呂海陸 李 丹 張 揚(yáng) , 張 海 ,

* (清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系,熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)

? (清華大學(xué)山西清潔能源研究院,太原 030000)

引 言

隨著人們對(duì)全球氣候變化的關(guān)切日益增強(qiáng),低碳發(fā)展成為能源領(lǐng)域重要和迫切的要求,含氫、富氫或純氫等低碳燃料受到廣泛關(guān)注.燃?xì)廨啓C(jī)作為一種高效動(dòng)力裝置,燃用低碳燃料是其重要發(fā)展方向.然而,研究表明,燃用氫氣含量較高的氣體燃料,即富氫燃料時(shí),燃?xì)廨啓C(jī)將面臨諸多技術(shù)難題和安全風(fēng)險(xiǎn),其中最突出的一個(gè)問題是回火,即預(yù)混火焰從燃燒室向上游管道傳播.這是因?yàn)闅錃饣瘜W(xué)反應(yīng)活性高,燃燒速率快,而現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)為了控制氮氧化物(NOx)排放又采用預(yù)混燃燒.回火嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致整個(gè)燃燒系統(tǒng)崩潰,無(wú)疑對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成了極大威脅.

湍流射流火焰是燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中氣體燃燒的最基本單元.人們對(duì)甲烷、天然氣等碳?xì)淙剂仙淞黝A(yù)混火焰的回火現(xiàn)象和機(jī)理開展了廣泛研究.張文普等[1]在對(duì)近30 年來燃?xì)廨啓C(jī)燃燒回火機(jī)理與數(shù)值模擬的主要研究進(jìn)展重點(diǎn)介紹中,總結(jié)了回火的4 種機(jī)理,即邊界層回火(BLF)、中心流回火、燃燒不穩(wěn)定引起回火、旋流誘導(dǎo)渦破碎引起回火(CIVB),分析認(rèn)為其中BLF 是最重要的一種回火機(jī)制.李文棟等[2]專題回顧了預(yù)混燃燒邊界層回火的數(shù)理模型及研究進(jìn)展,指出廣泛應(yīng)用的建立在臨界速度梯度上的無(wú)量綱數(shù)模型存在缺陷,仍需要改進(jìn).Kalantari等[3]對(duì)無(wú)旋流預(yù)混火焰邊界層回火的機(jī)理及相關(guān)基礎(chǔ)的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述,在單獨(dú)設(shè)置的燃料組分影響回火特性一節(jié)中介紹了富氫燃料氣火焰回火方面的一些研究工作,不過可能限于篇幅和文章的整體結(jié)構(gòu),未對(duì)該方面的研究工作進(jìn)行比較系統(tǒng)和全面的綜述.

本世紀(jì),針對(duì)富氫燃料氣射流預(yù)混火焰回火特性,國(guó)內(nèi)外研究者也已經(jīng)開展多方面的實(shí)驗(yàn)、模擬及理論方面的研究,獲得了一些重要進(jìn)展,例如,富氫燃料與碳?xì)淙剂暇駨? 種回火機(jī)理,但是與碳?xì)淙剂舷啾?富氫燃料的回火傾向性更高,受火焰拉伸作用影響更大,回火的臨界速度梯度的預(yù)測(cè)模型需要修正等.回顧和總結(jié)相關(guān)成果可對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室燃燒器的設(shè)計(jì)及回火抑制技術(shù)的開發(fā)提供重要指導(dǎo).

鑒于上述原因,本文對(duì)近20 年來富氫燃料氣射流火焰回火的代表性研究,包含實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬工作進(jìn)行綜述,總結(jié)前人在燃料氫含量、溫度及壓力等運(yùn)行參數(shù)、噴嘴結(jié)構(gòu)與尺寸、熱聲振蕩、微混燃燒器對(duì)回火影響等方面的研究成果,并根據(jù)目前的研究現(xiàn)狀展望未來的研究方向.

1 富氫燃料射流預(yù)混火焰回火實(shí)驗(yàn)的研究概述

近年來有關(guān)富氫燃料氣預(yù)混火焰回火的實(shí)驗(yàn)研究主要以H2/CO/CH4燃料為研究對(duì)象,少數(shù)學(xué)者也研究了H2/N2,H2/NH3等燃料的回火特性.多數(shù)學(xué)者[4-9]在常溫常壓下使用射流燃燒器對(duì)多種組分比的H2/CO/CH4燃料的回火開展研究,而部分學(xué)者[10-11]在常壓和高溫來流條件下開展了富氫燃料氣的回火研究.

圖1 是常壓實(shí)驗(yàn)中幾種常見的射流預(yù)混火焰實(shí)驗(yàn)裝置,其中圖1(a)是簡(jiǎn)單的單管射流火焰裝置,即本生燈裝置,燃料和空氣在上游充分預(yù)混后送入裝置并燃燒;圖1(b)包含了類似實(shí)際燃燒設(shè)備中的預(yù)混方式,通過空氣旋流在較短停留時(shí)間內(nèi)完成燃料和空氣的混合;部分實(shí)驗(yàn)中引入了中心桿等形式的穩(wěn)焰手段,使得火焰附著在穩(wěn)焰器上,如圖1(c)所示;部分實(shí)驗(yàn)為了避免火焰受環(huán)境影響,在火焰周圍布置石英管等形式的隔層,有無(wú)隔層的裝置分別如圖1(d)和圖1(e)所示.Duan 等[10]和Goldmann 等[11]還在實(shí)驗(yàn)裝置的射流火焰周圍安裝了值班火焰,如圖1(d)和圖1(e)所示.

圖1 常壓射流預(yù)混火焰實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental devices for jet premixed flame under atmospheric pressure

近年來不乏在高溫高壓條件下開展的富氫燃料回火研究[12-23],在報(bào)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)條件中,燃料氫含量在25%～ 100%范圍,最高壓力達(dá)到15 atm,最高溫度達(dá)到約900 K.文獻(xiàn)中采用的加壓裝置的示意圖或?qū)嵨锶鐖D2 所示,裝置在各方向設(shè)有高壓觀察窗,以觀察火焰形態(tài)和回火過程.除了直接觀察以外,通常還在燃燒器出口前埋入熱電偶,以通過溫度信號(hào)檢測(cè)回火.研究者采用粒子圖像測(cè)速(PIV)、OH 熒光[21]及OH 平面激光誘導(dǎo)熒光(OH-PLIF)[22-23]等測(cè)量手段進(jìn)行火焰的表征.近5 年來McDonell 等[3,24]還對(duì)純H2火焰的回火開展了研究,其采用的加壓實(shí)驗(yàn)裝置列于圖2 中.

圖2 加壓射流預(yù)混火焰實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental devices for jet premixed flame under elevated pressure

現(xiàn)有研究對(duì)燃料氫含量[4-17]、來流溫度和燃燒壓力[12,21-24]、噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸及布置方式[4,13,18-19,25]和聲激勵(lì)[5,13,18]等因素開展了系列實(shí)驗(yàn)研究,得到以下發(fā)現(xiàn): 氫含量通過影響火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧婧穸茸饔糜诨鼗疬^程,氫濃度增加導(dǎo)致火焰的回火傾向增強(qiáng),在富氫范圍下尤為明顯;高溫高壓條件增強(qiáng)了回火趨勢(shì),回火的臨界參數(shù)與來流溫度、燃燒壓力存在冪指數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系;噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸通過火焰拉伸和壁面熱效應(yīng)影響回火,對(duì)小尺寸噴嘴和較高當(dāng)量比的情況尤為重要.詳細(xì)的研究結(jié)果在后面的章節(jié)中將做單獨(dú)介紹.

2 富氫燃料射流預(yù)混火焰回火數(shù)值模擬的研究概述

學(xué)者們?cè)陂_展富氫燃料氣射流預(yù)混火焰回火實(shí)驗(yàn)研究的同時(shí),也開展了相當(dāng)?shù)臄?shù)值模擬研究,模擬以直接數(shù)值模擬(DNS)[26-27]和大渦模擬(LES)[28-29]為主,通常與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,并比較兩種方法預(yù)測(cè)回火邊界條件的準(zhǔn)確性.DNS 通過直接數(shù)值求解Navier-Stokes 方程,解算出所有湍流尺度的流場(chǎng)信息,計(jì)算成本較高,通常應(yīng)用于相對(duì)小規(guī)模的問題.LES 通過濾波將流場(chǎng)分為不同尺度的結(jié)構(gòu),對(duì)流場(chǎng)的大尺度結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接模擬,對(duì)小尺度結(jié)構(gòu)采用模型計(jì)算,相對(duì)于DNS 具有較低的計(jì)算成本.

Gruber 等[26]利用DNS,在1～ 2 atm 下,研究了H2/空氣火焰的湍流邊界層回火過程.結(jié)果發(fā)現(xiàn)火焰面上游的近壁面處存在逆向流動(dòng)(回流),參見圖3,指出了將Lewis 等[30]的臨界速度梯度模型直接應(yīng)用于湍流邊界層回火中是不充分的,經(jīng)典的臨界速度梯度模型中假設(shè)火焰對(duì)上游來流的影響可忽略不計(jì),這一假設(shè)將引入較明顯的預(yù)測(cè)誤差.根據(jù)DNS模擬結(jié)果指出,火焰上游的近壁面回流能夠促進(jìn)燃燒過程,進(jìn)而提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?一定程度上促進(jìn)了回火,高壓下此效應(yīng)更顯著.Vance 等[27]對(duì)管內(nèi)氫火焰的DNS 模擬也發(fā)現(xiàn)了類似的回流現(xiàn)象(參見圖4).

圖3 回火臨界狀態(tài)的速度標(biāo)量、向量場(chǎng)(向右為正)[26]Fig.3 The velocity scalar and vector fields in the critical state of flashback (positive to the right) [26]

管道壁面性質(zhì)等參數(shù)在實(shí)驗(yàn)中較難調(diào)節(jié),數(shù)值方法為相關(guān)研究提供了便利.Vance 等[27]利用DNS 研究了H2/空氣預(yù)混火焰回火與壁面粗糙度及熱膨脹率之間的關(guān)系(回火過程參見圖5),結(jié)果表明,粗糙壁面通過改變流場(chǎng)和傳熱對(duì)回火產(chǎn)生影響:在粗糙壁面附近形成約3～ 4 倍的火焰厚度的流動(dòng)滯止區(qū)域,增強(qiáng)了熱損失,導(dǎo)致火焰的淬滅距離和滲透距離增大,進(jìn)而引起壁面附近火焰?zhèn)鞑ニ俣群团R界速度梯度發(fā)生改變.對(duì)于金屬等材料,粗糙壁面主要通過加強(qiáng)散熱的途徑降低回火趨勢(shì).研究表明,增加壁面粗糙度可作為燃燒設(shè)備防止回火的一種途徑.

Thibaut 等[28]利用LES 計(jì)算了在后向臺(tái)階結(jié)構(gòu)中,燃燒不穩(wěn)定引起的回火,臺(tái)階結(jié)構(gòu)引入了主頻90 Hz 的壓力波動(dòng),壓力波動(dòng)進(jìn)一步引起燃燒不穩(wěn)定并誘發(fā)回火.模擬中采用Smagorinsky 湍流模型,由于劃分的網(wǎng)格單元較粗(0.3 mm),計(jì)算中為了提高網(wǎng)格對(duì)火焰的分辨能力,采用“火焰增厚技術(shù)”,即增加擴(kuò)散系數(shù)、減小反應(yīng)指前因子,在保持火焰?zhèn)鞑ニ俣炔蛔兊臈l件下增加火焰厚度,由此實(shí)現(xiàn)了較粗網(wǎng)格單元的計(jì)算.Endres 等[29]利用LES 模擬了管內(nèi)受限流動(dòng)條件下氫火焰的回火過程,采用Smagorinsky湍流模型,將冷態(tài)模擬結(jié)果作為燃燒模擬的初始條件,使用復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)機(jī)理,燃燒模型為有限速率模型,忽略了亞格子湍流和化學(xué)反應(yīng)之間的相互作用.結(jié)果發(fā)現(xiàn),利用LES 得到的臨界速度梯度與DNS模擬結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致,表明LES 方法預(yù)測(cè)邊界層回火具有一定的準(zhǔn)確性.

目前有關(guān)回火的DNS 及LES 模擬研究中,研究對(duì)象以H2/空氣射流火焰為主,H2以外燃料回火的數(shù)值研究非常少,一個(gè)原因也是因?yàn)镠2火焰的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理方便易得,所需計(jì)算資源相對(duì)較少.Choudhuri[31]和Ihme 等[32]的LES 模擬研究涉及H2/CO/CH4火焰回火,但未展示回火臨界參數(shù).Zheng 等[33]和Li 等[34]針對(duì)H2/CO 燃料開展了LES 模擬,其中,Zheng 等[33]采用4 步簡(jiǎn)化反應(yīng)機(jī)理和渦耗散概念模型模擬了火焰的瞬態(tài)特征,Li 等[34]則采用16 步詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和線性渦黏性模型模擬了火焰的穩(wěn)態(tài)特征.但上述研究均未涉及火焰的回火特性.

綜上,數(shù)值模擬在研究富氫燃料射流火焰回火方面發(fā)揮了重要作用,以直接數(shù)值模擬(DNS)和大渦模擬(LES)為主.然而,目前的數(shù)值研究主要集中在H2/空氣火焰上,對(duì)富氫燃料的各種燃料組合的回火特性研究相對(duì)不足.此外,一些模擬采用了簡(jiǎn)化的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理,可能限制了對(duì)實(shí)際火焰行為的準(zhǔn)確模擬.為深入理解回火機(jī)理,未來的數(shù)值研究需要更廣泛地涵蓋不同燃料組合,并在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和化學(xué)反應(yīng)機(jī)理驗(yàn)證等方面取得更進(jìn)一步的進(jìn)展.

3 富氫燃料射流預(yù)混火焰回火的影響因素研究

3.1 燃料氫含量的影響作用

有關(guān)富氫燃料組分對(duì)回火的影響,研究工作比較充分,相關(guān)研究主要關(guān)注H2/CO/CH4燃料體系中氫含量的影響,近期也有針對(duì)燃料體系為H2/NH3射流火焰回火特性的研究.

Davu 等[13]和Dam 等[5]開展了射流火焰的回火實(shí)驗(yàn),考察了氫含量(混合燃料中H2的體積分?jǐn)?shù))的影響,結(jié)果表明火焰的回火行為一般由H2反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性主導(dǎo).圖6(a)和圖6(b)所示分別為不同氫含量下H2/CO(合成氣)和H2/CH4射流火焰臨界速度梯度的變化,可以看到,氫含量增加引起射流火焰發(fā)生回火的傾向性增強(qiáng),此外,合成氣射流火焰的回火速度受H2濃度的影響更大.

圖6 不同氫含量下臨界速度梯度隨燃料體積分?jǐn)?shù)變化[5]Fig.6 Critical velocity gradient in variation with fuel volume fraction under different hydrogen contents[5]

Tuncer 等[6]通過實(shí)驗(yàn)研究了不同氫含量對(duì)受限空間內(nèi)射流火焰回火的影響,圖7 所示分別為純甲烷和50%-50%H2-CH4射流火焰的OH*自發(fā)光熒光圖像,可以看到,H2的添加使得火焰根部下移到更上游區(qū)域.

圖7 (a) CH4 和(b) 50%-50% H2-CH4 射流火焰的OH*自發(fā)光熒光圖像(?=0.7,固定流率)[6]Fig.7 OH* chemiluminescence images of (a) CH4 and (b) 50%-50%H2-CH4 jet flames (?=0.7,fixed flow rate) [6]

定量研究中,Kr?ner 等[14]和Xu 等[4]利用經(jīng)典的Peclet 數(shù)(Pe)關(guān)聯(lián)式統(tǒng)一表達(dá)不同組分下的回火邊界條件.Kr?ner 等的研究中,燃料為CH4/H2,燃燒條件為常壓、373 K～ 723 K.Xu 等[4]的研究中,燃料為 H2/CO,其中氫含量為0～ 80%,燃燒條件為常溫常壓.Pe關(guān)系式如下

式中Peu為來流的Peclet 數(shù),Pef為回火對(duì)應(yīng)的Peclet數(shù),C為比例系數(shù),u為來流速度,d為管徑,α為來流的熱擴(kuò)散系數(shù),SL為層流火焰速度.

Lin 等[23]利用Lewis 數(shù)(Le)、湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣?、層流火焰厚度來定量預(yù)測(cè)H2/N2火焰的臨界速度梯度,實(shí)驗(yàn)中H2濃度范圍為75%～ 100%,臨界速度梯度預(yù)測(cè)值按照以下公式計(jì)算

式中ST為湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣?δ0為層流火焰厚度.該模型中,Le體現(xiàn)了氫組分優(yōu)先擴(kuò)散效應(yīng)的影響,常規(guī)碳?xì)淙剂系腖e接近于1,富氫燃料的Le小于1,那么,隨著氫含量增加,燃料的Le不斷減小,相應(yīng)地,臨界速度梯度逐漸增大.

Shaffer 等[15]在常溫常壓下測(cè)量了50%～100%H2/0～ 50%CO/0～ 50%CH4的臨界速度梯度,基于燃料組分和絕熱火焰溫度得到經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式

式中χi為燃料中各組分的體積分?jǐn)?shù),Tad為絕熱火焰溫度.該關(guān)系式對(duì)常溫常壓下H2/CO/CH4燃料回火的臨界速度梯度預(yù)測(cè)如圖8 所示,可以直接獲得不同組分燃料的回火邊界,但是難以直觀地表現(xiàn)出氫含量的具體作用.注意此關(guān)系式是基于常溫來流、1700 K 和1900 K 絕熱火焰溫度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得,因此,對(duì)于預(yù)熱來流以及更寬范圍當(dāng)量比情況,預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性還有待進(jìn)一步檢驗(yàn).

圖8 1700 K 和1900 K 絕熱火焰溫度條件下臨界速度梯度預(yù)測(cè)值[15]Fig.8 Predicted critical velocity gradient under adiabatic flame temperature conditions of 1700 K and 1900 K[15]

Goldmann 等[11]開展了系列H2/NH3/空氣混合物射流火焰回火實(shí)驗(yàn),研究了不同氫氨比例對(duì)火焰回火特性的影響.圖9 所示為不同比例H2/NH3/空氣射流火焰的回火速度隨混合物當(dāng)量比的變化,對(duì)于純H2/空氣射流火焰,在當(dāng)量比0.378～ 0.795 范圍,回火速度介于4.2～ 13.8 m/s 之間;隨著燃料混合物中氨氣比例上升,即氫含量下降,可以看到,射流火焰的回火速度呈下降趨勢(shì),如氫氣含量50%,當(dāng)量比0.624～ 0.87 之間,回火速度位于1.3～ 2.99 m/s 范圍,回火傾向減弱,這主要?dú)w因于層流燃燒速度的降低和層流火焰厚度的增加.

圖9 不同氫/氨比例下射流火焰回火速度隨混合物當(dāng)量比的變化[11]Fig.9 The flashback speed of jet flame in variation with equivalence ratio under different hydrogen/ammonia ratios[11]

近年來,隨著碳減排等相關(guān)環(huán)保政策和指導(dǎo)意見的陸續(xù)出臺(tái),國(guó)內(nèi)學(xué)者圍繞燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)富氫燃料氣的利用問題也開展了一定的研究工作.中南大學(xué)的胡舸等[16]基于本生燈火焰測(cè)試,研究了H2摻混對(duì)CH4空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑サ挠绊?結(jié)果表明,氫氣摻混使得預(yù)混火焰的回火極限顯著提高.重慶大學(xué)的魏勝[17]使用本生燈測(cè)量了摻氫甲烷邊界層回火的臨界速度梯度,在0～ 30%摻氫范圍內(nèi),臨界速度梯度隨氫含量近似呈線性增長(zhǎng);此外比較了9,13,15.4 mm 管徑的結(jié)果,隨著管徑增加,臨界速度梯度降低,并且其關(guān)于氫氣含量的增長(zhǎng)率也逐漸降低.

總結(jié)現(xiàn)有研究可知,氫含量對(duì)射流火焰的回火行為有顯著影響,由于在燃燒過程中氫氣的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等因素,氫含量的增加使得火焰發(fā)生回火的傾向性增強(qiáng).一些研究采用Peclet 數(shù)和Lewis 數(shù)等無(wú)量綱數(shù)來描述不同氫含量下的回火邊界條件.這些參數(shù)關(guān)聯(lián)了組分、火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧婧穸鹊纫蛩?通過數(shù)學(xué)模型來定量預(yù)測(cè)不同條件下的臨界速度梯度.

3.2 來流溫度和燃燒壓力等運(yùn)行參數(shù)的影響作用

實(shí)際燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室通常為高溫高壓環(huán)境,壓力可達(dá)十幾個(gè)大氣壓、來流溫度達(dá)600 K 以上,這必將導(dǎo)致燃料的燃燒和穩(wěn)定特性區(qū)別于常溫常壓環(huán)境下的結(jié)果,使得基于常溫常壓條件獲得的回火模型并不能對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的回火行為進(jìn)行合理的預(yù)測(cè).基于此,近年來,學(xué)者們針對(duì)高溫高壓環(huán)境下富氫燃料氣的回火問題開展了系列研究,其中來流溫度大致在400～ 800 K 之間,燃燒壓力在1～ 15 atm之間[13,23-24].

Duan 等[10]在常壓、300～ 810 K 預(yù)熱條件下,考察了噴嘴材料及噴嘴尖端溫度對(duì)H2/CO/CH4混合燃料的湍流射流火焰回火的影響,實(shí)驗(yàn)所用噴嘴直徑約21 mm,火焰被置于直徑63.5 mm 的石英腔內(nèi),針對(duì)不同燃料,分別控制絕熱火焰溫度(1700,1900 K)和來流空氣量不變,其中前者占主要,后者在流量較低時(shí)使用.實(shí)驗(yàn)中分別采用石英和不銹鋼兩種材料,結(jié)果表明,相同來流條件下,發(fā)生回火時(shí)石英材質(zhì)的噴嘴尖端溫度更高,同時(shí),石英材質(zhì)對(duì)應(yīng)的回火速度達(dá)到不銹鋼噴嘴的兩倍.將回火的臨界速度梯度與噴嘴尖端溫度對(duì)應(yīng)的層流火焰速度、熱擴(kuò)散系數(shù)和熄滅距離進(jìn)行關(guān)聯(lián),并得到相應(yīng)的比例關(guān)系,因此建議在射流的邊界層回火預(yù)測(cè)模型中采用尖端而不是來流的溫度對(duì)應(yīng)的物性參數(shù)更為合理

式中α為噴嘴材料的熱擴(kuò)散系數(shù),dq為預(yù)混火焰熄滅距離,下標(biāo)0 表示參考溫度(火焰以甲烷為參考),下標(biāo)tip 表示回火時(shí)的噴嘴尖端溫度.該關(guān)聯(lián)式適用于1700～ 1900 K 絕熱火焰溫度的H2/CO/CH4燃料,此時(shí)當(dāng)量比不超過0.75.對(duì)于富氫燃料火焰,接近化學(xué)當(dāng)量比時(shí),絕熱火焰溫度增長(zhǎng)較快,對(duì)噴嘴壁面的加熱作用更強(qiáng),因而更高當(dāng)量比條件下噴嘴溫度對(duì)回火的影響還有待驗(yàn)證.

Kalantari 等[3]考察了當(dāng)量比、來流溫度和壓力對(duì)氫火焰回火速度的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10 所示,可以看到,500 K 預(yù)熱條件下,氫火焰的回火速度、臨界速度梯度均和壓力存在冪次關(guān)系,貧燃范圍內(nèi),壓力的冪指數(shù)隨當(dāng)量比的增加而增加,主要原因是熄滅距離和層流燃燒速度均為壓力的冪函數(shù),且壓力的指數(shù)與當(dāng)量比大小有關(guān).此外,Kalantari 等[3]根據(jù)高溫高壓條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),建立了氫火焰回火關(guān)聯(lián)模型

圖10 500 K 預(yù)熱條件下,氫火焰回火速度、臨界速度梯度和壓力的關(guān)系[3]Fig.10 The flashback speed and critical velocity gradient of hydrogen flame in variation with pressure under 500 K preheating[3]

式中Da=/(αgc),Le=ud/ν,Pef=SLd/α,C為比例系數(shù),Tu,Ttip和T0分別表示來流溫度、噴嘴尖端溫度和參考溫度,Pu和P0分別代表來流壓力和參考?jí)毫?從關(guān)聯(lián)式可以得到,氫火焰回火的臨界速度梯度與來流溫度、噴嘴尖端溫度和來流壓力存在正的冪次關(guān)系,其中當(dāng)量比對(duì)回火的影響隱含在層流火焰速度等變量之中.Lin 等[8]對(duì)氫含量70%,85% 和100%(氮?dú)庀♂? 的燃料開展了實(shí)驗(yàn)研究,在5,10 bar,573,623,673 K 條件下,固定來流速度40 m/s,得到回火對(duì)應(yīng)的臨界當(dāng)量比,也發(fā)現(xiàn)了臨界當(dāng)量比和溫度、壓力之間的冪次關(guān)系.

Hoferichter 等[18]對(duì)矩形通道受限空間內(nèi)H2/空氣火焰的回火特性開展了系列研究,考察了預(yù)熱溫度對(duì)回火特性的影響,此外,考慮壁面附近火焰拉伸和湍流的影響,建立了相應(yīng)的邊界層回火預(yù)測(cè)模型.圖11 中展示了模型預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比情況,二者符合地很好.

圖11 不同預(yù)熱溫度下H2/空氣火焰回火速度的模型預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比[18]Fig.11 Comparison between model predictions and experimental results of H2/air flashback speed under different preheating[18]

Goldmann 等[11]將過去的工作加以延伸,研究了預(yù)熱溫度對(duì)H2/NH3/空氣湍流射流預(yù)混火焰回火特性的影響,其中未燃混合物預(yù)熱溫度范圍為293 K～557 K.圖12(a)和圖12(b)分別為不同預(yù)熱溫度下射流火焰回火速度隨混合物當(dāng)量比和層流燃燒速度的變化,可以看到,未燃混合物的預(yù)熱溫度對(duì)射流火焰回火速度的影響顯著,對(duì)于60%H2/40%NH3/空氣火焰,當(dāng)量比為0.8 時(shí),預(yù)熱溫度分別為416 K 和554 K 條件下,回火速度相比293 K 結(jié)果分別增大了1.6 和2.5 倍;對(duì)于70% H2/30% NH3/空氣火焰,當(dāng)量比為0.8 時(shí),預(yù)熱溫度分別為421 K 和557 K 條件下,回火速度相比293 K 結(jié)果分別增大了約1.6 和2.4 倍.從圖12(b)可以看出,回火速度與層流火焰速度強(qiáng)相關(guān).此外,作者將經(jīng)典的邊界層回火模型進(jìn)行了一定擴(kuò)展,使其能夠考慮未燃混合物預(yù)熱溫度的影響,改進(jìn)后的模型預(yù)測(cè)效果良好,結(jié)果參考圖13.

圖12 不同預(yù)熱溫度下射流火焰回火速度隨(a)混合物當(dāng)量比和(b)層流燃燒速度的變化[18]Fig.12 Flashback speed of jet flame in variation with (a) equivalence ratio and (b) laminar flame speed under different preheating[18]

圖13 不同條件下回火模型預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比情況[11]Fig.13 Comparison between model predictions and experimental results of flashback models under different conditions[11]

除了臨界速度梯度,加壓條件的研究中通常固定來流速度,使用回火時(shí)的當(dāng)量比或絕熱火焰溫度描述燃料的回火傾向,回火時(shí)的當(dāng)量比或絕熱火焰溫度越低則越容易回火.

Noble 等[12]在1.7 和4.4 atm 下開展了合成氣回火研究,絕熱火焰溫度作為回火時(shí)的臨界參數(shù),發(fā)現(xiàn)更高的壓力下臨界絕熱火焰溫度更低,這意味著高壓下火焰更容易發(fā)生回火.Ebi 等[35]在1.2～ 7.5 atm,473～ 673 K 條件下,通過固定來流速度測(cè)量了H2/CH4燃料回火的臨界當(dāng)量比,氫含量范圍是50%～ 85%.Ebi 等[35]開展了射流火焰回火的加壓實(shí)驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn),加壓條件下,氫含量增加,火焰的回火傾向增強(qiáng),與常壓結(jié)果一致.Daniele 等[22]研究了1～15 atm 下H2/CO 燃料的回火特性,氫含量固定為50%,實(shí)驗(yàn)中通過控制來流速度獲得臨界當(dāng)量比.研究表明,來流溫度和壓力對(duì)回火的影響分別遵循1/?～Tx,1/?～p-1/2關(guān)系式,其中,x為擬合系數(shù).提高來流速度時(shí),回火對(duì)應(yīng)的臨界當(dāng)量比變化很小,因此認(rèn)為在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中通過提高來流速度來抑制回火是困難的,應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)向降低火焰速度等策略.

3.3 噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸及布置方式的影響作用

噴嘴尺寸可能對(duì)噴口附近氣流的分布產(chǎn)生一定影響,進(jìn)而影響火焰的回火行為.研究發(fā)現(xiàn),mm 級(jí)的噴嘴會(huì)對(duì)邊界層內(nèi)滲透距離產(chǎn)生影響,而更大尺寸的噴嘴則有可能通過其他因素作用于回火的臨界速度梯度,例如改變火焰對(duì)噴嘴的熱效應(yīng).

Davu 等[13]開展了H2-CO 和H2-CH4射流火焰的回火實(shí)驗(yàn),考察了噴嘴直徑對(duì)火焰回火行為的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),噴嘴直徑增加引起臨界速度梯度增大;與H2-CH4火焰相比,噴嘴直徑對(duì)H2-CO 火焰回火傾向性的影響在貧燃和富燃側(cè)均更為明顯.Dam 等[5]也進(jìn)行了類似的實(shí)驗(yàn)研究,如圖14 所示,結(jié)果與Davu 等[13]的結(jié)果基本一致.

圖14 不同噴嘴直徑下臨界速度梯度隨燃料體積分?jǐn)?shù)變化[5]Fig.14 Critical velocity gradient in variation with fuel volume fraction for different nozzle diameters[5]

Khitrin 等[19]通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量了不同噴嘴直徑下H2/空氣射流火焰的回火速度,發(fā)現(xiàn)湍流條件下H2/空氣火焰的回火速度與噴嘴直徑無(wú)關(guān),這與層流條件下回火速度與管徑正相關(guān)的結(jié)果不同.Eichler等[20]利用直徑為40 mm 的燃燒器噴嘴開展H2/空氣火焰的回火實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,當(dāng)量比?＜ 0.7,噴嘴直徑對(duì)H2/空氣湍流火焰回火速度的影響不明顯,這與Dam 等[5]關(guān)于合成氣的結(jié)果類似;隨著?增大,管徑的影響逐漸顯著,如直徑為18 mm 的噴嘴對(duì)應(yīng)的臨界速度梯度顯著高于其他情況.

Hoferichter 等[18]基于經(jīng)典的層流邊界層回火理論[30],考慮火焰拉伸對(duì)噴嘴壁面附近燃燒速度的影響對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行修正,并利用CH4/空氣和H2/空氣層流射流火焰的回火實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn),結(jié)果分別如圖15 和圖16 所示.觀察圖15 可以看到,對(duì)于CH4/空氣火焰,修正模型與臨界速度梯度模型以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好.圖16 所示為H2/空氣火焰結(jié)果,可以看到,?＜ 0.7 時(shí),臨界速度梯度模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好;?≥ 0.7 時(shí),臨界速度梯度模型的預(yù)測(cè)值產(chǎn)生了較大的偏差,而修正模型預(yù)測(cè)良好.結(jié)果表明,在較高?下,相比CH4/空氣,H2/空氣的射流火焰受到的拉伸作用更大.

圖15 針對(duì)層流火焰回火速度,臨界速度梯度模型和修正模型預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比(CH4/空氣火焰)[18]Fig.15 Comparison of critical velocity model,modified model,and experimental results of laminar flame flashback speed (CH4/air flame) [18]

圖16 針對(duì)層流火焰回火速度,臨界速度梯度模型和修正模型預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比(H2/空氣火焰)[18]Fig.16 Comparison of critical velocity model,modified model,and experimental results of laminar flame flashback speed (H2/air flame) [18]

此外,在射流火焰的布置方式方面,Xu 等[4]考察了噴嘴外圍伴流對(duì)CH4和H2/CO 射流火焰回火的影響,隨著伴流速度增大,火焰形狀從錐形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镸 形,回火機(jī)理則從邊界層回火轉(zhuǎn)變?yōu)橹行牧骰鼗?Baumgartner 等[25]在燃燒器管內(nèi)引入橫向空氣射流,研究其對(duì)氫火焰回火的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,橫向射流可改善火焰的回火傾向,并且發(fā)現(xiàn)在出口上游約10 cm 處引入約占總空氣量10%的橫向射流時(shí)效果最佳;然而,在此基礎(chǔ)上繼續(xù)增加橫向射流卻促進(jìn)了回火的發(fā)生,且為中心流回火,此情況下,出口速度分布發(fā)生變化,同時(shí)火焰形狀改變,呈郁金香形.Baumgartner 等[25]認(rèn)為,回火傾向降低的主要原因是近壁混合物被稀釋,而橫向射流帶來的額外動(dòng)量所起的作用可以忽略不計(jì).

3.4 聲激勵(lì)或者熱聲耦合的影響作用

燃燒室可視為聲學(xué)諧振腔,燃燒放熱率的波動(dòng)將引起壓力和速度的波動(dòng),當(dāng)放熱率擾動(dòng)和壓力擾動(dòng)滿足Rayleigh 準(zhǔn)則,即滿足一定的相位差條件時(shí),聲波獲得能量,若此能量增益超過其在壁面附近的能量損失,聲波將持續(xù)增強(qiáng)并帶來熱聲不穩(wěn)定性,這一現(xiàn)象則被稱為熱聲振蕩[36-37].熱聲振蕩的主要影響因素一是流動(dòng)過程中周期性的渦脫落造成放熱率的周期性變化,二是燃燒室內(nèi)的聲波運(yùn)動(dòng)與燃燒過程的耦合[38].

Davu 等[13]和Dam 等[5]開展了聲激勵(lì)對(duì)射流火焰回火特性的影響,發(fā)現(xiàn)聲激勵(lì)對(duì)回火傾向性的影響并不明顯(參見圖17).Tuncer 等[6]通過實(shí)驗(yàn)研究了熱聲振蕩誘導(dǎo)的壓力波動(dòng)與回火之間的關(guān)系.圖18所示為相平均壓力、放熱率和回火信號(hào).從圖中可以看出,純CH4及H2體積分?jǐn)?shù)10%條件下,火焰未發(fā)生回火,當(dāng)增大H2體積分?jǐn)?shù)到50%時(shí),回火發(fā)生,且回火信號(hào)與動(dòng)態(tài)壓力的變化趨勢(shì)相似,表明二者之間密切的相互關(guān)系.Hoferichter 等[18]通過實(shí)驗(yàn)研究了熱聲振蕩對(duì)H2/空氣火焰回火特性的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),聲激勵(lì)的振幅增加,回火的風(fēng)險(xiǎn)增大,該效應(yīng)在低頻振蕩中表現(xiàn)更為顯著.綜合來看,熱聲振蕩對(duì)火焰回火行為的影響涉及聲激勵(lì)的強(qiáng)度、頻率等因素,較高頻率(300～ 700 Hz)聲激勵(lì)對(duì)回火傾向性的影響較小,但在低頻振蕩中,聲激勵(lì)增加了回火風(fēng)險(xiǎn),且振幅的增加起促進(jìn)作用.這表明在研究熱聲振蕩對(duì)火焰回火的影響時(shí),需要考慮多種因素的復(fù)雜相互作用.

圖17 不同聲頻下臨界速度梯度隨燃料體積分?jǐn)?shù)變化(25%-75% H2-CO)[5]Fig.17 Critical velocity gradient in variation with fuel volume fraction under different sound frequencies (25%-75% H2-CO) [5]

圖18 相平均壓力、放熱率及回火信號(hào)[18]Fig.18 Phase average pressure,heat release rate,and flashback signal[18]

3.5 微混燃燒與富氫燃料氣的回火

微混燃燒是一種適用于富氫燃料氣的燃燒技術(shù),能夠減輕燃燒器的回火傾向,最早由歐盟提出[39],近年來多種設(shè)計(jì)方案陸續(xù)提出,部分設(shè)計(jì)如圖19 所示.圖19(a)是Funke 等[39]早期提出的微混燃燒器設(shè)計(jì),燃料和空氣在噴嘴出口沿軸向混合,經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)燃燒時(shí)存在局部熱點(diǎn);圖19(b)是中國(guó)科學(xué)院的張哲巔團(tuán)隊(duì)[40-43]提出的一種微混燃燒器設(shè)計(jì),燃料和空氣在管壁開孔處沿橫向混合,經(jīng)研究得到該燃燒器摻混均勻度的影響因素有燃空動(dòng)量比、空氣孔間隙和空氣孔與燃料入口間距離等[42];圖19(c)是哈爾濱工業(yè)大學(xué)的邱朋華團(tuán)隊(duì)[44]提出的采用微混燃燒技術(shù)的模型燃燒室,由40 個(gè)單元噴嘴構(gòu)成,具有較好的防回火性能.

圖19 各種微混燃燒器的設(shè)計(jì)Fig.19 Design of various micro-mix burners

通常意義上,微混燃燒器可以防止回火發(fā)生,但隨著燃料氫含量的增加,仍可能出現(xiàn)回火風(fēng)險(xiǎn)[38].微混燃燒器的來流氣體在噴嘴出口附近的短距離內(nèi)預(yù)混,停留時(shí)間較短,可能存在一定的不均勻性,燃料和空氣的混合均勻性可能影響燃燒速率,進(jìn)而對(duì)回火造成影響.Anselmo-Filho 等[45]通過分層燃燒器考察了混合均勻性對(duì)湍流燃燒的影響,發(fā)現(xiàn)對(duì)于平均當(dāng)量比相同的CH4/空氣預(yù)混火焰,分層預(yù)混火焰的總?cè)紵俾矢哂诰鶆蝾A(yù)混火焰,這說明了來流的不均勻性可能提高燃燒速率.清華大學(xué)李丹等[46]通過改變混合方式研究了混合均勻性對(duì)H2/CO 燃料回火的影響,發(fā)現(xiàn)來流混合均勻性較差時(shí)火焰具有更高的邊界層回火傾向,與貧燃火焰相比,接近化學(xué)當(dāng)量比的火焰受氣體混合不均勻的影響更大,對(duì)以上結(jié)果的解釋是混合不均導(dǎo)致壁面附近的局部當(dāng)量比變化,造成局部火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊奶岣卟⒁l(fā)回火.

4 展望與結(jié)語(yǔ)

近年來,有關(guān)富氫燃料氣射流火焰回火問題受到重視,研究人員在來流常溫及常壓條件下開展了豐富的研究,獲得了一系列的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),利用DNS和LES 數(shù)值模擬方法研究了回火過程中火焰和流場(chǎng)的相互作用.通過研究,獲得了噴嘴直徑、燃料組分、噴嘴壁面、溫度和壓力等對(duì)回火的影響規(guī)律.理論上,一些學(xué)者從臨界速度梯度理論出發(fā),基于Pe,Le和Da等無(wú)量綱準(zhǔn)則數(shù)建立了富氫燃料氣及純氫的回火模型.

然而,目前研究所涉及的燃料組分、來流溫度、環(huán)境壓力及燃燒場(chǎng)等與燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際及未來可能的運(yùn)行工況尚存在較大的差別,為此,本文就富氫燃料射流預(yù)混火焰回火研究做出以下展望.

(1)加強(qiáng)探究火焰與壁面之間的相互作用過程,通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等手段,研究邊界層流動(dòng)、壁面?zhèn)鳠岷突瘜W(xué)反應(yīng)及其耦合對(duì)回火特性的影響.

(2)加強(qiáng)與實(shí)際燃?xì)廨啓C(jī)工況接近的實(shí)驗(yàn)和模擬開展,對(duì)實(shí)際燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行工況的回火行為獲得更好的認(rèn)識(shí).目前加壓條件下純氫以外的回火研究相對(duì)匱乏,需開展更多的富氫燃料氣射流火焰在高溫高壓條件下的回火行為研究,探索熱場(chǎng)、聲場(chǎng)耦合下燃燒場(chǎng)中的回火特性,提高回火預(yù)測(cè)模型的適用性.

(3)加強(qiáng)富氫燃料氣回火計(jì)算的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理驗(yàn)證,受限于詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的復(fù)雜度,目前回火的數(shù)值研究對(duì)象以H2/空氣射流火焰為主,燃料氣化學(xué)機(jī)理適用性有待驗(yàn)證.

(4)加強(qiáng)探索回火抑制技術(shù)或者防回火的燃燒技術(shù)研究.通過設(shè)計(jì)運(yùn)行策略、引入防止回火措施、發(fā)展防回火性能更佳的燃燒器等手段,降低設(shè)備回火風(fēng)險(xiǎn),提高燃?xì)廨啓C(jī)在使用低碳燃料時(shí)的安全性和可靠性.