李?雷，李國(guó)岫，李洪萌，姜延歡

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湍流條件下高當(dāng)量比合成氣著火實(shí)驗(yàn)研究

李?雷，李國(guó)岫，李洪萌，姜延歡

(北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044)

為了研究高當(dāng)量比合成氣著火極限條件下初始湍流環(huán)境對(duì)火焰初始發(fā)展階段的影響規(guī)律，在湍流定容燃燒實(shí)驗(yàn)裝置中開(kāi)展了常溫、常壓條件下50%CO/50%H2合成氣相關(guān)湍流燃燒實(shí)驗(yàn)，并研究了火焰等效半徑和火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓囊?guī)律及影響因素．研究結(jié)果表明：在本文實(shí)驗(yàn)條件下層流環(huán)境中，火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸尸F(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，并且隨著當(dāng)量比的增加而逐漸減小，合成氣著火極限當(dāng)量比為5.8；在高當(dāng)量比混合氣條件下，初始湍流強(qiáng)度的增加可以拓寬可燃混合氣的著火極限；在高當(dāng)量比著火極限條件下，火焰等效半徑隨著湍流強(qiáng)度增大而增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著湍流強(qiáng)度的增加而增大，同一湍流強(qiáng)度環(huán)境中，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤傮w呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)．

著火極限；湍流強(qiáng)度；等效半徑；火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>

實(shí)際燃燒過(guò)程多數(shù)是在湍流環(huán)境中進(jìn)行的，絕大多數(shù)動(dòng)力設(shè)備燃燒均是在湍流氛圍中，因此湍流預(yù)混燃燒具有重要的研究意義．火焰?zhèn)鞑ヌ匦允茄芯客牧黝A(yù)混火焰的傳播與發(fā)展的重要方面．

對(duì)于預(yù)混燃燒而言，廣大學(xué)者對(duì)層流預(yù)混燃燒已經(jīng)進(jìn)行了大量研究．有從火焰發(fā)展的過(guò)程來(lái)研究，有針對(duì)最小點(diǎn)火能量到初始火核形成[1-4]、再到火焰充分發(fā)展階段[5-6]進(jìn)行研究．在火焰結(jié)構(gòu)和速度特性方面以及火焰穩(wěn)定性方面，也有大量學(xué)者進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并從機(jī)理上給與了解釋[7-9]．

而對(duì)于湍流預(yù)混燃燒過(guò)程的研究，多數(shù)學(xué)者是針對(duì)火焰充分發(fā)展階段湍流預(yù)混火焰的特性進(jìn)行研究．Liu等[10]對(duì)貧燃甲烷-空氣在相對(duì)較高的環(huán)境壓力下的湍流和層流燃燒速度進(jìn)行了研究．Vancoillie等[11]利用定容燃燒彈，對(duì)甲醇-空氣預(yù)混合氣在環(huán)境溫度385K時(shí)不同當(dāng)量比、不同環(huán)境壓力下的湍流燃燒速度進(jìn)行研究，并利用所得到的湍流燃燒速度與多個(gè)速度理論模型進(jìn)行對(duì)比．Lawes等[12]利用湍流燃燒彈對(duì)異辛烷-空氣預(yù)混合氣在不同湍流脈動(dòng)速度、不同當(dāng)量比和不同初始環(huán)境壓力下的湍流燃燒速度進(jìn)行了研究．結(jié)果表明，隨著湍流強(qiáng)度和初始環(huán)境壓力的增加，湍流燃燒速度增大．Brequigny等[13]利用兩套紋影-高速攝影對(duì)燃燒彈內(nèi)火焰發(fā)展過(guò)程進(jìn)行拍攝記錄，進(jìn)行了體積重建，并且研究了湍流強(qiáng)度和初始?jí)毫Νh(huán)境對(duì)湍流火焰速度的影響規(guī)律．劉福水?等[14]在定容燃燒彈內(nèi)加入網(wǎng)板，火焰穿過(guò)網(wǎng)孔后被誘導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧骰鹧?，從而研究不同初始?jí)毫Νh(huán)境對(duì)氫氣-空氣預(yù)混誘導(dǎo)湍流燃燒的影響．姜延歡等[15]在定容燃燒彈內(nèi)展開(kāi)常溫常壓下50%CH4/50%H2(體積分?jǐn)?shù))混合氣在不同湍流強(qiáng)度下的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，并采用褶皺因子對(duì)火焰結(jié)構(gòu)進(jìn)行了量化研究．

1?研究手段及方法

1.1?實(shí)驗(yàn)裝置

湍流定容燃燒實(shí)驗(yàn)裝置包括定容燃燒彈、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、湍流營(yíng)造系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示．定容燃燒彈內(nèi)腔直徑為380mm，定容燃燒彈的壁面設(shè)有4個(gè)水平對(duì)置石英玻璃視窗，以觀察和拍攝記錄火焰燃燒過(guò)程．在定容燃燒彈的正上方的端蓋上接有高壓管路，通過(guò)高壓管路進(jìn)行配氣和廢氣清洗．在本文點(diǎn)火系統(tǒng)中，采用一對(duì)水平對(duì)置的點(diǎn)火電極進(jìn)行點(diǎn)火，點(diǎn)火線圈的輸入電壓為12V，輸入電壓經(jīng)過(guò)點(diǎn)火線圈升壓后通過(guò)點(diǎn)火電極尖端放電點(diǎn)燃預(yù)混合氣．點(diǎn)火中心位置與燃燒彈的中心重合以保證中心點(diǎn)火．本文實(shí)驗(yàn)中點(diǎn)火電極間距為1.30mm，點(diǎn)火電極直徑為2.5mm．本文研究火焰初始階段的發(fā)展，需保證點(diǎn)火能量不變，因此本文實(shí)驗(yàn)中輸入的點(diǎn)火線圈電壓與點(diǎn)火電極間距均固定不變．在定容燃燒彈的外圍安裝有4個(gè)成正四面體布置的電動(dòng)機(jī)．電動(dòng)機(jī)通過(guò)磁力聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)內(nèi)部扇葉旋轉(zhuǎn)，形成旋流，旋流通過(guò)風(fēng)扇前端的孔板形成多束射流并在燃燒彈中心相互撞擊破碎形成初始湍流環(huán)境，本文實(shí)驗(yàn)所用孔板孔徑為12mm，4個(gè)電機(jī)通過(guò)變頻器進(jìn)行同步轉(zhuǎn)動(dòng)控制．火焰圖像通過(guò)紋影-高速攝影系統(tǒng)進(jìn)行拍攝和采集，高速攝像機(jī)拍攝速度為13500幅/s．

1—合成空氣；2—高純一氧化碳?xì)猓?—高純氫氣；4—減壓閥；5—止回閥；6—高壓針閥；7—定容燃燒彈；8—石英玻璃視窗；9—點(diǎn)火針；10—火花塞；11—電動(dòng)機(jī)；12—光源；13—狹縫；14—平面鏡；15—凹面鏡；16—刀口；17—高速攝像機(jī)；18—高精度數(shù)字顯示壓力表；19—壓力傳感器；20—電荷放大器；?21—真空泵；22—觸發(fā)控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)；23—筆記本電腦

1.2?實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

本實(shí)驗(yàn)中所采集到的火焰圖像均是利用自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的Matlab圖像處理程序進(jìn)行分析．通過(guò)程序?qū)μ幚淼膱D像數(shù)據(jù)進(jìn)行火焰半徑、周長(zhǎng)、面積等基礎(chǔ)信息的計(jì)算，并將對(duì)火焰輪廓邊緣進(jìn)行標(biāo)記輸出，處理標(biāo)記結(jié)果如圖2所示，可見(jiàn)處理程序的準(zhǔn)確性是較為可靠的．

圖2?Matlab程序處理結(jié)果

1.3?相關(guān)參數(shù)定義

定容燃燒彈內(nèi)的流動(dòng)燃燒情況非常復(fù)雜，需要用適合描述湍流定容燃燒彈內(nèi)混合氣燃燒過(guò)程的特征參數(shù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行描述．

由于湍流環(huán)境下火焰鋒面會(huì)發(fā)生褶皺，火焰面發(fā)展并不規(guī)則，所以火焰半徑采用等效半徑s來(lái)表?示[23]，定義為

???(1)

式中：為火焰的投影面積．

火焰?zhèn)鞑ニ俣萒為等效火焰半徑對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，定義為

???(2)

1.4?火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中階段的劃分

對(duì)于電火花點(diǎn)火湍流預(yù)混燃燒火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程，可以分為電極點(diǎn)火階段、火焰初始發(fā)展階段、火焰充分發(fā)展階段．電火花的作用可以分為熱作用和放電引起的化學(xué)活化作用．為了研究方便，全部以點(diǎn)火能量表征．假定點(diǎn)火能量在點(diǎn)火瞬間全部以熱量形式傳給電極間氣體，形成如圖3中所示直徑為1的初始火核．由于電極放電時(shí)間極短，高溫初始火核只有微小膨脹，緊接著是初始火核的膨脹并向外傳熱的過(guò)程．此階段的火焰膨脹傳播由點(diǎn)火能量主導(dǎo)，隨著點(diǎn)火能量逐漸耗散，火焰膨脹傳播過(guò)程中向預(yù)熱區(qū)放出熱量，當(dāng)預(yù)熱區(qū)溫度提高到混合氣自燃溫度時(shí)，火焰便能夠繼續(xù)向外傳播．當(dāng)火焰?zhèn)鞑ナ怯扇紵懦龅哪芰恐鲗?dǎo)并開(kāi)始加速傳播時(shí)，假設(shè)此時(shí)火焰直徑為2，認(rèn)為火焰即將進(jìn)入初始發(fā)展階段，此前為電極點(diǎn)火階段．當(dāng)火焰發(fā)展到一定階段，火焰不再明顯加速傳播時(shí)，為火焰充分發(fā)展階段．

圖3?火焰初始發(fā)展階段物理模型

2?結(jié)果與討論

圖4?不同當(dāng)量比的層流火焰圖像發(fā)展過(guò)程

圖5?層流條件下火焰等效半徑隨時(shí)間變化規(guī)律

圖6?層流條件下火焰?zhèn)鞑ニ俣入S等效半徑的變化規(guī)律

圖7?湍流強(qiáng)度對(duì)火焰等效半徑的影響規(guī)律

圖8?湍流強(qiáng)度對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸?guī)律

Fig.8 Effects of turbulence intensity on flame propaga-tion speed

3?結(jié)?論

預(yù)混合氣著火問(wèn)題是燃燒及火焰?zhèn)鞑サ那疤幔诟鞣N湍流燃燒設(shè)備中，預(yù)混合氣能否著火直接影響到設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行．為了研究混合氣在高當(dāng)量比情況下的著火問(wèn)題，開(kāi)展了50%CO/50%H2合成氣預(yù)混高當(dāng)量比著火極限條件下湍流強(qiáng)度對(duì)火焰初始發(fā)展階段的影響研究．

(1) 在輸入系統(tǒng)的點(diǎn)火能量恒定時(shí)，層流環(huán)境下50%CO/50%H2合成氣在高當(dāng)量比時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著當(dāng)量比的增加而減小，在當(dāng)量比為5.9時(shí)火焰不能正常傳播發(fā)展，層流著火極限當(dāng)量比為5.8．

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Experimental Study on Ignition of High-equivalence-ratio Syngas Under Turbulent Conditions

Li Lei，Li Guoxiu，Li Hongmeng，Jiang Yanhuan

(School of Mechanical，Electronic and Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)

To study the influence of the turbulent environment on the initial development stage of a flame under high-equivalence-ratio-limit conditions，a number of turbulence combustion experiments using 50%CO/50%H2syngas in a turbulent constant-volume combustion device atnormal atmospheric temperature and pressure were performed.Thechanging rules and influential factorsof the flame equivalent radius and flame propagation speed were studied. Results show that underlaminar conditions，the flame propagation speed decreased first and then increased，and decreased with the growing equivalence ratio，andthe limit ignition equivalent ratio of the syngas was 5.8；increasein theinitial turbulence intensity canextend the ignition limit of acombustible mixtureat a high equivalence ratio；the flame equivalent radius increased with the increase of turbulence intensity，andthe flame propagation speed increased with the increase of turbulence intensity under high-equivalence-ratio ignition limit conditions. Overall，the flame propagation speed showed a trend of decreasing first and then increasingin the same turbulence intensity environment.

inflammability limit；turbulence intensity；equivalent radius；flame propagation speed

TK431

A

1006-8740(2019)01-0031-06

10.11715/rskxjs.R201804030

2018-04-12．

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51706014)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(2017JBZ102，2017JBM049)；中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2017M610757).

李?雷（1992—??），男，博士研究生，lei_li@bjtu.edu.cn.

李國(guó)岫，男，博士，教授，Li_guoxiu@yahoo.com.