理论上来说,造成壁面淬熄的两种原因热消耗和自由基销毁是等价的.对于壁面淬熄的理论分析,从自由基销毁角度入手的较少,如陈正等[6]研究了一个圆管中传播的火焰,建立了一个准一维的模型,将火焰传播速度和淬熄极限与自由基Lewis数、壁面温度、管径等关联起来.而从热平衡角度入手分析壁面淬熄的较多[7].从热平衡角度入手时,淬熄距离是淬熄研究中的一项重要参数[8].所谓淬熄距离,一般是指火焰停止向壁面方向传播的最小距离[1].有许多针对圆管内和两平行平板间的火焰淬熄距离的理论与实验研究,如Goolsby和Haskell[9]、Hackert等[10]、Alkidas[11].其中Goolsby和Haskell[9]研究了一个实际发动机燃烧室中的火焰在狭缝中的淬熄距离.Hackert等[10]采用了一步化学反应机理和二维有限差分格式数值计算了两平行平板间和圆管内层流火焰的淬熄距离.其研究结果表明流道的辐射会抑制淬熄效应.这些研究发现,淬熄距离与壁面温度、来流压力、当量比等参数之间都存在关系.但是,由于这些影响淬熄的参数之间互相耦合,不容易独立区分开;再加上淬熄现象涉及的尺度很小,所以很难建立一个通用性高的淬熄模型[1].在早期的研究中提出了一些淬熄距离的经验模型[12, 13, 14].Berlad和Potter[12, 13]基于热平衡推导出了淬熄距离模型,表征该模型的方程由导热、燃料浓度、比热、化学反应速率等项以及一个结构系数与一个经验系数组成;该方程采用Semenov方程求解火焰传播速度.这一模型表明,在任何初始温度与当量比下,淬熄距离与火焰传播速度和压力均呈反比.Ferguson和Keck[14]推导了流动分别垂直于和平行于一个热沉的两种情况下的火焰淬熄距离.该模型将淬熄距离与火焰传播速度和贫油熄火温度关联起来.模型表明火焰厚度是表征热损失的特征长度.
对于单壁的壁面淬熄来说,淬熄距离通常与由实验测定的壁面最大热流[15, 16]关联起来[1].在此基础上Sotton等[1]在2005年针对平行于无限大平板的火焰的单壁面淬熄进行了理论与实验的分析,得到了一个淬熄距离与壁面热流和化学反应放热关联的半经验模型.Boust[8]在Sotton的基础上针对瞬时层流火焰单壁面淬熄进行了进一步分析.Boust分析了两种层流火焰的淬熄现象,即平行于壁面的火焰和垂直于壁面的火焰.这项研究的进步之处在于没有采用经验系数.另外,Wichman和Bruneaux[17]对平行于壁面的预混火焰在冷壁面上的淬熄进行了数学分析.Popp和Baum[5]测量并研究了平行于壁面的甲烷预混火焰淬熄时的壁面热流、反应机理和未燃碳氢化合物的排放.其研究结果表明向壁面的热流随壁面温度的升高而增大.Hasse等[18]采用详细化学反应机理数值计算了辛烷的壁面淬熄.这项研究主要考察了温度与压力对淬熄的影响,涉及到的火焰当量比为0.9、1.0和1.1.以上这些研究的大体思路都与Sotton和Boust的类似,以能量守恒为基础推导预测淬熄距离的模型.
淬熄距离的测量是壁面淬熄研究中的另一个重要问题.从测量方法上来说,都是通过测量火焰照片中发光区边缘与壁面的距离,来测定淬熄距离.Daniel[19]观察了一个内燃机中的火焰淬熄现象.Bellenoue等[20]通过直接拍摄近壁面的火焰位置来测量平行于和垂直于单壁壁面的甲烷预混火焰淬熄距离.Enomoto[21, 22]也采用直接拍摄的方法测量燃烧管中火焰的淬熄距离.然而,对单壁面淬熄距离[20, 21, 22],特别是实际发动机燃烧室中淬熄距离的测量[19]仍然是一项较困难的工作.
以上对于壁面淬熄距离的研究有以下特点:
1) 多从能量守恒的角度入手,即淬熄区域向壁面的耗散热应不小于从火焰面传递来的热.
2) 研究的对象多为平行于两平板之间的火焰、平行或垂直于单壁面的火焰以及圆管内的火焰.这些火焰都可以视为理想的平面火焰,其火焰结构本身对淬熄距离并无影响或者影响可以忽略不计.
然而对于一个实际的火焰,即使是简单的本生灯火焰,其火焰结构也会影响从火焰面向壁面附近传递热量的过程.比如当来流速度增大时,火焰面变长,向壁面附近传递的热量增多;再比如在富油燃烧时,双层火焰的存在使得火焰结构更加复杂,对淬熄距离的影响也就更加复杂.这些影响因素在上述的研究中不易体现出来.为了将前人的理论与实际火焰中的淬熄现象联系起来,本文通过直接拍摄法,测量贫富油工况下甲烷本生灯预混火焰的淬熄距离,得到预混气来流速度和当量比对淬熄距离的影响关系,并从能量守恒的角度对这一关系进行解释.
1 本生灯预混火焰实验系统对于一个驻定在燃烧器出口的本生灯火焰来说,其火焰根部或者说稳定点往往距灯管出口壁面有1~2mm的间距[23].这一距离就是由壁面淬熄作用造成的[24],因此本研究通过拍摄火焰后测得的火焰根部到壁面的流向最小距离作为本生灯火焰的淬熄距离.
1.1 实验装置本实验系统与笔者等[25, 26, 27]前期研究中的类似,其示意图如图 1所示.实验采用甲烷作为燃料.为了保证提供的预混气的均匀性,实验前预先制备预混气,将其预充到预混气罐3中,其当量比由充气时燃料与空气的分压调整.压力表 6的量程为1.600MPa,精度为±0.4%;根据误差传递原理,当量比的相对误差为±3.2%.实验时通过调节流量计9控制本生灯管出口流速.该流量计为可调节的玻璃转子流量计,型号LZB-10,量程1600L/h,精度±4%,则出口流速的相对误差为±4%.本生灯出口内径10mm.灯管中预混气压力101.3kPa,温度298K.灯管头部使用冷却水控制壁面温度.淬熄距离 通过一部NIKON COOLPIX P90相机拍摄火焰照片后分析得到,相机像素4000×3000.相机设置如表 1所示[26].背景光采用红光.
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| 1,2,3—气罐;4,5,7,8—阀门;6—压力表; 9—流量计;10—本生灯;11—相机. |
| 图 1 本生灯实验装置系统示意图Fig. 1 Sketch of Bunsen flame experiment apparatus system |
| 图选项 |
表 1 NIKON COOLPIX P90相机设定Table 1 NIKON COOLPIX P90 camera setup
| 项目 | 快门速度/s | ISO感光度 | 光圈 |
| 参数 | 1/15 | 800 | F4.5 |
表选项
1.2 淬熄距离测量方法分析火焰相片的色差可以绘出火焰的轮廓,如图 2所示.本研究取图 2中火焰根部轮廓线距出口壁面的流向最小距离为壁面淬熄距离.为了得到尽可能清晰的火焰根部照片,相机焦距被尽可能地调小.本实验最终拍摄照片对应的空间尺度是48.3mm×36.2mm,分析照片时的误差为±1像素,则淬熄距离测量的误差为±0.0121mm;本实验中的淬熄距离在0.2～3.0mm之间,淬熄距离测量的相对误差不超过±6%.
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| 图 2 壁面淬熄距离的测量方法Fig. 2 Measurement method of wall quenching distance |
| 图选项 |
2 实验方案为了得到淬熄距离与预混气来流速度和当量比的关系,本实验进行的步骤如下:
1) 制备某当量比的预混气.
2)燃烧该当量比下的预混气,从小到大调节流速;在调节到选定的速度时拍摄火焰照片,直到火焰吹熄.
3) 制备下一组当量比的预混气,重复第2)步.
选定的当量比Φ系列如下:0.806,0.911,1.015,1.112,1.198,1.222,1.287,1.308,1.404,1.406,1.477,1.616,1.790,2.037,2.214,2.404,2.586,2.744,3.021.
来流速度u0系列如下:0.728,1.019,1.310,1.602,1.893,2.184,2.475,2.766,3.058m/s.
拍摄得到的火焰照片系列如图 3所示.
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| 图 3 火焰照片系列Fig. 3 Flame photo series |
| 图选项 |
3 实验结果与分析3.1 淬熄距离与速度关系第2节的实验中,将火焰根部距出口壁面的流向最小距离作为壁面淬熄距离.图 4是通过实验得到的不同当量比下淬熄距离随来流速度变化的关系图.从实验结果发现,淬熄距离随来流速度的变化规律在不同的当量比范围内是不同的.图 4(a)是Φ=0.8~1.2时淬熄距离的变化情况,此时火焰大多处于贫油或者化学恰当比的状态.可以发现随着来流速度的提高,淬熄距离逐渐增大.在图 4(c)中,当Φ>1.4时,淬熄距离与来流速度的关系完全变为递减,且变化范围很小,而且当速度增大到一定程度后基本可看作不变了.而从图 4(b)发现,当Φ=1.2~1.4时,此时火焰处于略富油的状态,淬熄距离与来流速度的关系比较复杂,大体上从递增向递减转变,处于一种过渡的状态.从图 4(a)和图 4(c)可看出,这两图对应的当量比范围内淬熄距离的变化规律比较明显,而且两者的变化趋势是相反的;而在图 4(b)中的当量比下,也许是由于淬熄距离处于随速度递增向递减的过渡态,而本文中的测量方法在这种过渡态下可能存在误差较大的问题,造成图 4(b)工况下淬熄距离的变化规律不明显,这是这一研究下一步需要改进的一个问题.
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| 图 4 不同当量比下淬熄距离与来流速度的关系Fig. 4 Relation between quenching distance and flow velocity under different equivalence ratios |
| 图选项 |
3.2 淬熄距离与当量比关系图 5则是不同来流速度下,淬熄距离随当量比的变化关系.可以看到,在不同来流速度下,淬熄距离与当量比的变化规律基本是一致的,并不会像图 4的淬熄距离与速度变化曲线一样,在不同的流速范围内产生趋势上的变化.然而,就其变化趋势本身来说仍是较复杂的.当Φ<1.015,即贫油燃烧时,随着当量比变大,淬熄距离逐渐减小.当Φ>1.015时,即略富油时,淬熄距离先是增大;当Φ=1.2~1.4,即3.1节中提到的过渡态时,淬熄距离增大到一个极值后又开始减小,也同样呈现了过渡态的特征.当Φ>1.4时,与3.1节的结果类似,虽然淬熄距离仍然减小,但变化幅度较小,最终淬熄距离也基本可看作不变了.
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| 图 5 不同来流速度下淬熄距离与当量比的关系Fig. 5 Relation between quenching distance and equivalence ratio under different flow velocities |
| 图选项 |
3.3 淬熄距离变化关系分析由实验结果发现,在Φ=0.8～3.0的范围里,本生灯火焰的壁面淬熄距离不论随来流速度还是当量比,都不是单调地变化的,笔者认为这与本生灯贫富油燃烧时不同的火焰结构有很大关系.
对于本生灯火焰来说,在贫油燃烧和富油燃烧时会出现不同的火焰形态.在贫油燃烧时,火焰只是单纯的呈一个锥形结构,如图 6(a)[26]所示;而在富油燃烧时,火焰会出现一个双层结构,即除了一个与贫油时类似的内锥,还存在一个更长的外锥,如图 6(b)[28]所示.究其原因,在富油燃烧时,首先在内层火焰的区域,来流富油预混气燃烧产生预混火焰,这一区域也可称为富油预混火焰区;在经过内层火焰面后,助燃剂已被耗尽,只剩下未反应的燃料和产物.未反应的燃料在外层火焰的区域与外界环境中的助燃剂发生接触并混合,并在空间上的化学恰当比处燃烧,这一区域也被称为扩散火焰区.实际上内外层火焰也是相互影响的,内层的富油预混火焰为外层提供自由基等中间产物;外层的扩散火焰向内层提供热和H原子[28].因此,在Φ>1时,必须考虑富油的外层火焰对淬熄距离的影响.
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| 图 6 贫富油时不同的火焰结构Fig. 6 Different flame structures of lean and rich flames |
| 图选项 |
根据引言中所述,分析壁面淬熄时通常从热平衡角度入手.本文认为,影响壁面附近热量传递的主要因素可能有两个:一个是火焰面的辐射对壁面附近气体的加热[8]；一个是来流气体对壁面附近气体的冷却.随着来流速度的提高,火焰面变长,辐射增强,抑制淬熄效应;同时来流气体的冷却作用也增强,加强了淬熄效应.因此这两个因素处于竞争的关系.当Φ=0.8~1.2时,由于只有单层火焰,火焰面辐射的影响要弱一些,因此随着来流速度的提高,来流对壁面附近气体的冷却作用加强,此时淬熄距离逐渐增大.当Φ=1.2~1.4时,火焰出现了如图 6(b)所示的双层结构;与贫油火焰相比,这种双层火焰会向壁面传递更多的热量,因此火焰面辐射的影响比贫油燃烧时要强.在这一当量比范围内,预混气来流的冷却与火焰面的加热两种影响因素互相竞争,淬熄效应呈现一个过渡的状态.当当量比再增大到一定程度后,火焰面的加热对淬熄的抑制作用逐渐占据主导地位,淬熄距离与来流速度的关系就逐渐转变为递减.因此当Φ>1.4时,淬熄距离与来流速度的关系完全变为递减.
而固定流速变化当量比时也有类似的解释.当Φ<1.015时,随着当量比变大,淬熄距离逐渐减小,这是因为随着当量比接近化学恰当比,火焰面温度提高,对壁面附近传热增大,抑制淬熄作用.当Φ>1.015时,淬熄距离先是增大,这也是因为随着当量比远离恰当比,火焰面温度降低,对壁面附近传热减小.但淬熄距离增大到一个极值后又开始减小,正如上述分析中所说,富油火焰的双层火焰结构会抑制淬熄效应.当然这种抑制作用也不是无限大的,因此最终淬熄距离会稳定在一个值上.
当然,传热只是造成上述本生灯淬熄距离变化关系的一个主要原因,其他因素如火焰的弯曲与拉伸、自由基等都有可能对这一变化关系造成影响.若要得到本生灯淬熄距离的变化规律,则需综合这些因素进行定量的分析,这也是这项研究下一步工作的重点.
4 结 论本文通过实验得到了Φ=0.8～3.0范围内甲烷本生灯预混火焰壁面淬熄距离的变化关系,并从热平衡角度入手对这一关系进行了分析.分析结果表明:
1) 若固定当量比变化来流速度,当Φ=0.8~1.2时,淬熄距离随来流速度增大而增大.当Φ=1.2~1.4时,淬熄距离与来流速度的关系从递增逐渐向递减转变.当Φ>1.4时,淬熄距离随来流速度增大而减小,但变化幅度较小,最终可基本看作不变.
2) 若固定来流速度变化当量比,当Φ<1.015 时,淬熄距离随当量比增大而减小.当Φ>1.015时,淬熄距离先随当量比增大而增大;但当Φ=1.2~1.4时达到极大值后开始减小.Φ>1.6后淬熄距离基本保持不变.
淬熄距离的这一变化关系可能是由预混气来流的冷却作用和火焰面的加热作用共同影响所造成的.尤其是富油火焰的双层结构会极大地影响淬熄效应.在未来的工作中,将从这一分析结果入手,综合考虑火焰弯曲与拉伸、自由基等因素,得到本生灯火焰壁面淬熄距离的变化规律.
参考文献
| [1] | Sotton J,Boust B, Labuda S A,et al.Head-on quenching of transient laminar flame:Heat flux and quenching distance measurements[J].Combustion Science and Technology,2005,177(7):1305-1322. |
| Click to display the text | |
| [2] | von Elbe G, Lewis B.Theory of ignition,quenching and stabilization of flames of nonturbulent gas mixtures[J].Symposium on Combustion Flame and Explosion Phenomen,1949,3(1):68-79. |
| [3] | Sher E, Heywood J B,Hacohen J.Heat transfer to the electrodes a possible explanation of misfire in SI-engines[J].Combustion Science and Technology,1992,83(4-6):323-325. |
| [4] | Dulger M, Sher E,Chemla F.Simulation of spark created turbulent flame development through numerical stochastic realizations[J].Combustion Science and Technology,1994,100(6):141-162. |
| [5] | Popp P, Baum M.Analysis of wall heat fluxes,reaction mechanisms,and unburnt hydrocarbons during the head-on quenching of a laminar methane flame[J].Combustion and Flame,1997,108(3):327-348. |
| Click to display the text | |
| [6] | Bai B, Chen Z,Zhang H W,et al.Flame propagation in a tube with wall quenching of radicals[J].Combustion and Flame,2013,160(12):2810-2819. |
| Click to display the text | |
| [7] | Wohl K. Quenching,flash-back,blow-off:Theory and experiment[J].Symposium on Combustion Flame and Explosion Phenomena,1953,4(1):68-89. |
| [8] | Boust B, Sotton J.A thermal formulation for single-wall quenching of transient laminar flames[J].Combustion and Flame,2007,149(3):286-294. |
| Click to display the text | |
| [9] | Goolsby A D, Haskell W W.Flame-quench distance measurements in CFR engine[J].Combustion and Flame,1976,26(1):105-114. |
| [10] | Hackert C L, Ellzey J L,Ezekoye O A.Effect of thermal boundary conditions on flame shape and quenching in ducts[J].Combustion and Flame,1998,112(1-2):73-84. |
| Click to display the text | |
| [11] | Alkidas A C. Combustion-chamber crevices:The major source of engine-out hydrocarbon emissions under fully warmed conditions[J].Progress in Energy and Combustion Science,1999,25(3):253-273. |
| Click to display the text | |
| [12] | Berlad A L, Potter A E.Prediction of the quenching effect of various surface geometries[J].Symposium (International) on Combustion,1955,5(1):728-735. |
| Click to display the text | |
| [13] | Potter A E, Berlad A L.A thermal equation for flame quenching,NASA TN 3398[R].Washington,D.C.:US Government Printing Office,1955. |
| [14] | Ferguson C R, Keck J C.On laminar flame quenching and its application to spark ignition engines[J].Combustion and Flame,1977,28(2):197-205. |
| [15] | Vosen S R, Greif R,Westbrook C K.Unsteady heat transfer during laminar flame quenching[J].Symposium (International) on Combustion,1985,20(1):75-83. |
| Click to display the text | |
| [16] | Huang W M, Vosen S R,Greif R.Heat transfer during laminar flame quenching:Effect of fuels[J].Symposium (International) on Combustion,1988,21(1):1853-1860. |
| Click to display the text | |
| [17] | Wichman I S, Bruneaux G.Head-on quenching of a premixed flame by a cold wall[J].Combustion and Flame,1995,103(4):296-310. |
| Click to display the text | |
| [18] | Hasse C, Bollig M,Peters N,et al.Quenching of laminar iso-octane flames at cold walls[J].Combustion and Flame,2000,122(1-2):117-129. |
| Click to display the text | |
| [19] | Daniel W A. Flame quenching at the walls of an internal combustion engine[J].Symposium (International) on Combustion,1957,6(1):886-894. |
| Click to display the text | |
| [20] | Bellenoue M, Kageyama T,Labuda S A,et al.Direct measurement of laminar flame quenching distance in a closed vessel[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2003,27(3):323-331. |
| Click to display the text | |
| [21] | Enomoto M. Head-on quenching of a premixed flame on the single wall surface[J].JSME International Journal Series B Fluids and Thermal Engineering,2001,44(4):624-633. |
| Click to display the text | |
| [22] | Enomoto M. Side-wall quenching of laminar premixed flame propagating along the single wall surface[J].Proceedings of the Combustion Institute,2002,29(1):781-787. |
| Click to display the text | |
| [23] | Bennett B A V, Fielding J,Mauro R J,et al.A comparison of the structures of lean and rich axisymmetric laminar Bunsen flames:Application of local rectangular refinement solution-adaptive gridding[J].Combustion Theory and Modelling,1999,3(4):657-687. |
| Click to display the text | |
| [24] | Lewis B, von Elbe G.Combustion,flames and explosions of gases[M].New York:Academic Press,1961:266. |
| [25] | 黄夏,黄勇,王方, 等.采用速度匹配法研究本生灯火焰的稳定点位置[J].燃烧科学与技术,2011,17(1):72-77. Huang X,Huang Y,Wang F,et al.Anchoring point of a Bunsen flame by velocity-matching method[J].Journal of Combustion Science and Technology,2011,17(1):72-77(in Chinese). |
| Cited By in Cnki (2) | |
| [26] | Huang X, Huang Y,Wang F,et al.Bunsen flame blow-off:Velocity-matching method[C]//ASME 2011 Turbo Expo:Turbine Technical Conference and Exposition.Volume 2:Combustion,Fuels and Emissions,Parts A and B.New York:American Society of Mechanical Engineers,2011:623-631. |
| [27] | 黄夏,黄勇,巩帆. 本生灯层流预混火焰稳定点与熄火机理[J].北京航空航天大学学报,2013,39(10):1325-1330. Huang X,Huang Y,Gong F.Anchoring point and blow-off mechanism of Bunsen laminar premixed flame[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2013,39(10):1325-1330(in Chinese). |
| Cited By in Cnki () | |
| [28] | Aggarwal S K. Extinction of laminar partially premixed flames[J].Progress in Energy and Combustion Science,2009,35(6):528-570. |
| Click to display the text |
