定容微小空間內低碳烷烴-空氣火焰?zhèn)鞑ヌ匦詫嶒炑芯?pdf

1、微型內燃機燃燒室的特征尺寸為毫米量級，接近微尺度燃燒火焰面的厚度，燃料化學能釋放必須在微小的空間和很短的時間內完成，因此，研究微尺度空間內火焰?zhèn)鞑ヌ匦詫﹂_發(fā)微型內燃機具有重要的意義。以往在微尺度燃燒方面的研究主要針對微小空間內穩(wěn)定流場的燃燒，而封閉空間內火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘难芯枯^少，特別是實驗研究方面數(shù)據(jù)報道缺乏。本文設計了一種新型狹縫微型定容燃燒裝置，在常溫常壓條件下，開展了微小封閉空間內低碳碳氫燃料/空氣的靜止預混氣體的火焰?zhèn)鞑ヌ匦匝芯浚?/p>

2、通過高速攝影儀記錄了毫秒量級的火焰?zhèn)鞑ミ^程，采用MATLAB編程對火焰?zhèn)鞑D像進行了處理，分析了不同當量比、特征尺度和燃料摻氫比例條件下的乙烷/空氣預混氣、丙烷/空氣預混氣和正丁烷/空氣預混氣的火焰形態(tài)和傳播速度特性，獲得了當量比、微燃燒室特征尺度和摻氫比對火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懸?guī)律和作用機制。論文研究成果為開發(fā)新型微小內燃機提供了設計依據(jù)和理論指導。本文的主要內容及研究成果如下：
　?。?）在微尺度定容燃燒腔中，低碳碳氫燃料的可燃極

3、限隨著碳原子數(shù)目的增多而變窄。對于同一種燃料，可燃極限隨著燃燒腔特征尺寸的增大而拓寬。對于丙烷/空氣混合氣，在 H=2mm的間隙內，其可燃極限為1.0~1.45，而在H=5mm間隙內，其可燃極限擴展為0.9~2.2。
　?。?）在微尺度定容燃燒腔中，微尺度火焰?zhèn)鞑ブ械幕鹧驿h面會呈現(xiàn)光滑、褶皺與斷裂三種形態(tài)。當狹縫間隙一定時，隨著當量比的增加，更容易出現(xiàn)火焰褶皺和火焰鋒面斷裂的現(xiàn)象。例如在直徑150mm，間隙2mm的定容燃燒腔中，丙

4、烷/空氣混合氣隨著當量比的增加，褶皺出現(xiàn)時刻更早，而當量比增加到1.45時，火焰鋒面就開始出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。在相同當量比下，隨著狹縫間隙的減小，微尺度火焰?zhèn)鞑ブ谢鹧娴鸟薨櫤蛿嗔熏F(xiàn)象出現(xiàn)的時刻提前。例如在當量比為1.2時，2mm的間隙內，間隙褶皺出現(xiàn)時刻早于3mm間隙條件，3mm間隙褶皺出現(xiàn)時刻早于5mm間隙。分析可知：隨著當量比的增大，預混火焰的熱擴散率和質擴散率不協(xié)調程度增強，導致火焰不穩(wěn)定性增強，提前出現(xiàn)褶皺，甚至斷裂；隨著狹縫間隙的減

5、小，微燃燒腔的表面積體積比增大，導致散熱增強，燃燒強度減弱；另外，隨著間隙的減小，火焰面曲率增大，并且水動力學作用增強，導致火焰不穩(wěn)定性加劇，褶皺和斷裂時刻提前。
　?。?）在微尺度定容燃燒腔中，預混火焰的傳播速度隨著傳播半徑的增大而減小。在相同間隙下，隨著當量比的增加，乙烷/空氣預混氣、丙烷/空氣預混氣和正丁烷/空氣預混氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣认仍龃蠛鬁p小，且均在當量比1.2附近達到最高。另外，在2mm間距下，三種燃料預混火焰的傳播速度

6、相差不大。在相同當量比下，隨著燃燒腔間隙的減小，火焰?zhèn)鞑ニ俣认仍龃蠛鬁p小。在本文研究中，由于水動力學和壁面回熱的耦合作用，當量比為1.2條件下，相比于其他燃燒腔間距，在H=3mm間距時，丙烷/空氣預混氣和正丁烷/空氣預混氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_到最高。
　　（4）通過計算和分析正丁烷預混火焰的火焰拉伸率可知，在相同間隙的微型定容燃燒腔內，當量比對火焰拉伸率的影響很小；在相同當量比下，燃燒腔間隙對拉伸率的影響較大，而在火焰?zhèn)鞑ツ┢?，水動?/p>

7、學不穩(wěn)定是導致火焰不穩(wěn)定的主要因素，因此，微燃燒腔的間隙越小，間隙對水動力學的影響愈加明顯。
　　（5）氫氣的摻入對預混火焰的傳播速度和燃燒特性影響較大。隨著氫氣的摻入，丙烷/空氣混合氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣日w增加，在H=2.5mm的燃燒腔中，摻混體積分數(shù)為13.2％的氫氣時，傳播速度最高達到8m/s，并且發(fā)生了爆燃現(xiàn)象。證明在微小定容空間內發(fā)生爆燃是可能的。在相同當量比，相同間距下，隨著氫氣摻入，火焰鋒面褶皺更加細密，極大增加了火焰鋒

8、面面積，使得燃燒反應劇烈。另外實驗中發(fā)現(xiàn)了一些微尺度燃燒的特殊現(xiàn)象。例如，在間距為5mm的燃燒腔內，在當量比為1.4時，正丁烷/空氣預混氣的火焰鋒面在傳播過程中，鋒面投影厚度出現(xiàn)了跳動變化，而當量比為1.8時，在傳播過程中出現(xiàn)了未燃氣穿過火焰鋒面并燃燒的現(xiàn)象；在當量比1.5，間距2.5mm的條件下，正丁烷/空氣預混氣的火焰?zhèn)鞑ゾ徛?，傳播速度低?.28m/s；間距5mm，當量比為1.5時，丙烷/空氣預混氣在傳播過程中有局部湍流現(xiàn)象的出現(xiàn)