度的進一步增加(＝0.4m/s時)，火焰中心凸起更加明顯．同時，從絲網(wǎng)不再發(fā)紅可以推斷出，此時火焰已經(jīng)完全懸浮于絲網(wǎng)表面．此外，火焰在下方呈現(xiàn)雙層褶皺結構，這實際上反映了這部分火焰相對于其他部分來說，已經(jīng)被吹離絲網(wǎng)表面更遠．當進氣速度增加到＝0.5m/s時，火焰結構變得更加復雜，近壁面區(qū)域的火焰均被完全吹離絲網(wǎng)表面．之后，當進氣速度進一步提高時，火焰將被吹滅.

圖3(b)為＝1.0時不同進氣速度下的火焰照片.在＝0.1m/s下，火焰前端是藍色彎曲的．總的來說，相同進氣速度下＝1.0的火焰要比＝0.9的更?。?，火焰在＝1.0時將更早地脫離金屬絲網(wǎng)表面，這從＝0.3m/s時絲網(wǎng)已經(jīng)完全不再發(fā)紅可以反映出來．此外，在較高的進氣速度(＝0.5m/s)下，火焰呈淡藍綠色．圖3(c)為＝1.2時不同進氣速度下的火焰照片．由圖可以看出，隨著進氣速度的增加，火焰變化的總體趨勢與＝0.9相似．然而，火焰在＝1.2時與＝0.9存在兩個明顯區(qū)別．首先，當＝0.1m/s和＝0.2m/s時火焰呈綠色，說明富燃有利于正丁烷形成更多的C2成分．在較高的進氣速度下(如＝0.6m/s)，火焰發(fā)光向藍綠色轉變．圖3(d)為＝1.5時不同進氣速度下的火焰照片．從圖中可以看到，預混氣的火焰由低速下的綠色逐步轉變?yōu)樗{綠色，速度增大的過程中并沒有出現(xiàn)藍色火焰．這 表明在更高當量比的情況下，預混氣的燃燒更加不充分．

實驗還表明，當≥1.2、≥0.5m/s時，富燃混合物在管道內燃燒不完全，導致管道出口出現(xiàn)擴散火焰．圖5以＝1.5、＝0.6m/s為例說明了這種燃燒模式．可以看到內部火焰已經(jīng)以復雜的結構被吹離管壁，同時一個淺藍色擴散火焰附著于管口．

圖5 f＝1.5、v＝0.6m/s時火焰照片

2.2 燃燒模式分布與燃燒極限

基于系統(tǒng)地實驗觀察，繪制了如圖6所示的燃燒模式分布譜．除了熄火極限和吹熄極限(分別對應 于最低和最高的可燃速度)之外，實驗還發(fā)現(xiàn)了另外4種燃燒模式，即綠色火焰、藍色火焰、藍綠色火焰、以及內部火焰和外部擴散火焰共存的模式．從圖6中可以看出，大多數(shù)工況的燃燒模式為藍色火焰，特別是在貧燃情況下．此外，對于＝0.9和1.1≤≤1.5，火焰在低速下呈綠色．同時，在≥1.1時，火焰在較高的進氣速度下呈藍綠色．當量比進一步升高時(1.2≤≤1.5)，除了管內火焰外，還會在管口出現(xiàn)由于剩余燃料的重新點燃而形成的外部火焰(見圖5)．

圖6 燃燒模式分布譜

圖7為不同當量比下火焰吹熄極限和熄火極限．當從0.5增加到1.1時，吹熄極限首先線性增加，在＝1.2處保持不變，然后當從1.2增大到1.5時繼續(xù)線性升高．熄火極限在＝0.9～1.2時較低，為0.1m/s；然而在較貧燃和富燃的兩側均為0.2m/s．這些結果表明，在化學恰當比附近火焰可以在較低的進氣速度下維持，但在較高當量比下獲得較大的吹熄極限．眾所周知，在低進氣速度下，燃燒熱釋放量非常有限，熄火極限主要是由熱損失比過大引起的．在這里，熱損失比定義為單位時間火焰向絲網(wǎng)和管壁傳遞的熱量與火焰熱釋放率的比值．在＝0.9～1.2時，由于熱釋放速率較大，熱損失率相對較小．因此，在＝0.9～1.2范圍內，可以達到較低的熄火極限．

對富燃側火焰吹熄極限的單調增加趨勢做一個定性分析．多孔介質的存在對火焰吹熄極限有3個方面的影響．為了便于分析，圖8中繪制了＝0.4m/s時當量比分別為1.1、1.3和1.5時的沿外壁面中心線的溫度分布，其中兩條豎虛線用來指示多孔區(qū)域．從圖中可以看到，在多孔介質區(qū)域對應的壁面，其溫度迅速上升到一個較高的水平．因此，未燃預混氣可以通過火焰經(jīng)由金屬絲網(wǎng)的熱循環(huán)效應得到預熱，這對于穩(wěn)定火焰是有利的．同時，從火焰自身來說，火焰向金屬絲網(wǎng)和管壁傳遞熱量可以看作是熱損失，這對火焰穩(wěn)定有負面影響．此外，還有一個文獻中很少提及的方面，即多孔介質對未燃氣體的預熱作用使未燃混合氣在較高溫度下發(fā)生體積膨脹流動加速．毫無疑問，這對火焰穩(wěn)定是不利的．在富燃條件下，當當量比增加到更高時，由于偏離最佳的化學計量比，燃燒強度下降，反過來預熱效果也隨之減弱，導致預混氣的燃燒速度降低．然而，火焰鋒面前的預混氣流速也降低了．與此同時，由于火焰位置(大致由壁溫峰值位置判斷)向下游移動(如＝1.5)，而且壁面溫度水平也下降了，使得火焰的熱量損失減少．此外，管口處的擴散火焰在高當量比時變得更強，石英管下游能維持較高的壁面溫度，這對于穩(wěn)定管內火焰將發(fā)揮重要作用．這可以從圖8中看到，下游壁溫水平在＝1.5和＝1.1時幾乎是一樣的．綜上所述，火焰吹熄極限的單調增加趨勢是上述三方面因素共同作用的結果．

圖7 吹熄極限與熄火極限隨當量比的變化

圖8 不同當量比下沿外壁面中心線的溫度分布

2.3 當量比和進氣速度對壁溫分布的影響

圖9為＝0.2m/s時不同當量比下的壁面紅外熱像圖及相應的火焰照片．可以看出，當從0.8增加到1.0時，高溫區(qū)的左端向上游略微移動隨后在富燃狀態(tài)下穩(wěn)定．在貧燃狀態(tài)下，隨著當量比升高預混氣中的燃料逐步增加，反應的熱釋放增加使得壁溫逐漸升高，高溫區(qū)擴大，這在＝1.0達到極值．當增大超過1.0后，由于燃料燃燒不完全，高溫區(qū)逐漸縮小，壁溫水平下降．

圖9 管壁紅外熱像圖以及火焰形態(tài)隨當量比的變化

圖10為＝0.2m/s時壁面最高溫度隨預混氣當量比的變化情況．可以看出，隨著從0.8增加到1.3，最高壁溫先升高后降低，在＝1.0時達到最大值796K．這是因為化學恰當比的預混氣燃燒強度較大，熱釋放率相應更高．此后，由于富燃預混氣不完全燃燒，最高壁溫隨著當量比的進一步增加而逐漸 降低．

圖10 管壁最高溫度隨當量比的變化

圖11為＝1.0時不同進氣速度下的壁面紅外熱像圖．可以看出，在＝0.1m/s時，壁面溫度水平明顯低于其他情況．當增加到0.2m/s時，壁面溫度水平明顯升高．隨著進氣速度的進一步增大，高溫區(qū)左端基本保持不變，但其右端向下游延伸，這主要是由于火焰中心凸起的原因(見圖3(b))．當進氣速度增加到0.5m/s時，壁面溫度水平急劇上升，左側出現(xiàn)傾斜，這是由于該工況下火焰發(fā)生了傾斜(見圖3(b))．圖12為＝1.0時，壁面最高溫度隨進氣速度的變化情況．可以看出，當＝0.1m/s時，最高壁溫僅為691K．總的來說，當進氣速度從0.1m/s增加到0.5m/s時，最高壁溫幾乎呈線性增加．在＝0.5m/s時，壁面最高溫度可達1000K．這是由于隨著進氣速度的增加，更多反應物進入管中，燃燒熱釋放量增加．因此，火焰和管壁的溫度也隨之升高．

圖11 管壁紅外熱像圖隨進氣速度的變化

圖12 管壁最高溫度隨進氣速度的變化

2.4 排煙溫度特性

不同工況下的排煙溫度如圖13所示．需要注意的是，由于在高當量比和高進氣速度的情況下管口處存在擴散火焰，因此沒有測量這些工況下的排煙溫度．由圖13可以看出，在相同的當量比下，隨著進氣速度的增加，排煙溫度上升較快．造成這種現(xiàn)象的原因有兩個方面．一方面，隨著進氣速度的增加，燃料供給量增加，火焰溫度升高；另一方面，火焰表面的中心凸起隨著進氣速度的增大向管口延長，也會導致排氣溫度升高．然而，從圖13也可以看出，在相同進氣速度下，排煙溫度隨當量比的變化相對較小．這一現(xiàn)象的原因解釋如下：排煙溫度的高低主要受燃燒熱釋放和壁面散熱損失的共同影響．當火焰溫度升高時，壁面溫度水平相應升高，散熱損失也隨之增大．因此，熱損失比(這里定義為外壁面的熱損失率與火焰的熱釋放率之比)變化不大，從而使得排煙溫度的變化較小，特別是在相對較低的進氣速度下．而在較高的進氣速度下，由于不完全燃燒的存在，排煙溫度隨著當量比的增加而略有下降．

圖13 不同當量比和進氣速度下的排煙溫度

3 結 論

(1)即使在很低的進氣速度下，預混氣也無法實現(xiàn)完全浸沒式燃燒．多數(shù)情況下形成部分浸沒火焰或表面火焰．當1.2≤≤1.5時，在較高的進氣速度下，管口建立了擴散火焰．

(2)火焰在大多數(shù)情況下呈藍色，但對于1.1≤≤1.5和＝0.9的預混氣，在低進氣速度下火焰呈綠色．

(3)在＝0.9～1.2時，預混氣的熄火極限為0.1m/s，其他當量比下的熄火極限為0.2m/s．但隨著當量比的增加，火焰吹熄極限幾乎呈線性增加．分析表明，這種單調趨勢可能是多孔介質的預熱效應、火焰的熱損失效應、未燃預混氣的體積膨脹效應以及管口擴散火焰對管內火焰的支持作用的綜合結果．

(4)當進氣速度相同時，最高壁面溫度隨著當量比的增大先升高后降低，在＝1.0時最大．而相同的當量比下，壁面溫度隨進氣速度的增加幾乎呈線性 增加．

(5)相同當量比下，排煙溫度隨進氣速度的增加而升高．然而，在相同的進氣速度下，排煙氣溫度在低、中進氣速度下幾乎保持不變．

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N-C4H10/Air Combustion in a Small Channel Partially Filled with Porous Media

Yang Guangyao，Li Jiaxin，Hou Bin，F(xiàn)an Aiwu

(School of Energy and Power Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)

Because of their high specific energy，liquid fuels are attractive candidates for miniature combustion-based power devices. In this work，the characteristics of n-C4H10/air combustion in a small channel partially filled with porous media were experimentally investigated. Surface flames or partially submerged flames were detected in the majority of experimental conditions. In addition，on the fuel-rich side with an equivalence ratio of 1.2≤≤1.5，an external diffusion flame was detected at large incoming velocities. Moreover，the flame blow-off limit increased almost in a linear manner with an increasing equivalence ratio，which was revealed to be a result of the combined effects of heat recirculation effect，heat loss effect，volumetric expansion effect and the support from the external diffusion flame. Furthermore，at a constant equivalence ratio，the exhaust gas temperature and the maximum wall temperature rose simultaneously with the inlet velocity. However，the exhaust gas temperature hardly varied with the equivalence ratio at low and moderate inlet velocities. This was because the wall temperature level and the heat loss ratio of the outer wall varied rather slightly with the increase of equivalence ratio. In conclusion，these discoveries shed light on the combustion behavior in the small channel inserted with a segment of porous medium.

porous media combustion；micro-combustion；butane；flame stability

TK16

A

1006-8740(2023)03-0301-07

10.11715/rskxjs.R202305009

2022-03-20．

國家自然科學基金資助項目(52176106).

羊光耀(1996—)，男，碩士，m201971082@hust.edu.cn.Email：m_bigm@tju.edu.cn

范愛武，男，博士，教授，faw@hust.edu.cn.

(責任編輯：梁 霞)