平面火焰细胞状不稳定性研究.doc

中国工程热物理学会 燃烧学作者简介：金武(1991- )，男，博士生；王金华(通信作者)，男，副教授，硕士生导师。基金项目：国家自然科学基金（51376004），陕西省自然科学基金（2014JQ7267），教育部留学回国人员科研启动基金。学术会议论文 编号：144021CH4/H2/CO2/O2平面火焰细胞状不稳定性研究金武，王金华*，俞森彬，谢永亮，黄佐华（西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室，西安 710049）(联系方式：E-mail: ) 摘 要 本文采用OH-PLIF探测系统对在McKenna平面火焰炉上产生CH4/H2/CO2/O2细胞状火焰进行了定量测量和分析。研究发现，平面火焰在稀燃极限附近会出现胞状结构，细胞数量随当量比/掺氢比的增加而增加，主要是由流体动力学不稳定性导致。同时我们通过OH-PLIF图片定量提取并定义了相关参数以表征平面火焰的不稳定程度，并发现随着火焰悬浮距离的减少火焰趋向于稳定，火焰对炉面的热损失有抑制不稳性发生的作用。通过线性理论分析，我们发现RS模型能够很好预测火焰稳定性随当量比/掺氢比的变化趋势。流体动力学不稳定性作用总能使火焰变的不稳定，而热-扩散不稳定性能够抑制这种作用。关键词 OH-PLIF；McKenna平面火焰炉；细胞状火焰；不稳定性 0 前言为减少温室气体CO2的排放，CCS技术（Carbon Capture and Storage, 碳捕捉与吸收）广受关注1,2，而富氧燃烧便是其中一种十分有效的手段。燃料在氧气和二氧化碳组成的混合气中燃烧完全后经过除湿，便可得到纯净的二氧化碳。甲烷作为最富有应用前景的替代燃料，因其火焰传播速度慢，往往掺入氢气以提高其它燃烧特性。因此，我们在过去做了许多关于甲烷掺氢的富氧燃烧基础特性的研究。然而，在过去的实验中3,4，我们经常会观测到由火焰的自身不稳定性引起的细胞状火焰。火焰的自身不稳定性5，是火焰动力学长久以来的一个经典研究课题。目前，关于其的理论研究和数值模拟比较多，实验研究相对较少，并且大多停留在一个现象学分析的阶段，对细胞状火焰系统的定量测量十分缺乏。因此本文采用OH-PLIF探测系统对在McKenna平面火焰炉上产生CH4/H2/CO2/O2细胞状火焰进行了定量测量和分析，对不稳定性的作用机理进行深入揭示。1 实验装置和方法实验系统如图1所示，包括配气系统、OH-PLIF系统、图像采集系统和McKenna平面火焰炉。McKenna炉是一个被广泛使用的平面火焰炉（见图2），预混可燃气的出口由一块直径为6cm的圆形烧结金属板制成，通过密集分布的微小孔隙产生均匀流场。炉面下有冷却液循环系统以控制入口气体初温，在本实验中，未燃混合气初温被控制在298K左右。图1 OH-PLIF实验系统示意图图2 McKenna平面火焰炉结构示意图实验气体为CH4/H2/CO2/O2混合气, YO2/(YCO2+YO2)为0.35，符号Y表示气体的摩尔分数。实验分掺氢和不掺氢两种情况进行：在掺氢比XH2=YH2/(YCH4+YH2)为0时，通过调整当量比变化观测和捕捉火焰形态变化规律；在当量比f=0.60时，通过变化XH2以研究氢气比例对细胞状火焰的影响。表1给出了各实验工况下的火焰参数，Leeff为有效路易斯数，SL0为无拉伸层流火焰速度，通过CHEMKIN 软件计算获得。dL为火焰厚度，计算式为dL0=aD/SL0，aD为未燃气体的热扩散系数，e0为火焰锋面前后密度比rb/ru。表1 各实验工况下的火焰参数fXH2LeeffdL0(mm)e0SL0(cm/s)0.5700.881650.1779.90.6300.891300.16715.00.6900.891030.16018.90.6000.881450.17212.30.600.250.841310.17315.90.600.650.831200.18024.52 实验结果与分析2.1 实验图片对比图3给出了实验结果。在实验中我们发现，平面火焰的细胞状结构主要发生在稀燃极限附近，随着当量比或掺氢比的增加，火焰逐渐趋于平整。在这个变化过程中，细胞大小随细胞数目的增加而不断变小。fOH-PLIF数码照片（侧拍）数码照片（俯拍）0.550.570.630.69(a)XH2OH-PLIF数码照片（侧拍）数码照片（俯拍）00.250.65(b)图3 实验图片: (a) CH4/CO2/O2混合气; (b) CH4/H2/CO2/O2混合气，f=0.6这种胞状结构主要由火焰的自身不稳定性引起。在层流火焰的自身不稳定性发生的初始阶段，人们发现可以用线性理论6来解释分析：假设外界对火焰的微小扰动为波长为l、振幅为A0的正弦波，火焰面上各点因此发生偏移，初始偏移量即为A0，之后由于自身不稳定性的作用，偏移量A=A0ewt对应不同波长的扰动有不同的增长率w(l)，将波矢量k=2p/l代入进去，即得到关于增长率w和波矢量k的分布关系，而这种分布关系通常由燃料自身特性如热扩散率、质量扩散率、密度等多种因素决定。火焰自身不稳定性主要有两部分原因：流体动力学不稳定性（DarrieusLandau不稳定性7,8）和执-扩散不稳定性9。我们先只考虎流动动力学不稳定性的影响，即火焰锋面前后由于热膨胀造成的密度差会使火焰在面对扰动时总会有正的响应，这种响应在线性分布关系中可以这样表示： （1）我们在这里称为流体动力学因子，经过计算发现，火焰的细胞数与间有着线性正相关的关系（如图4所示）。由此可以推断，火焰随着当量比/掺氢比的增加流体动力学不稳定性加强，同时导致火焰细胞数增加。但是，从图3我们可以看到，火焰在细胞增多的过程中是趋于平稳的，因此当前测试的火焰的不稳性不仅仅是由流体动力学不稳定性控制的，而细胞数目不适合作为火焰不稳定程度的表征。图4 火焰细胞数随流体动学因子变化规律2.2 火焰结构定量参数得益于激光诊断技术，我们得以通过OH-PLIF图片精确提取出火焰前锋面（图5），火焰面悬浮于炉面之上，悬浮距离随着炉面位置变化而变化，因此我们定义和来表示平均悬浮距离和偏移量： （2） （3）同时根据测量到的火焰细胞数，我们定义波长l来反应火焰折皱的频率： （4）为更好的表征火焰结构，必须结合幅度和频率两个方面，因此我们采用来示火焰面不稳定的程度。而火焰面的悬浮距离是火焰传播、来流速度及热损失相互作用的结果10。当火焰靠近炉面时，传向炉面的热损失增加，从而降低了火焰传播速度，这样达到平衡时，火焰面稳定在距离炉面为的位置。对于不同的当量比/掺氢比，不同的温度环境，均有一个相对应的，因此我们采用作为变量，发现随的增加而增加（见图6），并且所有数据点均落在一条2次曲线上： （5）如果有更多的数据验证，式（5）可以作为通用的经验关系式对类似火焰进行预测。图5 火焰前锋面及各项参数示意图图6 随悬浮距离的变化规律2.3 线性理论分析从2.1部分的分析我们已经发现，导致火焰细胞状不稳定现象出现的原因不仅仅是流体动力学不稳定性，为此，我们在这里将另一个很重要的因素热-扩散不稳定性考虑进来。Sivashinsky11,12和Matalon13首次提出了结合以上两种不稳定性因素的线性分布关系式： （6）式（6）第一项代表流体动力学不稳定性，第二项代表热-扩散不稳定性。之后Yuan, Law等人14考虑到高阶温度松弛的影响，添加了一个修正项，修正后模型称为RS模型。我们采用RS模型对此次研究的工况进行了计算，结果如图7(a)、(b)所示。(a)(b)图7 增长率w对应波矢量k线性分布关系：(a)CH4/CO2/O2;(b)CH4/H2/CO2/O2从图7我们可以看出，随着当量比/掺氢比的增加，火焰不稳定的范围变小，即火焰变得更容易稳定，与实验观测结果一致。同时分析式（6），我们可以发现，流体动力学不稳定始终使火焰变的不稳定，而热-扩散不稳定性减弱了这种影响。3 结 论1. 平面火焰的细胞数随当量比/掺氢比的增加而不断增加，主要是由流体动力学不稳定性导致，同时细胞数与流体动力学因子存在着正相关的关系。2. 平面火焰的不稳定性程度可以用来表征，同时我们发现随着火焰悬浮距离的减少而减小，即火焰在越靠近炉面越趋向于稳定，说明了火焰对炉面的热损失能够抑制细胞状不稳性现象的发生。3. 通过线性理论分析，我们发现RS模型能够很好预测火焰稳定性随当量比/掺氢比的变化趋势。流体动力学不稳定性作用总能使火焰变的不稳定，在小的扰动波矢量范围内起主导作用，而随着波矢量增长，热-扩散不稳定性逐渐发挥主导作用。参考文献1 Park J, Park JS, Kim HP, Kim JS, Kim SC, Choi JG, Cho HC, Cho KW, Park HS. NO emission behavior in oxy-fuel combustion recirculated with carbon dioxideJ. Energy & fuels, 2007, 21(1): 121-129.2 Haszeldine RS. Carbon capture and storage: how green can black beJ. Science, 2009, 325(5948): 1647-1652.3 Xie Y, Wang J, Zhang M, Gong J, Jin W, Huang, Z. Experimental and Numerical Study on Laminar Flame Characteristics of Methane Oxy-fuel Mixtures Highly Diluted with CO2J. Energy & Fuels, 2013, 27(10): 6231-62374 Zhang X, He X, Gundersen T. Post-combustion Carbon Capture with a Gas Separation Membrane: Parametric Study, Capture Cost, and Exergy AnalysisJ. Energy & Fuels, 2013, 27(8): 4137-4149.5 Matalon M. Flame dynamicsJ. Proceedings of the Combustion Institute, 2009, 32(1): 57-82.6 Sivashinsky GI. Some developments in premixed combustion modelingJ. Proceedings of the Combustion Institute, 2002, 29(2): 1737-1761.7 Darrieus G. Propagation dun Front de Flamme (Propagation of a Flame Front); La Technique Moderne: Paris, France, 1938.8 Landau L. On the theory of slow combustionJ. Acta Physicochim. URSS 1944, 19 (1), 7785.9 Sivashinsky GI. Diffusional-thermal theory of cellular flamesJ. Combustion Science and Technology, 1977, 15(3-4): 137-145.10 Ferguson CR, Keck JC. Stand-off distances on a flat flame burnerJ. Combustion and Flame, 1979, 34: 85-98.11 Frankel ML, Sivashinsky GI. The effect of viscosity on hydrodynamic stability of a plane flame frontJ. Combustion Science and Technology, 1982, 29(3-6): 207-224.12 Sivashinsky GI. Instabilities, pattern formation, and turbulence in flamesJ. Annual Review of Fluid Mechanics, 1