多孔介質(zhì)鈍體火焰穩(wěn)定器的制備及性能研究

多孔介質(zhì)鈍體火焰穩(wěn)定器的制備及性能研究

鈍體火焰沉定器是提高航空燃料、彈頭壓裂機(jī)槍、民用回轉(zhuǎn)爐等設(shè)備或裝置火災(zāi)火穩(wěn)定性的重要手段之一。在這項(xiàng)工作中，使用的典型鈍體火焰定標(biāo)器是v型火速定器，其主要作用是在氣氛中形成一個(gè)穩(wěn)定的區(qū)域。由于燃料和氧化物的混合良好，火焰的穩(wěn)定邊界相對(duì)狹窄，燃燒效率低，燃燒容易引起騷亂燃燒。為了解決上述問(wèn)題，研究人員在改進(jìn)的v型穩(wěn)定器上開(kāi)了槽，并打開(kāi)了兩個(gè)洞。其目的是將v型穩(wěn)定器上方的燃料引入后續(xù)返回區(qū)域，使返回區(qū)域的燃料與空氣混合更加有效，從而顯著降低貧燃和火的極限。除了穩(wěn)定漩渦效應(yīng)外，應(yīng)有效增加燃料和氧化的混合。通常,鈍體火焰穩(wěn)定器火焰穩(wěn)定能力與堵塞比相關(guān),尤其是當(dāng)流體速度較快時(shí),實(shí)現(xiàn)火焰駐定的堵塞比就更大.如導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)中火焰穩(wěn)定器的堵塞比可達(dá)到50%～60%.然而大堵塞比的火焰穩(wěn)定器會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的流動(dòng)損失,降低發(fā)動(dòng)機(jī)推力.火焰穩(wěn)定器必須在穩(wěn)定火焰的同時(shí),減少流動(dòng)損失.為此,研究者提出了高效的渦旋駐定穩(wěn)定器,如沙丘穩(wěn)定器、駐渦穩(wěn)定器等.研究者通過(guò)大量研究總結(jié)出一個(gè)火焰穩(wěn)定器需要有如下性能:優(yōu)越的駐渦性能、燃料與空氣得到有效混合、強(qiáng)化液體燃料的蒸發(fā)、減少流動(dòng)阻力等.而影響鈍體火焰穩(wěn)定器火焰穩(wěn)定性能因素包括其形狀、燃料/伴流速度(或動(dòng)量)比、燃料/氧化劑比、燃料類別和工作壓力等.已進(jìn)行的研究中,雖然火焰穩(wěn)定器形狀多樣,但都是采用實(shí)心材料或開(kāi)槽挖孔制作成各種形式的鈍體火焰穩(wěn)定器.多孔介質(zhì)是一種新型的材料,已被廣泛應(yīng)用于流動(dòng)、傳熱、燃燒等各個(gè)領(lǐng)域.多孔介質(zhì)大比熱容有蓄熱作用,相當(dāng)于固定的高溫源,有利于穩(wěn)定火焰;單位體積內(nèi)多孔介質(zhì)有很大的表面積,氣體和固體之間可以進(jìn)行充分的熱交換,使得燃燒溫度分布相對(duì)均勻,提高燃燒安全性和穩(wěn)定性,同時(shí)多孔介質(zhì)的復(fù)雜多變的流道橋路,也可以在延長(zhǎng)燃?xì)馔Ａ魰r(shí)間的同時(shí)強(qiáng)化燃燒;多孔介質(zhì)的高熱導(dǎo)率和強(qiáng)輻射作用可以使反應(yīng)放出的熱量向上游和下游傳給臨近的流體介質(zhì).杜聲同等對(duì)陶瓷多孔毛細(xì)滲油火焰穩(wěn)定器的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明,毛細(xì)滲油結(jié)構(gòu)可以有效擴(kuò)大火焰穩(wěn)定范圍,對(duì)點(diǎn)火、防振及火焰狀況都有利,而且由于毛細(xì)儲(chǔ)油功能,使熄火時(shí)間加長(zhǎng);由于熱慣性的存在有利于再著火.雖然目前對(duì)多孔介質(zhì)內(nèi)燃燒已進(jìn)行了很多研究,但用多孔介質(zhì)做火焰穩(wěn)定器相關(guān)研究還未見(jiàn)報(bào)道.本文提出用多孔材料制作多孔介質(zhì)火焰穩(wěn)定器.采用熱線測(cè)試實(shí)心鈍體和多孔介質(zhì)鈍體尾跡冷態(tài)流場(chǎng)結(jié)構(gòu),并采用丙烷為燃料進(jìn)行對(duì)比燃燒實(shí)驗(yàn),研究多孔介質(zhì)鈍體火焰穩(wěn)定特性.1多孔介質(zhì)火焰穩(wěn)定器實(shí)驗(yàn)圖1為丙烷與空氣擴(kuò)散燃燒實(shí)驗(yàn)裝置示意圖.多孔介質(zhì)置于燃料噴嘴上方L處.燃料管的內(nèi)徑D2=5,mm,壁厚1.5,mm,長(zhǎng)度為1,m.空氣伴流管道內(nèi)徑D1=60,mm,長(zhǎng)度600,mm.石英玻璃管內(nèi)徑為D1=60,mm,壁厚2,mm,高度為600,mm.實(shí)驗(yàn)選用鈍體材料:平均孔徑為1.27,mm和0.32,mm多孔介質(zhì)孔鈍體板及實(shí)心鈍體圓盤(pán).不同材料鈍體結(jié)構(gòu)外形尺寸相同,均為圓盤(pán)鈍體結(jié)構(gòu),其端面直徑為D=40,mm,高度h為8,mm.流體通道堵塞比達(dá)44.4%.燃料管與鈍體材料幾何布置如圖2所示.實(shí)驗(yàn)時(shí),空氣壓氣機(jī)抽入空氣,通過(guò)渦輪流量計(jì)(流量范圍為5～100,m3/h,精度等級(jí)為±1.5%)進(jìn)入燃燒室與丙烷燃料進(jìn)行擴(kuò)散燃燒.實(shí)驗(yàn)通過(guò)多孔介質(zhì)與實(shí)心鈍體火焰和冷態(tài)流場(chǎng)對(duì)比,分析多孔介質(zhì)火焰穩(wěn)定器對(duì)流體壓力損失、熄火極限和火焰高度等參數(shù)的影響,探索采用多孔介質(zhì)火焰穩(wěn)定器提高火焰穩(wěn)定性的可行性.為了研究回流區(qū)大小和回流強(qiáng)度,用熱線測(cè)速儀測(cè)試了各種工況時(shí)不同火焰穩(wěn)定器后軸線上流向速度分布.冷態(tài)流場(chǎng)測(cè)試中,熱線測(cè)速儀采用直徑5,μmwollaston(PT10%RH)熱絲,其速度敏感長(zhǎng)度為1,mm,電阻5.2,Ω.熱線測(cè)速儀測(cè)試時(shí)采用恒溫工作模式,熱線測(cè)速儀工作電阻Rw與環(huán)境溫度下電阻R0比值為1.8.熱線測(cè)速儀信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、平移、通過(guò)16通道A/D(12位)板進(jìn)入計(jì)算機(jī).采樣頻率3.5,kHz,采樣時(shí)間10,s.實(shí)驗(yàn)前,對(duì)熱線測(cè)速儀進(jìn)行速度-電壓標(biāo)定.具體標(biāo)定過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn),平均速度測(cè)量誤差為1.7%.2多孔介質(zhì)與實(shí)質(zhì)讓流場(chǎng)的壓力損失m實(shí)驗(yàn)采用Swema微壓差計(jì)(SwemaMan80,分辨率0.1,Pa)測(cè)量流體經(jīng)過(guò)3種不同鈍體穩(wěn)定器后流體的壓降,以評(píng)估不同火焰穩(wěn)定器的流動(dòng)損失.取壓位置分別在鈍體上下表面15,mm處.壓降隨流速分布關(guān)系如圖3所示.從圖中可見(jiàn),與實(shí)心鈍體相比,相同空氣伴流速度時(shí)多孔介質(zhì)火焰穩(wěn)定器能明顯降低流體壓力損失.隨著伴流空氣速度的提高,多孔介質(zhì)火焰穩(wěn)定器減少壓力損失的優(yōu)勢(shì)更明顯.當(dāng)空氣速度達(dá)到8,m/s時(shí),平均孔徑為1.27,mm和0.32,mm的多孔介質(zhì)穩(wěn)定器前后壓力差分別為79,Pa和73.5,Pa,而實(shí)心鈍體的前后壓力差達(dá)到191,Pa,分別為前者的2.4倍和2.6倍.多孔介質(zhì)平均孔徑從1.27,mm變化到0.32,mm時(shí),由于測(cè)試的速度較小,壓降-速度特性并沒(méi)有明顯差異.但隨著速度變大,兩者差異有變大的趨勢(shì).可見(jiàn),在航空和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等高流速燃燒流場(chǎng)中如使用多孔介質(zhì)火焰穩(wěn)定器可顯著減少壓力損失.3擴(kuò)散火焰的出現(xiàn)和發(fā)展實(shí)驗(yàn)時(shí),首先通過(guò)固定燃料速度(vf=4.5,m/s),改變空氣伴流(va=2～9,m/s)觀測(cè)不同鈍體后火焰演變過(guò)程(圖4).實(shí)驗(yàn)中,燃料出口位于鈍體下方L=15,mm處.對(duì)于實(shí)心鈍體火焰(圖4,(a)),當(dāng)va=1,m/s時(shí),由于空氣速度較小,火焰長(zhǎng)且呈黃紅色,呈現(xiàn)擴(kuò)散火焰特征.隨著空氣伴流速度增大(va=2,m/s),火焰上部為黃紅色,下部為藍(lán)色.這是由于伴流速度增大,鈍體火焰穩(wěn)定能力的下降導(dǎo)致擴(kuò)散火焰(黃紅色部分)抬舉.燃料與空氣在自由流與尾跡交界面混合較好,且應(yīng)變率較低,沿著鈍體四周產(chǎn)生了藍(lán)色火焰.隨著空氣伴流速度進(jìn)一步增大(va=3～4,m/s),鈍體穩(wěn)定火焰能力降低,火焰上部黃色的擴(kuò)散火焰部分漸漸變小、消失.當(dāng)空氣速度進(jìn)一步增大時(shí),火焰尾跡處的黃紅色火焰消失,轉(zhuǎn)變成短小藍(lán)色的純鈍體火焰.該藍(lán)色火焰出現(xiàn)在繞鈍體后回流區(qū)與自由流交界的剪切處,主要由于繞流剪切強(qiáng)化了燃料與氧化劑的混合.當(dāng)va>6,m/s時(shí),實(shí)心鈍體產(chǎn)生熄火.這是由于繞流剪切層產(chǎn)生的高應(yīng)變率引起熄火.多孔介質(zhì)鈍體火焰(圖4(,b))與實(shí)心鈍體火焰發(fā)展過(guò)程也類似,但火焰穩(wěn)定能力提高很多.當(dāng)va=5,m/s時(shí),才開(kāi)始產(chǎn)生擴(kuò)散火焰的抬舉;當(dāng)va=8,m/s時(shí),抬舉火焰依然比較穩(wěn)定,但開(kāi)始向鈍體火焰轉(zhuǎn)變.多孔介質(zhì)鈍體尾跡中,由于燃料可以直接穿過(guò)多孔介質(zhì)鈍體,因而其火焰與射流擴(kuò)散火焰特征類似.而實(shí)心鈍體火焰開(kāi)始產(chǎn)生抬舉時(shí),是空心火焰.火焰根部環(huán)繞鈍體端面四周,呈中空狀態(tài),因而火焰跳動(dòng)、不穩(wěn)定,直至熄火.為了進(jìn)一步比較多孔介質(zhì)火焰穩(wěn)定器與實(shí)心鈍體穩(wěn)定器的火焰穩(wěn)定性,并評(píng)估多孔介質(zhì)孔密度對(duì)火焰穩(wěn)定特性的影響,又引入了平均孔徑為1.27,mm的多孔介質(zhì)鈍體進(jìn)行火焰穩(wěn)定實(shí)驗(yàn).通過(guò)給定空氣伴流速度(va=6.0,m/s)或給定燃料流速度(vf=1.2,m/s),觀測(cè)火焰熄火工況(表1).從表1的熄火極限數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn),在相同空氣伴流速度時(shí),實(shí)心鈍體需要更多的燃料才能實(shí)現(xiàn)火焰穩(wěn)定.當(dāng)空氣伴流速度va=6.0,m/s,實(shí)心鈍體需要燃料速度vf>3.1,m/s才能保障不熄火;平均孔徑為0.32,mm的多孔介質(zhì)鈍體只需要燃?xì)馑俣却笥?.9,m/s,就不熄火.在相同燃料速度時(shí),實(shí)心鈍體需要更小的空氣伴流速度實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒.如當(dāng)燃料速度vf=1.2,m/s時(shí),實(shí)心鈍體在空氣伴流速度va=4.5,m/s以上產(chǎn)生熄火,而平均孔徑為0.32,mm的多孔介質(zhì)鈍體產(chǎn)生熄火的空氣伴流速度達(dá)到8.1,m/s.比較3種火焰穩(wěn)定器發(fā)現(xiàn),平均孔徑為0.32,mm的最佳.可能平均孔徑為0.32,mm的多孔介質(zhì)兼顧了通透性(有利于鈍體后燃料與氧化劑混合)和回流區(qū)特性,使得穩(wěn)定器后速度場(chǎng)、組分場(chǎng)更加適合燃燒,從而火焰穩(wěn)定性較強(qiáng),熄火極限拓寬.因此,對(duì)多孔介質(zhì)火焰駐定特性研究時(shí),其孔密度是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù).4多孔介質(zhì)對(duì)虛實(shí)讓流區(qū)的影響多孔介質(zhì)和實(shí)心鈍體火焰穩(wěn)定器火焰穩(wěn)定性能差異與其尾跡中燃料分布及鈍體尾跡流場(chǎng)結(jié)構(gòu)密不可分.圖5給出軸向平均速度沿軸線分布.圖中,x是測(cè)點(diǎn)距離鈍體下游端面軸向距離,D是鈍體端面直徑;U∞是無(wú)鈍體時(shí)通道內(nèi)流體平均速度;雷諾數(shù)為基于長(zhǎng)度尺度D和來(lái)流速度的值,即從圖5可以看出,實(shí)心鈍體和平均孔徑為0.32,mm的多孔介質(zhì)鈍體后軸線上平均速度分布有很大不同.實(shí)心鈍體后軸向速度為負(fù),說(shuō)明鈍體后是回流區(qū),其長(zhǎng)度大約為1.4D;而多孔介質(zhì)鈍體后由于多孔介質(zhì)滲透性,其速度為正.由于多孔介質(zhì)鈍體的阻擋作用,大約在x/D=1時(shí)才開(kāi)始出現(xiàn)一個(gè)回流區(qū),回流區(qū)大約在1.8D～2.0D處結(jié)束.這說(shuō)明,一方面,多孔介質(zhì)回流區(qū)長(zhǎng)度大約為0.8D～1.0D,小于實(shí)心鈍體后回流區(qū)長(zhǎng)度.另外,多孔介質(zhì)鈍體具有滲透和產(chǎn)生回流區(qū)的雙重功能,但多孔介質(zhì)回流區(qū)在更下游位置.且隨著雷諾數(shù)增大,回流區(qū)更小,回流區(qū)向更下游發(fā)展.實(shí)心鈍體回流強(qiáng)度大于多孔介質(zhì).實(shí)心鈍體回流速度是來(lái)流速度的82%左右,而多孔介質(zhì)最大回流速度是來(lái)流速度的35%.雷諾數(shù)對(duì)實(shí)心鈍體后回流區(qū)影響較小,但對(duì)多孔介質(zhì)后回流區(qū)大小和回流強(qiáng)度影響較大.在雷諾數(shù)8,000～13,333范圍內(nèi),實(shí)心鈍體后回流區(qū)大小和回流強(qiáng)度基本不變;而多孔介質(zhì)鈍體隨著雷諾數(shù)的增大,回流區(qū)大小和強(qiáng)度都減弱.這說(shuō)明,對(duì)于一定孔密度和厚度的多孔介質(zhì)鈍體,來(lái)流速度增大時(shí),其產(chǎn)生回流區(qū)的能力下降.這里需要指出的是,由于實(shí)驗(yàn)時(shí),多孔介質(zhì)鈍體上游端面有燃料噴管(直徑是5,mm),因此,在x/D=0處軸向速度近似等于零.如果沒(méi)有燃料管的阻擋作用,該處軸向速度不會(huì)接近零.通過(guò)流向平均速度沿軸線分布(圖5)可以發(fā)現(xiàn)多孔介質(zhì)和實(shí)心鈍體后流場(chǎng)結(jié)構(gòu)有明顯差異(圖6).當(dāng)燃料噴管在鈍體上游時(shí),對(duì)于實(shí)心鈍體,燃料需要繞過(guò)鈍體,在回流區(qū)與自由流邊界上進(jìn)行混合.從流場(chǎng)結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn),自由流速度變化對(duì)回流區(qū)大小影響不大(圖5),由于空氣與燃料混合處(圖6虛線)速度較大,混合時(shí)間較短;對(duì)于多孔介質(zhì)鈍體,燃料可以滲透到回流區(qū)上游,該處速度較低,混合時(shí)間較長(zhǎng),呈現(xiàn)局部預(yù)混燃燒特性.因此,多孔介質(zhì)鈍體極大地改善了尾跡中燃料與空氣的混合,有更適合燃燒的組分場(chǎng).但由于回流區(qū)較小,且回流強(qiáng)度降低,因此,該類穩(wěn)定器的關(guān)鍵是找到滲透特性和回流區(qū)產(chǎn)生特性的最佳平衡點(diǎn).5火炬高度與火焰密度L是燃料噴管出口到鈍體上游端面的距離.由于燃料速度和空氣伴流有速度差異,交界面存在剪切.距離L愈大,燃料與空氣混合愈好.為了研究燃料與空氣混合程度對(duì)鈍體火焰穩(wěn)定性的影響,研究中設(shè)計(jì)了兩種工況:工況1,va=3.0,m/s,vf=2.4,m/s;工況2,va=6.0,m/s,vf=5,m/s.兩種工況燃料與伴流速度比近似相等,旨在考察3種鈍體結(jié)構(gòu)在較低和較高空氣伴流速度下燃料噴口與鈍體上游端面之間距離L對(duì)鈍體后火焰高度H的影響(H測(cè)量以鈍體下游端面為基點(diǎn)).實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示,其中虛線和實(shí)線分別表示工況1和工況2的結(jié)果.當(dāng)火焰高度為0時(shí),表示熄火.從圖7中可以看出,燃料噴管出口與穩(wěn)定器之間距離L對(duì)火焰高度和穩(wěn)定性有較大影響.總體上看火焰高度H隨著L的增加而減小;當(dāng)空氣伴流速度較大(工況2)時(shí),產(chǎn)生熄火的L變小.當(dāng)空氣伴流速度較小時(shí)(工況1,圖7中虛線所示),多孔介質(zhì)鈍體后火焰明顯都高于實(shí)心鈍體后火焰.這是由于多孔介質(zhì)具有較強(qiáng)的滲透與彌散作用.中心線附近燃料可以直接通過(guò)多孔介質(zhì)滲透到尾跡回流區(qū)域,導(dǎo)致火焰呈現(xiàn)很強(qiáng)的擴(kuò)散火焰特征.比較平均孔徑為0.32,mm和1.27,mm的多孔介質(zhì)鈍體火焰發(fā)現(xiàn),當(dāng)L小于5,cm時(shí),孔密度小時(shí)火焰長(zhǎng)度略長(zhǎng).這是由于平均孔徑為1.27,mm時(shí)孔徑較大,當(dāng)L很小時(shí),燃料在鈍體前來(lái)不及與空氣充分混合,通過(guò)滲透進(jìn)入鈍體尾跡區(qū)域,孔密度小的多孔介質(zhì)彌散作用較弱,導(dǎo)致火焰呈現(xiàn)更明顯擴(kuò)散火焰特征,火焰長(zhǎng)度更長(zhǎng).當(dāng)L大于5,cm后,由于從燃料出口到鈍體之間的距離L足夠大,使得燃料和空氣混合較好,多孔介質(zhì)的滲透與彌散差異作用已處于次要地位.當(dāng)空氣伴流速度較大時(shí)(工況2,圖7中實(shí)線所示),3個(gè)穩(wěn)定器性能差異較大.多孔介質(zhì)產(chǎn)生熄火的L更大,且不熄火時(shí)火焰更長(zhǎng);伴流速度增大后,兩種孔密度的多孔介質(zhì)火焰高度較工況1有更明顯差異,但產(chǎn)生熄火的L并沒(méi)有明顯差異.這說(shuō)明當(dāng)燃料與空氣混合較差時(shí),孔密度影響火焰;當(dāng)燃料和氧化劑混合較好時(shí),多孔介質(zhì)火焰穩(wěn)定器的火焰差異較小.這從另外角度說(shuō)明多孔介質(zhì)的滲透與彌散性能改善了鈍體后燃料與氧化劑當(dāng)量比,從而提高擴(kuò)散火焰穩(wěn)定性.6多孔介質(zhì)讓液流場(chǎng)及火焰穩(wěn)定性能(1)在堵塞比為44%、流體速度為8,m/s時(shí),實(shí)心鈍體壓損是平均孔徑為0.32,mm和1.27,mm的多孔介質(zhì)鈍體壓損的2.4和2.6倍;對(duì)于va=6.0,m/s空氣伴流速度,實(shí)心鈍體燃料流vf<3.1,m/s時(shí)熄火,而平均孔徑1.70,mm和0.32,mm多孔介質(zhì)則分別在vf小于1.6,m/s和0.9,m/s后才熄火.采用多孔介質(zhì)鈍體可在大大降低流阻同時(shí),拓寬火焰穩(wěn)定極限.(2)實(shí)心和多孔介質(zhì)鈍體流場(chǎng)結(jié)構(gòu)有較大差異.在本文研究的流動(dòng)參數(shù)范圍內(nèi),實(shí)心鈍體回流區(qū)長(zhǎng)度為1.4D,且緊貼鈍體,而多孔介質(zhì)回流區(qū)長(zhǎng)度為0.8D～1.0D,出現(xiàn)在x/D=1左右位置.實(shí)心鈍體和多孔介質(zhì)回流速度分別為來(lái)