预混层流本生灯顶端局部Karlovitz数.pdf 8页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn#预混层流本生灯顶端局部Karlovitz数**聂要辉，王金华，黄佐华，蔡骁，张玮杰，余芊芊（西安交通大学动力工程多向流国家重点实验室西安710049）5摘要：利用预混层流本生灯结合OH-PLIF火焰结构激光诊断技术获得了合成气以及丙烷预混层流本生灯火焰图像，发现火焰会出现顶端开口现象并得到了发生顶端局部开口的临界当量比。结果表明：可以用局部Karlovitz数衡量本生灯火焰的顶端开口现象，掺氢比为0.6、0.7的合成气火焰顶端熄灭的局部Karlovitz数分别为4.5和4.0。本生灯火焰和对冲火焰拉伸率引起因素的不同导致其熄灭时局部Karlovitz数变化趋势不同。10关键词：本生灯；顶端开口；局部Karlovitz数中图分类号：TK16LocalKarlovitznumberattipofpremixedBunsenflameNieYaohui,WangJinhua,HuangZuohua,CaiXiao,ZhangWeijie,YuQianqian15(StateKeyLaboratoryofMultiphaseFlowinPowerEngineering,Xi"anJiaotongUniversity,Xi"an,710049)Abstract:ThedigitalandOH-PLIFimagesofsyngasandpropaneBunsenflamesweregainedbytheOH-PLIFsystem,andthecriticalequivalenceratioatthebeginningtipopeningofdifferentfractionsofH2wasconfirmed.Resultdemonstrate:ThelocalKarlovitznumberscanbeusedtomeasurethetip20openingphenomenon,andthelocalKarlovitznumbersattheopeningofSyngasBunsenflameis4.5and4.0.ThedifferenttrendsoflocalKarlovitznumberiscausedbythedifferentstretchfactorsbetweenBunsenflameandcounterflowflame.Keywords:BunsenFlame;tipopening;LocalKarlovitznumber250引言预混层流本生灯火焰顶端开口是一个经典的火焰局部熄灭现象。在本生灯火焰顶端，局部强烈的负拉伸以及优先扩散作用导致其火焰在燃料有效Lewis数小于1时出现燃烧减弱甚[1-3]至熄灭。这种局部火焰结构可以看做是湍流火焰凹凸褶皱结构中一个局部火焰模型，其30研究对于层流火焰动力学理论发展和湍流燃烧模型的构建都有重要意义。有效Lewis数能够在趋势上对本生灯火焰顶端燃烧加强或者减弱现象进行预测，然而，对于本生灯火焰发生局部熄灭的临界条件，有效Lewis数并不能进行精确的判断。[4]在火焰动力学理论研究中，火焰拉伸率κ是一个重要参数。火焰拉伸率通常无量纲化为Karlovitz数Ka。Ka代表垂直于无拉伸火焰面方向火焰反应时间δ00/SL和火焰面切向流35动时间之比，其中δα000=/SL，δ0和SL0分别代表无拉伸火焰厚度及速度。2Ka==(/)/(δκS1/)/(/)κSα。Ka是火焰时间特性参数，在其计算过程中，用拉00LL0伸火焰厚度及速度代替无拉伸火焰厚度与速度可以得到反映当地局部火焰的时间特性参数，Kalocal。对冲火焰和本生灯火焰分别代表了典型的正拉伸和负拉伸火焰。Chung.S等人通过实验基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金-优先发展领域项目资助（20130201130011)作者简介：聂要辉（1992-），男，博士生，研究方向：预混湍流燃烧通信联系人：王金华(1981-),男,博导,主要研究方向:湍流燃烧.E-mail:jinhuawang@xjtu.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn40的方法得到了对冲火焰熄灭时其Ka数随燃料、当量比、压力的变化而变化，但是其Kalocal[5,6][7]数保持在定值。VuT.M得到了丙烷本生灯火焰发生顶端熄灭时其局部Ka数为定值。但是不同燃料本生灯火焰发生顶端开口时局部Ka数的规律尚未研究。本文利用OH-PLIF实验装置获得了合成气和丙烷本生灯火焰OH-PLIF图片，确定了合成气和丙烷本生灯火焰顶端开口的临界当量比，计算了其顶端处局部Ka数，分析了本生灯45火焰拉伸率的引起因素，指出了本生灯火焰与对冲火焰熄灭时局部Karlovitz数变化趋势不同的原因。1实验装置与方法图1（a）为实验装置系统示意图，由OH-PLIF系统、供气系统与本生灯系统组成。供气系统的主要元件是质量流量计，其通过控制本生灯出口流量实现对混合气速度的控制。燃50料和空气从气瓶流出后经过质量流量计在混合器混合之后进入本生灯。实验过程中，为确保层流燃烧，未燃混合气的雷诺数Re<2000。图1（b）所示为实验所用本生灯系统。本生灯出口管径D=7.75mm。为了保证本生灯出口处气体速度为充分发展的层流，控制L/D>0.06[8]×Re，本生灯出口长度L=1m。由于论文篇幅有限，对于实验系统的详细介绍参见。55（a）实验装置系统示意图（b）本生灯示意图图1实验装置示意图表1为合成气本生灯火焰顶端局部熄灭的实验工况。其中定义掺氢比为氢气在混合气中所占的体积分数，VH2在实验过程中每个掺氢比的同一雷诺数下，我们通过X=H2V+VH2CO。控制合成气当量比从高到底的变化实现顶端开口现象的发生。不同雷诺数的工况是为了探究60本生灯顶端开口的临界点与速度之间的关系。表1合成气实验工况掺氢比（XH2）ReReRe0.51400150016000.61400150016000.640080010000.62000.71400150016000.81400150016000.9140015001600在本文中，丙烷本生灯火焰的顶端开口现象只在出口速度Re=1000时开展了实验，与[7]Vu等人的实验进行对比验证。-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn2实验结果与分析652.1顶端开口现象图2给出了合成气本生灯火焰在不同当量比下的数码图片以及OH-PLIF图片。在本文数据处理过程中，我们采用OH-PLIF图片作为顶端局部熄灭的判断依据以及后续的计算基础。这是因为，在实验过程中，为了确定火焰顶端局部熄灭的临界点，同一雷诺数下合成气当量比变化非常小。这样，在数码图片中，不同工况的实验图片之间变化很小，不能有效区70分。在OH-PLIF图片中，可以根据需要测量出每个位置OH基的相对浓度。所以，在OH-PLIF图片中，可以明确区分不同工况下火焰面的变化。0.600.660.720.780.840.88图2不同当量比下火焰的数码图片以及OH图片图3给出了不同当量比下，掺氢比XH2为0.6和0.7工况下合成气本生灯火焰顶端处OH基相对浓度。在OH基浓度快速下降之前，XH2为0.7的合成气火焰顶端OH基相对浓度比75XH2为0.6的大，这是由于合成气中氢气含量不同导致的。由图还可以看到，在这两个掺氢比的本生灯火焰中，火焰顶端的OH基相对浓度在某个当量比下会迅速下降，此后不同掺氢比火焰顶端处OH基浓度基本一致。不同掺氢比火焰顶端OH基相对浓度在快速下降前后相对变化不同的原因是OH基浓度快速下降后火焰顶端发生熄灭。在数据处理中，我们把这个OH基浓度突然减小的工况称为本生灯顶端开口，即局部熄灭的临界当量比。270240XH2=0.6XH2=0.7210R(OH)180顶顶顶顶顶顶顶顶1501200.720.760.800.840.8880Φ图3顶端开口的判断-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn根据以上判断准则，可以得到合成气本生灯火焰在不同掺氢比下出现顶端局部熄灭的临界当量比。如表2所示，掺氢比XH2为0.6、0.7、0.8的合成气本生灯火焰顶端局部熄灭的临界当量比分别为0.80、0.82、0.86。在此要说明的是，在掺氢比XH2为0.5工况时，本生85灯火焰在脱火之前没有出现顶端局部熄灭现象。在掺氢比XH2为0.9时，由于火焰燃烧剧烈，火焰不回火时已经出现顶端局部熄灭现象。因此并没有确定出这两个掺氢比合成气顶端局部熄灭的临界当量比。表2不同掺氢比合成气临界当量比XH2ReφcrReφcrReφcr0.51400-1500-1600-0.614000.8015000.8016000.800.64000.808000.8010000.800.714000.8215000.8216000.820.814000.8615000.8616000.860.91400-1500-1600-2.2局部Karlovitz数计算90通过实验可以得到火焰的OH-PLIF图像，将得到的OH图片通过MATLAB图像处理，就可以获得火焰面边界图像的曲线。然后通过对得到的曲线进行拟合，就可以得到火焰在顶端处的曲率。图4所示为整个图像处理过程。图4图像处理过程[4]95得到火焰顶端处曲率后，火焰顶端处的拉伸率为，11κ=S+(1)TRR12−1其中，UT为火焰的当地的速度/ms⋅，R1和R2为火焰在此时的半径/m。在本生灯火焰的顶端，R1=R2。因此，在本生灯顶端处，其拉伸率的表达式为2STκ=(2)R[6]100Vu等人通过对本生灯的顶端开口现象研究，发现在顶端开口之前，本生灯火焰的预热区域十分的窄，燃烧基本上就发生在小于1mm的距离内。因此，可以认为，在火焰顶端处，火焰的速度，就是来流气体的速度，即ST=UT。由于本生灯出口流动为充分发展的层流，所以，UT=2Uave。其中Uave就是本生灯出口速度。通过一系列的简化，可以得到局部Ka的最终形式为-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cnα105Kalocal=(3)URave图5所示为根据公式4得到的丙烷以及合成气本生灯火焰顶端局部Ka。由图（a）可知，本实验得到的丙烷本生灯火焰局部Ka和Vu等人的相差不大。T.M（1）和T.M（2）分别代表不同出口速度下丙烷火焰顶端的局部Ka。丙烷本生灯火焰顶端局部熄灭出现在一个固定的当量比下，不随出口随度变化而改变，因此，计算得到的当量比1.44处的局部Ka可以110作为衡量丙烷本生灯火焰顶端局部熄灭的定值。丙烷本生灯火焰顶端处发生局部熄灭时，局部Ka为1.52，在小于1.52之后，丙烷本生灯火焰发生顶端的局部熄灭。合成气本生灯火焰的局部Ka也不随出口速度变化而改变，因此，也可以用局部Ka来衡量合成气本生灯火焰顶端局部熄灭现象。由图（b）可知，在掺氢比XH2为0.6，出口速度在雷诺数为400、800、1000、1400、1500、1600工况下，合成气本生灯火焰的局部Ka在同一当量比下为定值。根115据前面得到的在XH2为0.6工况下，合成气本生灯火焰发生顶端局部熄灭的当量比为0.80，此时，火焰顶端局部Ka为4.5。同样的，在掺氢比XH2为0.7时，合成气本生灯顶端局部熄灭发生在当量比0.82工况下，此时，本生灯火焰的局部Ka为4.0。3.54.4T.M13.0T.M2C3H84.02.53.6X=0.6locallocalH2KaKaRe=4002.0Re=8003.2Re=1000XH2=0.7Re=1400Re=4001.52.8Re=1500Re=800Re=16001.02.40.91.01.11.21.31.40.800.840.880.920.961.00ΦΦ（a）丙烷火焰（b）合成气火焰120图5丙烷以及合成气本生灯火焰局部Karlovitz数3曲率对火焰结构的影响[6]图6所示为ChoES等人做过的对冲火焰中火焰的局部Ka的值。可以看到，对于不同燃料的对冲火焰，其发生熄灭时的局部Ka都分布在1左右。这个结果和本生灯火焰顶端熄灭的局部Ka变化趋势不同。125图6对冲火焰熄灭时局部Karlovitz数在局部Ka的计算过程中，一个很重要的参数就是火焰拉伸率。在稳态火焰中，火焰的-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn[9]拉伸率可以用下面的公式进行计算：κ=−∇×nVn()S×(4)130上式中Vs表征了流体不均匀性对拉伸作用的贡献，n则表征了火焰曲面对拉伸作用的贡献。为了更清晰地理解这两种原因造成的拉伸影响，我们将本生灯的火焰前锋面用多项式y=f(x)来表示，未燃混合气流速vs和火焰面上法向量n可以用下式表示：vs=(u,v,0)(5)dfx()−1(6)dxn=,,01/21/222dfx()dfx()++11dxdx2∂∂udfxuv()∂dfx()∂vdfx2()dfx()+++vu−135∂∂xdxyx∂dxy∂dx2dx(7)κ=+23/21/2dfx()dfx()22dfx()+1++11dxdxdx上式中等式右边第一项表征流场不均匀性对火焰拉伸率的贡献；第二项表示火焰前锋面的曲率对拉伸率的贡献。图7所示为掺氢比XH2为0.6，雷诺数Re为1600工况下，火焰的OH图像。选取火焰面最底端以及火焰中点为两个坐标轴的方向。140图7火焰面坐标图在本文实验中，本生灯出口流体是充分发展的，可以根据流体动力学理论得到本生灯出口处速度的空间分布2Uave22Ux()=−(dx)(8)2d其中，Uave为此工况下本生灯出口处平均速度;d为本生灯出口半径。根据速度分布，可145以得到本生灯火焰拉伸率为2∂udf()xdf()x−⋅u∂xdxdx2(9)κ=+22dfx()dfx()2+1+1dxdx图8所示为根据公式（10）计算得到的本生灯火焰结构中拉伸率之间的关系。图中黑色曲线代表流体动力学拉伸κS的大小，红色曲线代表曲率拉伸κc的大小。由图可知，在火焰两侧肩部，火焰拉伸略微大于零，这是因为，在两侧肩处，火焰由于曲率引起的拉伸率基本150为零，此时引起火焰拉伸的大部分因素是流体动力学拉伸，也就是火焰前锋面的速度分量。-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn靠近本生灯火焰顶端处，火焰拉伸率急剧变化，并且在本生灯火焰中点处达到绝对值最大。也就是说，在负拉伸的本生灯火焰结构中，火焰的负拉伸主要是由于曲率拉伸κc引起的，并且在火焰顶端曲率引起的负拉伸达到绝对值最大，而由流体动力学拉伸κS引起的火焰拉伸基本上可以忽略不计。2000-200κs-400κc-600-1κs/κ-800-1000-1200-1400-1600-6-4-20246155d/mm图8本生灯火焰各个拉伸率分量由上述分析可知，本生灯火焰顶端的拉伸率主要由火焰的曲率引起，流体动力学拉伸对火焰总拉伸率的影响基本上可以忽略。这个对冲火焰火焰拉伸率的引起因素正好相反。在对冲火焰中，火焰拉伸率主要是由流体动力学因素引起。由曲率引起的火焰拉伸会对火焰的厚160度产生影响，所以造成了本生灯火焰顶端熄灭是局部Ka的不同。4结论本文利用OH-PLIF激光测试技术探测了不同掺氢比合成气以及丙烷预混层流本生灯火焰结构，得到了它们发生顶端开口的临界当量比，计算了其顶端的局部Ka。主要结论如下：1.合成气以及丙烷本生灯火焰顶端开口现象符合有效Lewis数对火焰的预测。对于稀燃合165成气，掺氢比较高时，即有效Lewis数小于1时，其火焰发生顶端开口。对于丙烷火焰来说，在当量比大于1工况下其有效Lewis数小于1，此时，出现顶端开口。2.不同掺氢比合成气发生顶端开口时当量比不同。掺氢比XH2为0.6、0.7、0.8的合成气顶端局部熄灭的临界当量比为0.80、0.82、0.86，具体表现为掺氢比越高，合成气越容易出现顶端局部熄灭。丙烷本生灯火焰顶端局部熄灭的临界当量比为1.44。1703.可以用局部Ka衡量本生灯火焰顶端熄灭现象。在掺氢比XH2为0.6的合成气中，本生灯火焰顶端发生熄灭时的局部Ka为4.5。在掺氢比XH2为0.7的合成气中，本生灯火焰顶端发生熄灭时的局部Ka为4.0。丙烷本生灯火焰顶端发生熄灭时的局部Ka为1.5。[参考文献](References)175[1]LipatnikovAN,ChomiakJ.Moleculartransporteffectsonturbulentflamepropagationandstructure[J].ProgressinenergyandCombustionScience,2005,31(1):1-73.[2]PoinsotT,EchekkiT,MungalMG.AStudyoftheLaminarFlameTipandImplicationsforPremixedTurbulentCombustion[J].CombustionScienceandTechnology,1992,81(1-3):45-73.[3]C.K.Law.Structure,AerodynamicandGeometryofPremixedFlamelet[J].ProgressinEnergyandCombustion180Science.2000,26:459-505[4]MatalonM.OnFlameStretch[J].CombustionScienceandTechnology,2007,31(3-4):169-181.-7- 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