陳 露，夏永放，李本文,3，史俊瑞，徐有寧

(1.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，遼寧 沈陽 110178； 2.沈陽工程學(xué)院 遼寧省潔凈燃燒發(fā)電與供熱技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110136； 3.大連理工大學(xué) 熱能工程研究所，遼寧 大連 116024)

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低速過濾燃燒熱斑不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)研究

陳 露1，夏永放2，李本文1,3，史俊瑞2，徐有寧2

(1.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，遼寧 沈陽 110178； 2.沈陽工程學(xué)院 遼寧省潔凈燃燒發(fā)電與供熱技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110136； 3.大連理工大學(xué) 熱能工程研究所，遼寧 大連 116024)

通過對多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)低速過濾燃燒胞狀結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在直徑3.5 mm氧化鋁小球堆積床內(nèi)，出現(xiàn)在主燃燒波上游的胞狀結(jié)構(gòu)體對主燃燒波傳播的穩(wěn)定性起著支配作用。另外，通過分析比較局部熱斑分布圖發(fā)現(xiàn)，熱斑不均勻地駐定在燃燒器內(nèi)，而且堆積床內(nèi)孔隙率對熱斑影響顯著，孔隙率小，熱斑點(diǎn)多且其單個體積??；孔隙率大，熱斑數(shù)量少且其單個體積大。

低速過濾燃燒；熱斑穩(wěn)定性；燃燒波傳播；孔隙率

多孔介質(zhì)燃燒具有低NOx和CO排放、高能流密度及調(diào)節(jié)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)、低熱值氣體燃燒器、揮發(fā)性有機(jī)化合物氧化器及輻射供熱器等[1]。因此，許多研究人員通過實(shí)驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算及理論分析等手段研究發(fā)展多孔介質(zhì)燃燒器技術(shù)[2-7]。

Weinberg[8]在初步研究中首次提出了超絕熱燃燒或超焓燃燒的概念，通過理論研究表明：如果通過多孔介質(zhì)回收部分反應(yīng)化學(xué)熱傳給未燃反應(yīng)物，燃燒溫度高于理論絕熱燃燒溫度是可能的。Zhdanok等[9]研究了在惰性多孔介質(zhì)燃燒器甲烷/空氣預(yù)混氣體過濾燃燒波的傳播特性，通過理論分析得到了一個燃燒波傳播速度與熱波傳播速度間的關(guān)系式，此關(guān)系式為化學(xué)反應(yīng)熱和熱損失的一個函數(shù)，而且該函數(shù)關(guān)系式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果正好相吻合。Henneke等[10]對堆積床內(nèi)過濾燃燒傳播特性做了數(shù)值模擬研究，計(jì)算結(jié)果表明：固相溫度與文獻(xiàn)[9]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果正好相吻合。

然而，超絕熱燃燒波在多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)傳播的過程中，火焰面傾斜和熱斑等不穩(wěn)定現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。在實(shí)際應(yīng)用中，由于這些不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生會影響到設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。因此，近幾十年來，該問題受到了許多研究人員的關(guān)注。

Saveliev等[11]通過實(shí)驗(yàn)研究了貧氫氣/空氣預(yù)混氣體在氧化鋁小球堆積床內(nèi)的低速過濾燃燒多燃燒波結(jié)構(gòu)，給出了過濾速度ug=1.3 m/s和氫氣濃度體積YH2=6.8%實(shí)驗(yàn)工況的一張空間胞狀結(jié)構(gòu)體圖像，基于孔驅(qū)動燃燒的熱擴(kuò)散不穩(wěn)定框架，分析討論了胞狀結(jié)構(gòu)體的機(jī)理，但沒給出更低實(shí)驗(yàn)參數(shù)(μg和YH2)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而且在分析過程中未考慮多孔介質(zhì)孔隙率的影響。因此，有必要探明在更低的實(shí)驗(yàn)參數(shù)下熱斑不穩(wěn)定特性及多孔介質(zhì)孔隙率對熱斑的影響。Kakutkina[12]考慮了火焰面的曲率和傾斜角度，使用單溫?zé)崮Ｐ瓦M(jìn)行理論分析，提出了曲波火焰面?zhèn)鞑ニ俣鹊囊话惚磉_(dá)式和熱斑不穩(wěn)定性發(fā)生的判定標(biāo)準(zhǔn)。Yang等[13]通過實(shí)驗(yàn)研究了甲烷/空氣在惰性高孔隙微纖維介質(zhì)填充不同管徑石英管內(nèi)的過濾燃燒特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)出火焰面錨定效應(yīng)及燃燒波劈裂現(xiàn)象，而用傳統(tǒng)模擬方法無法解釋這些現(xiàn)象。

因此，通過實(shí)驗(yàn)研究稀氫氣/空氣預(yù)混低速過濾燃燒波的傳播過程，觀測燃燒波的不穩(wěn)定傳播及胞狀結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性特點(diǎn)，分析胞狀結(jié)構(gòu)體對主燃燒波傳播不穩(wěn)定的影響，以及胞狀結(jié)構(gòu)體的演變特性。此外，為了確認(rèn)預(yù)混氣體過濾速度、氫氣濃度及多孔介質(zhì)孔隙率等參數(shù)對胞狀結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性的影響，分析比較不同實(shí)驗(yàn)工況下胞狀結(jié)構(gòu)的形成及其堆積床內(nèi)的分布特點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)如圖1所示。低速過濾燃燒實(shí)驗(yàn)燃燒器為內(nèi)徑63 mm、長度600 mm的石英管，其內(nèi)部由氧化鋁小球填充，堆積床的高度為450 mm。為了研究堆積床孔隙率對胞狀結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性的影響，實(shí)驗(yàn)中使用氧化鋁小球的平均直徑分別為3.5 mm和8.5 mm，其堆積床孔隙率分別約為0.39和0.45[14]。燃燒器外壁的保溫材料為氧化鋁微纖維，保溫層厚度為40 mm。燃燒波傳播過程圖像使用FLUKE Ti32熱像儀和OLYMPUS相機(jī)SZ-30MR同時進(jìn)行采集。預(yù)混氫氣/空氣預(yù)混合物流量由電子流量控制器控制，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下其控制精度為4%。實(shí)驗(yàn)使用的燃料氫的純度為99.998%。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)中過濾氣體速度μg的范圍為0.6 m/s～1.1 m/s,氫氣濃度YH2的變化范圍為4.0～7.5%。實(shí)驗(yàn)測溫采用紅外熱像非接觸式測溫技術(shù)，測得燃燒器表面的高溫區(qū)用來定性代表火焰形狀，而且把捕捉到的中心溫度的圖像提取出來，對燃燒波的傳播規(guī)律做定量分析。實(shí)驗(yàn)過程中每次捕捉圖像時，熱像儀和相機(jī)的位置不變，捕捉角度保持恒定，過濾燃燒波傳播速度的數(shù)量級為10-4m/s，捕捉傳播圖像的時間間隔設(shè)定為3 min。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 燃燒波傳播不穩(wěn)定性

實(shí)驗(yàn)工況為d=3.5 mm、ug=0.6 m/s、YH2=6.0%時，火焰面不穩(wěn)定性演變過程及熱斑不穩(wěn)定性現(xiàn)象如圖2所示。初始時刻火焰面具有一個朝向左側(cè)方向的傾斜角α，隨著燃燒波傳播的進(jìn)行，在180 s后，當(dāng)燃燒器上游開始出現(xiàn)熱斑時，傾斜角不但沒有增加，反而被抑制；在360 s后，火焰面完全變成平火焰面；在傳播到540 s時，由于燃燒波上游出現(xiàn)更多的熱斑形成胞狀結(jié)構(gòu)體，火焰面開始漸漸向右側(cè)方向傾斜。然而，在接下來的傳播過程中，傾斜角增長率(定義為傾斜角增長量隨時間的變化率)的變化并不是太劇烈。由此表明，熱斑組成的胞狀結(jié)構(gòu)體對主燃燒波的穩(wěn)定性具有顯著地支配作用。另外，當(dāng)主燃燒波離開燃燒器后，胞狀結(jié)構(gòu)體燃燒波經(jīng)過演變到4 320 s時，穩(wěn)定而隨機(jī)地駐定在燃燒器內(nèi)，燃燒器壁面的最高溫大約為125 ℃，低于超絕熱燃燒波的溫度，這是由于胞狀結(jié)構(gòu)體屬于單個燃燒點(diǎn)的燃燒，不是連續(xù)的整體火焰面占據(jù)燃燒器截面，從而導(dǎo)致氫氣不完全燃燒。因此，胞狀結(jié)構(gòu)體溫度比超絕熱燃燒波的溫度低很多。

為了研究堆積床孔隙率對燃燒波傳播不穩(wěn)定性的影響，實(shí)驗(yàn)中還使用了平均直徑為8.5 mm的氧化鋁小球，其堆積床孔隙率為0.45。實(shí)驗(yàn)工況為d=8.5 mm、ug=0.6 m/s、YH2=5.0%時火焰面不穩(wěn)定性的演變過程如圖3所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然主燃燒波上游出現(xiàn)胞狀結(jié)構(gòu)，但是主燃燒波在傳播過程中表現(xiàn)得比較穩(wěn)定。與圖2中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，圖3中由于多孔介質(zhì)孔隙率增大，燃燒波傳播速度較快，高溫區(qū)拉伸。主燃燒波離開燃燒器后，胞狀結(jié)構(gòu)體經(jīng)過演變到2 880 s，不均勻地駐定在燃燒器內(nèi)。與文獻(xiàn)[11]結(jié)果進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，在更低的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)(ug=0.6 m/s、YH2=5.0%)和大孔隙率的影響下，熱斑也會不穩(wěn)定。

圖2 實(shí)驗(yàn)工況為d=3.5mm、ug=0.6m/s、YH2=6.0%時火焰面不穩(wěn)定性演變過程及熱斑不穩(wěn)定性

圖3 實(shí)驗(yàn)工況d=8.5mm、ug=0.6m/s、YH2=5.0%時火焰面不穩(wěn)定性演變過程及熱斑不穩(wěn)定性

為了定量分析燃燒波變化規(guī)律，與圖3對應(yīng)的燃燒器壁面中心的溫度分布如圖4所示。由于平均的高溫區(qū)域擴(kuò)大，溫度波的峰值區(qū)域逐漸變得平緩，溫度波峰值溫度逐漸降低，在900 s～2 160 s傳播時間段出現(xiàn)雙波結(jié)構(gòu)，整個傳播過程形成溫度波的衰減。導(dǎo)致衰減的原因可能有兩點(diǎn)：一是燃燒器上游的熱斑出現(xiàn)，一部分氫氣被燃燒掉，主燃燒區(qū)氫氣的釋熱量下降；二是多孔介質(zhì)孔隙率大，加快了高溫區(qū)熱量傳遞速度，火焰面拉伸變長，高溫區(qū)域擴(kuò)大，從而加劇了溫度波的衰減。

圖4 燃燒器壁面中心的溫度分布

實(shí)驗(yàn)工況為d=8.5 mm、ug=0.6 m/s、YH2=6.0%時火焰面不穩(wěn)定性的演變過程如圖5所示。與圖3相比，高溫區(qū)域依然擴(kuò)大。而在燃燒器底部出現(xiàn)一個顯著的胞狀結(jié)構(gòu)體燃燒區(qū)，形成與文獻(xiàn)[11]結(jié)果類似的雙波結(jié)構(gòu)。

2.2 熱斑特性

為了解胞狀結(jié)構(gòu)體的特點(diǎn)，圖6給出了實(shí)驗(yàn)工況為d=3.5 mm,ug=0.5 m/s,YH2=6.5%時不同捕捉角度的熱斑分布。由圖6可以看出，胞狀結(jié)構(gòu)體由熱斑組成，每個熱斑可以看作是一個具有內(nèi)熱源的多孔介質(zhì)，內(nèi)熱源項(xiàng)由該區(qū)的化學(xué)反應(yīng)熱提供。未燃的氫氣/空氣預(yù)混氣體與熱斑點(diǎn)區(qū)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)的熱值交換，未燃預(yù)混氣流形成尾跡區(qū)包圍熱斑，穩(wěn)定在燃燒器內(nèi)部。從不同角度觀測的結(jié)果表明，各個熱斑在燃燒器內(nèi)的分布是不均勻的，各熱斑連結(jié)起來組成的胞狀結(jié)構(gòu)體不均勻地駐定在燃燒器內(nèi)。

圖5 實(shí)驗(yàn)工況為d=8.5 mm、ug=0.6 m/s、YH2=6.0%時火焰面不穩(wěn)定性演變過程及熱斑不穩(wěn)定性

圖6 實(shí)驗(yàn)工況為d=3.5 mm,ug=0.5 m/s,YH2=6.5%時不同捕捉角度熱斑分布

2.3 孔隙率影響

實(shí)驗(yàn)工況為ug=0.6 m/s、YH2=6.0%時，氧化鋁小球直徑為3.5 mm的熱斑分布如圖7中的a圖所示；氧化鋁小球直徑為8.5 mm的熱斑分布如圖7中的b圖所示，堆積床孔隙率分別為0.39和0.45。從a、b兩圖的比較結(jié)果可以看出，孔隙率小的堆積床內(nèi)熱斑數(shù)量多，且體積?。欢紫堵蚀蟮亩逊e床內(nèi)熱斑分布數(shù)量少且為體積較大的塊狀結(jié)構(gòu)。由此可見，孔隙率對熱斑的形成和分布具有顯著的影響。

圖7 不同實(shí)驗(yàn)工況熱斑分布

3 結(jié) 論

通過對稀氫氣/空氣低速過濾燃燒不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

1)胞狀結(jié)構(gòu)體對主燃燒波傳播的穩(wěn)定性起著顯著的支配作用；

2)直徑為8.5 mm氧化鋁小球堆積床內(nèi)的過濾燃燒波衰減迅速；

3)未燃預(yù)混氣體與熱斑區(qū)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱質(zhì)交換，各熱斑點(diǎn)組成胞狀結(jié)構(gòu)體不均勻地駐定在燃燒器內(nèi)；

4)堆積床孔隙率對熱斑的產(chǎn)生影響顯著，孔隙率小，熱斑點(diǎn)多且單個體積小；孔隙率大，熱斑數(shù)量少且單個體積大。

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(責(zé)任編輯 張 凱 校對 佟金鍇)

Experimental Study of Hot-Spot Instability for Low-Velocity Filtration Combustion

CHEN Lu1,XIA Yong-fang2,LI Ben-wen1,3,SHI Jun-rui2,XU You-ning2

(1.School of Materials and Metallurgy,Northeastern University,Shenyang 110819,Liaoning Province; 2.Key Laboratory of Clean Combustion for Electricity Generation and Heat-supply Technology of Liaoning Province,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province; 3.School of Energy and Power Engineering,Institute of Thermal Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,Liaoning Province)

The hot-spot instability of low-velocity filtration combustion within inert porous media is studied experimentally.The main combustion wave stability is dominated by upstream cellular flame structure consisted of hot spots.Additionally,according to analysis of local hot-spot distribution,it can be found that,the hot spots non-uniformly stabilize in the burner,and the porosity of packed bed affects remarkably on the hot-spot characteristics.As the porosity of packed bed is small,an amount of hot spots is standing in packed bed,and a single hot-spot volume is small;conversely,the amount is less,and the hot-spot volume is bigger.

low-velocity filtration combustion;hot-spot instability;combustion wave propagation;porosity

2015-01-16

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.51406123)，遼寧省教育廳資助項(xiàng)目(No.L2014529)

陳 露(1991-)，女，遼寧義縣人，碩士研究生。

李本文(1965-)，男，湖南澧縣人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事輻射磁流體、多孔介質(zhì)燃燒方面的研究。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.03.005

O643.2

A

1673-1603(2015)03-0213-06