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本生燈法結(jié)合紋影技術(shù)測量甲烷/空氣層流燃燒速度及流場分析

2020-03-29 13:05相龍凱牙宇晨聶曉康楚化強
實驗流體力學 2020年1期
關(guān)鍵詞:當量氮氣流場

相龍凱, 牙宇晨, 聶曉康, 任 飛, 柯 偉, 楚化強

(安徽工業(yè)大學 能源與環(huán)境學院, 安徽 馬鞍山 243002)

0 引 言

作為新型可再生能源的重要部分,天然氣在未來幾十年內(nèi)的需求量將不斷增加,預計到2040年可再生能源的需求增量將占全球能源需求增量的85%[1],尤其是交通運輸行業(yè),天然氣已經(jīng)取代石油類產(chǎn)品成為部分汽車的主要燃料。天然氣的組成成分因產(chǎn)地不同而有所差異,但總的來說,其主要組分包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等碳氫化合物CnHm(n≥1,m≥1)以及微量的氫氣、硫化氫、二氧化碳和氮氣。雖然因產(chǎn)地不同,天然氣組成成分占比略有變化,但總體上甲烷(CH4)在天然氣中的總體比重達到85%~98%[2-4]。因此,對甲烷的燃燒特性進行分析從而提高天然氣的燃燒效率有著重要意義。

層流預混燃燒是湍流燃燒研究的基礎(chǔ),而層流燃燒速度作為表征燃料/氧化劑混合物整體燃燒的基本特性之一,是確定燃燒傳播模型和驗證化學反應機理構(gòu)建的一個關(guān)鍵參數(shù)。此外,層流燃燒速度還可用于火焰建模、計算總反應級數(shù)和表觀活化能,所以精確測量甲烷層流火焰?zhèn)鞑ニ俣染哂兄匾饬x。測量甲烷層流燃燒速度時,要保證所測量的火焰為層流預混火焰。因此,對甲烷/空氣燃燒流場進行觀測非常重要。

紋影技術(shù)最早由Toepler提出,后被廣泛應用于觀測火焰的燃燒。作為非接觸式的光學測量方法,在進行火焰溫度場測量以及獲取燃料層流火焰?zhèn)鞑ニ俣确矫娴玫搅藦V泛的應用[5-10],為燃燒研究奠定了基礎(chǔ)。

目前,國內(nèi)外已有眾多學者在甲烷層流預混火焰實驗和數(shù)值模擬方面開展了研究。Drrenberger等[2]采用熱流量法對天然氣以及C1~C4烷烴平面火焰在不同摻氫比下的層流燃燒速度進行了測量,并總結(jié)推導出適用于純?nèi)剂虾突旌先剂系膶恿魅紵俣冉?jīng)驗公式。張楊竣等[11]利用標高法、攝影高度法和攝影角度法結(jié)合數(shù)值模擬,分析了8種不同組分的天然氣的法向火焰?zhèn)鞑ニ俣?,結(jié)果表明,攝影高度法更能真實反映實驗測試值,與模擬值和文獻參考值較接近。Hu等[12]采用本生燈和Chemkin模擬計算了初始溫度為300 K、初始壓力為105Pa時甲烷在O2/N2和O2/CO2這2種條件下的層流燃燒速度,結(jié)果發(fā)現(xiàn),O2/CO2下的甲烷層流燃燒速度小于其在O2/N2下的層流燃燒速度;此外,O2/CO2下的燃燒反應物、重要中間產(chǎn)物濃度變低,火焰厚度變厚。Dong等[13]使用本生燈法測量了H2/CO/Air的層流燃燒速度,實驗結(jié)果表明H2對混合燃料層流燃燒速度的影響大于CO的影響。Zhen等[14]使用本生燈法測量了沼氣(CH4: 40%~60%,CO2: 60%~40%)/H2的層流燃燒速度,實驗結(jié)果證明H2的添加提高了沼氣火焰的穩(wěn)定性。王金華等[15]在定容彈上利用高速攝影紋影法開展了不同噴射壓力和背壓下的天然氣高壓噴射射流特性試驗研究,揭示了不同噴射壓力和背壓下的射流貫穿距離、射流錐角和射流體積隨時間變化的規(guī)律。李華等[16]基于紋影法的工作原理和刀口進給量與紋影圖像的對應關(guān)系, 分別討論了刀口方向選擇、焦點位置確定和刀口切入量設(shè)置對甲烷層流預混燃燒火焰觀測的影響,為合理使用紋影系統(tǒng)進行流場可視化測量提供借鑒和參考。Ren等[17]利用Chemkin研究了H2在不同初始溫度和壓力下對CH4燃燒特性的影響。Xiang等[18]使用Chemkin研究了摻混CO2對CH4/Air燃燒特性的影響,分析了CO2含量對中間重要自由基CH3,O,OH,H濃度的影響。周昊等[10]應用紋影技術(shù)對本生燈預混火焰溫度場進行了測量,使用迭代算法得到火焰的溫度場分布。王根娟等[19]使用背景紋影法對CH4/Air本生燈火焰進行了觀測,使用多種算法獲得甲烷火焰的溫度分布圖。李興虎等[20]使用本生燈結(jié)合紋影法對氮氣稀釋的丙烷層流燃燒速度進行了測量。關(guān)于甲烷層流預混燃燒特性以及紋影法觀測火焰流場的研究已有很多,但是對于甲烷層流燃燒速度及對應的火焰外部流場系統(tǒng)的觀測研究較少。為進一步揭示其流場分布特性、獲得CH4/N2/Air的火焰?zhèn)鞑ニ俣?,本文采用本生燈法與數(shù)值模擬法測量不同氮氣摻混量時甲烷層流燃燒速度,系統(tǒng)分析誤差形成的原因。此外,結(jié)合紋影法觀測當量比對甲烷層流火焰外部流場的影響,并對N2的添加造成甲烷層流預混火焰外部流場變化的原因進行定性分析。

1 實驗系統(tǒng)與測量方法

1.1 實驗系統(tǒng)

圖1為甲烷層流燃燒速度測量實驗系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)主要由本生燈、圖像采集系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)和流量控制系統(tǒng)組成。本生燈出口直徑為6 mm,為保證出口氣體為層流,本生燈整體高度大于50倍出口直徑。

從高壓燃料氣瓶導出的甲烷通過高精度流量計后,與高壓氣瓶提供的不同比例的O2/N2在預混室進行預混,然后經(jīng)管道進入本生燈,在噴口處形成穩(wěn)定的錐形火焰。觀察火焰待其穩(wěn)定并使用CCD相機獲得火焰圖像,利用Matlab軟件計算得到層流燃燒速度。

圖1 層流燃燒速度測量實驗裝置示意圖

紋影儀的原理為:通過設(shè)置狹縫使光源近似點光源,并利用凸透鏡和反射鏡提供一束平行的檢測光。點光源發(fā)出的光經(jīng)過流場(如火焰、噴霧等)時,由于流場中密度的不均勻使得光線發(fā)生偏折,通過調(diào)節(jié)刀口大小就可以改變光的明亮程度,從而獲得流場中的密度、溫度等信息,這樣就把流場對光的擾動信息記錄為光強分布圖像,利用CCD相機即可獲得流場變化圖像,如圖2所示。

圖2 紋影裝置示意圖

1.2 層流燃燒速度測量方法

在層流燃燒速度測量過程中,火焰面的選擇非常重要,選取的面積要盡可能覆蓋全部火焰的區(qū)域。一般而言,火焰面可分為3個火焰層面[13]:紋影面、陰影面內(nèi)邊界面、可視邊界面,分別對應紋影區(qū)、陰影區(qū)和可見區(qū),如圖3所示。根據(jù)未燃混合氣層流燃燒速度的定義,火焰面應為未燃區(qū)域與已燃區(qū)域間的薄層,即未燃混合氣下游的邊界面。由于陰影面的內(nèi)邊界面或者紋影面更接近于未燃區(qū)的邊界面,因此,這2個面較多被用來測量層流燃燒速度,尤其是在陰影區(qū)的內(nèi)邊界面上測得的速度更為準確。

本生燈形成的是2D軸對稱的圓錐形火焰,其穩(wěn)定在扁焰燃燒器或者直圓柱管的唇口。這種圓錐形的火焰會受到流體動力學拉伸(火焰表面的切向速度梯度)和彎曲變形(即錐形火焰頂端存在一定的弧度,而非標準的一個點)的影響。采用本生燈法測量層流燃燒速度時常忽略拉伸對火焰的影響。實際測量中有2種方法可用來降低這種拉伸對錐形火焰的影響:火焰全面積法和火焰角度法,本文采用火焰全面積法測量層流燃燒速度,即:

圖3 本生燈3種標準火焰邊界面圖

(1)

其中Su為面積權(quán)重的層流燃燒速度,Q為預混氣體的質(zhì)量流率,ρ為混合氣體密度,A為已選定測量的整個火焰面積。

圖4 層流預混火焰圖像處理過程

1.3 實驗誤差分析

在進行本生燈全面積法測量層流燃燒速度的過程中,測量誤差δL主要是由氣體總流量的誤差δQ和火焰面積計算時產(chǎn)生的誤差δA造成的。預混氣體總流量的誤差是由甲烷流量誤差δCH4(流量計精度為設(shè)定點的±2%)、氧氣流量計誤差δO2和氮氣流量計誤差δN2(流量計精度為設(shè)定點的±1%)決定。根據(jù)誤差傳遞原理,采用文獻[21-22]中的誤差計算方法,即可求出氣體總流量誤差δQ:

(2)

火焰面積的誤差主要是由相機分辨率和圖像處理方法造成的。通過對火焰內(nèi)邊界最大梯度點的相鄰點進行計算,得出誤差約為4.5%。

層流燃燒速度總的計算誤差為:

(3)

計算可得層流燃燒速度的誤差約為6%。

1.4 實驗工況設(shè)定

在實驗過程中發(fā)現(xiàn),當燃料流量過大時,為達到相同的當量比,需要更大的空氣流量,容易導致火焰被吹飛且難以點燃,不利于實驗開展;當燃料流量過小時,火焰較小不易進行火焰邊緣提取,且可進行實驗的當量比范圍也較小(當量比過大時火焰形狀在紋影系統(tǒng)中難以顯示)。因此,為獲得較好的甲烷/空氣層流火焰外部流場的分布情況,在經(jīng)過多組實驗考察后,選擇甲烷流量為280 mL/min,當量比Φ范圍為0.90~1.60,間隔0.05,如表1所示。在摻混氮氣時, 繼續(xù)選用甲烷流量為280 mL/min會吹飛火焰,因此本文選擇甲烷流量為260 mL/min進行摻混氮氣實驗,如表2和3所示。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 甲烷/氮氣/空氣層流燃燒速度

圖5給出了摻混不同含量氮氣的甲烷-空氣燃燒層流燃燒速度。由圖可知,隨著當量比增加,層流燃燒速度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,即在微富燃時(Φ=1.05)層流燃燒速度達到最大值,且3種工況下層流燃燒速度最大值均出現(xiàn)在當量比為1.05時。隨著氮氣含量的增加,層流燃燒速度下降,這是因為層流燃燒速度主要取決于火焰中H自由基濃度,H濃度越高,層流燃燒速度越大,絕熱火焰溫度越高。

不同摻氮比下燃燒過程中H摩爾分數(shù)的變化情況如圖6所示。由表1~3及圖6可知,摻混氮氣后,甲烷含量降低,造成甲烷氧化過程中H的最大值隨之降低。隨著氮氣的增加,H的生成時間有所提前,但變化幅度不大。在不摻混氮氣的情況下,GRI 3.0[23]與Sandiego[24]機理的模擬結(jié)果相差較大,GRI 3.0預測的結(jié)果與本文實驗值吻合較好。當量比為1.15時,實驗值與模擬值相差約為9%,分析其原因,可能是氣流導致的火焰不穩(wěn)定而在火焰面邊緣提取時產(chǎn)生較大的誤差,以及長時間進行實驗導致噴口溫度過高。由圖5還可以看出,當量比從1.20增至1.30,層流燃燒速度下降幅度最大,當量比每增加0.05,層流燃燒速度下降約5 cm/s。在當量比大于1.20時,Dirrenberger等[25]的結(jié)果與本文結(jié)果偏差較大;本文的實驗結(jié)果總體趨勢與文獻[26-28]的結(jié)果吻合較好。當?shù)獨鈸交鞛?0%時,本文的結(jié)果與文獻[26]的實驗數(shù)據(jù)吻合較好。當?shù)獨夂刻岣叩?0%時,甲烷層流燃燒速度有較大幅度的降低,且當量比大于1.20時,實驗與模擬結(jié)果吻合較好。

圖5 甲烷/氮氣/空氣層流燃燒速度

圖6 不同摻氮比下的H摩爾分數(shù)

表1 甲烷/空氣層流預混火焰實驗工況

Table 1 Experimental data for CH4/Air laminar premixed flame

表2 甲烷流量為260 mL/min、摻混20%氮氣時實驗工況

表3 甲烷流量為260 mL/min、摻混40%氮氣時實驗工況

2.2 紋影法觀測甲烷/空氣層流預混火焰外部流場

圖7展示了利用紋影法觀測到的火焰流場圖像。可以看到,火焰在噴口處,在紋影圖中看起來為“凹陷”進去的部分,火焰外部流場為火焰上方“凸”出來的部分。

開展了8組不同工況下的實驗,甲烷流量為280 mL/min,當量比范圍為0.90~1.60。實驗時,待錐形火焰穩(wěn)定后,每組工況拍攝50張照片,圖8給出了8種工況下錐形火焰的紋影圖像。

由圖8可知,甲烷流量保持一定,改變空氣流量,當量比從0.90增加到1.00時,火焰高度降低,此時層流燃燒速度隨著當量比的增加而增大。當量比從1.00增加到1.60時,火焰高度逐漸升高,火焰與本生燈燒嘴水平面的傾斜角也逐漸增大,當量比為1.00時錐形火焰的高度最低。當量比超過1.60時,錐形火焰的尖端容易發(fā)生跳動,火焰極難穩(wěn)定,且易熄滅,熄滅后難以點燃。由圖8還可以看出,對于任意當量比,層流預混火焰外部流場的底端(上游)都呈現(xiàn)出均勻的層流分布,而在火焰上方流場(下游)會出現(xiàn)2種情況:一是變得不穩(wěn)定、紊亂,二是整個流場都能達到穩(wěn)定層流的情況,具體分布情況與當量比、摻氮比有關(guān)。

圖7 紋影圖中火焰位置和外部流場位置

圖8 甲烷流量為280 mL/min時,不同當量比下的層流預混火焰紋影

Fig.8 Laminar premixed flame schlieren photographs at different equivalence ratios with the methane flow rate of 280 mL/min

當甲烷流量為280 mL/min、當量比為0.90~1.60時,通過系統(tǒng)抽樣的方法從每組拍攝的50張照片中選取5張,如圖9所示。

由以上各個工況下的甲烷/空氣層流預混火焰紋影圖像可知,在控制燃料不變、通過改變空氣流量來改變當量比時,隨著當量比的增加,甲烷/空氣層流預混火焰的外部流場先由穩(wěn)定變得紊亂,之后再次達到穩(wěn)定狀態(tài),但在當量比為1.60時,火焰兩側(cè)有向內(nèi)凹陷的趨勢。當量比從0.90增加到1.00,火焰下游流場變得不穩(wěn)定,當量比從1.00逐漸增加到1.60,屬于富燃料燃燒,火焰流場逐漸變得穩(wěn)定。分析其原因,我們認為,隨著當量比的增加,混合氣體的總流量減少,導致噴口處的混合氣體流速和火焰外部流場處的氣體流速變化梯度降低,使得火焰外部流場處于層流狀態(tài),因此外部流場更容易達到穩(wěn)定。此外,在化學當量比時(Φ=1.05),火焰溫度最高,此時火焰與外界環(huán)境溫差最大,導致溫度梯度增加,使得下游流場不穩(wěn)定。

圖9 甲烷流量為280 mL/min時,不同當量比下的層流預混火焰紋影

Fig.9 Laminar premixed flame schlieren photographs at different equivalence ratios with the methane flow rate of 280 mL/min

2.3 紋影法觀測甲烷/氮氣/空氣層流預混火焰外部流場

2.3.1 摻混20%氮氣時火焰外部流場

當甲烷流量為260 mL/min、摻入20%氮氣、當量比為1.00~1.40時,通過系統(tǒng)抽樣的方法從每組拍攝的50張照片中選取5張,如圖10所示。

由圖10紋影圖像可知,相較于未摻混氮氣,在摻混20%氮氣后,當量比為1.40時,兩側(cè)就開始出現(xiàn)凹陷現(xiàn)象,由此可見,摻混氮氣使得甲烷層流火焰的穩(wěn)定性降低。與未摻混氮氣相比,摻混氮氣之后的火焰下游外部流場明顯變得更加紊亂,難以達到穩(wěn)定的層流狀態(tài)。在火焰中游處,流場變成有規(guī)律的擾動狀態(tài),但火焰上游流場均能保持穩(wěn)定層流狀態(tài),這表明摻混20%氮氣不利于預混層流火焰外部流場的穩(wěn)定。分析其原因可知,摻混20%的氮氣時,絕熱火焰溫度降低幅度并不太大,未參與反應的氮氣到達火焰下游時,造成下游流場與外界環(huán)境的溫度梯度過大,使得火焰下游流場變得有規(guī)律地波動。

2.3.2 摻混40%氮氣時火焰外部流場

當甲烷流量為260 mL/min、摻入40%氮氣、當量比為1.00~1.30時,通過系統(tǒng)抽樣的方法從每組拍攝的50張照片中選取5張,如圖11所示。

由圖11可知,氮氣摻混40%、當量比提前到1.30時,火焰兩側(cè)就出現(xiàn)了“向內(nèi)凹陷”的情況。結(jié)合圖9~11可知,摻混氮氣越多,甲烷層流火焰能穩(wěn)定燃燒的當量比范圍越小,即,摻混氮氣降低了大當量比時的火焰穩(wěn)定性。此外,在進行實驗的當量比范圍內(nèi),火焰外部流場均較為穩(wěn)定。雖然部分火焰下游流場不穩(wěn)定(可能是因外界條件所致),但火焰上游流場穩(wěn)定。我們推測,當?shù)獨鈸交毂冗_到40%時,在燃燒過程中摻混的氮氣量較多,吸收部分反應熱,使得火焰溫度降低幅度較大,導致下游溫度梯度降低,從而火焰下游流場穩(wěn)定。比較摻混20%和40%氮氣的結(jié)果可知,當量比相同時,摻混的氮氣百分比越高,對預混層流火焰外部流場的穩(wěn)定越有利,火焰下流流場越能趨于穩(wěn)定。當摻混40%氮氣、當量比超過1.30時,火焰難以達到穩(wěn)定,焰尖一直跳動,因此不再進行實驗。

圖10 甲烷摻混20%氮氣、當量比為1.00~1.40時,甲烷/氮氣/空氣層流預混火焰外部流場紋影

Fig.10 Methane/N2/Air laminar premixed flame external field photograph with blending 20% N2atΦ=1.10~1.40

圖11 甲烷摻混40%氮氣、當量比為1.00~1.30時,甲烷/氮氣/空氣層流預混火焰外部流場紋影

Fig11 Methan/N2/Air laminar premixed flame external field photograph with blending 40% N2atΦ=1.00~1.30

3 結(jié) 論

采用本生燈-紋影實驗系統(tǒng),探究了不同當量比、不同燃料流量下甲烷預混層流火焰的層流燃燒速度、火焰大小以及火焰外部流場的分布,并分析了氮氣摻混對甲烷/空氣預混層流火焰燃燒特性的影響。主要結(jié)論如下:

(1) 對于甲烷/空氣層流預混火焰,隨著當量比的增大,錐形火焰的高度均會呈現(xiàn)出先降低后升高的變化趨勢,當量比過低時易發(fā)生回火現(xiàn)象,當量比過大易發(fā)生熄滅現(xiàn)象,而層流火焰的外部流場均會隨著當量比的增加而變得穩(wěn)定。

(2) 對于甲烷/空氣層流預混火焰,其一維傳播速度隨當量比的增加呈現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢,層流預混燃燒速度在當量比為1.05附近達到最大值;而當量比一定時,改變?nèi)剂系牧髁看笮?,層流燃燒速度變化不大?/p>

(3) 氮氣摻混使得甲烷/空氣層流燃燒速度降低。摻混比越大,層流燃燒速度越低;氮氣摻混使得錐形火焰高度增加,但摻混比對于火焰高度、大小影響不大;隨著摻混比增大,火焰外部流場有著先紊亂后趨于穩(wěn)定的變化趨勢。

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