低速過濾燃燒:概念,低速過濾燃燒波逆向傳播不穩定性研究,燃燒波跳躍式傳播不穩定性,

低速過濾燃燒具有不穩定性傳播特性，這些非穩定性包括火焰面傾斜、火焰面破裂、熱斑以及一些新的不穩定性現象等等。許多學者通過理論、實驗及數值模擬手段研究了低速過濾燃燒波傳播過程中的不穩定性現象。

基本介紹

中文名：低速過濾燃燒
外文名：Low-speed filter combustion
描述：燃燒火焰面的一種現象描述
套用：提高燃燒傳熱效率
學科：熱力學

概念,低速過濾燃燒波逆向傳播不穩定性研究,燃燒波跳躍式傳播不穩定性,燃燒波傳播速度,研究結論,低速過濾燃燒火焰面傾斜動力學因素數值預測,稀混合氣低速過濾燃燒的數值模擬與理論分析,研究進展,模擬結果,

概念

相關實驗研究了高孔隙率的微細纖維堆積床內貧甲烷/空氣過濾燃燒，實驗發現燃燒波在傳播過程中火焰面產生錨定效應和火焰面破裂現象，這些現象無法用傳統的數值模型進行解釋。鄭成航等通過建立二維雙溫模型，數值研究了不同工況下多孔介質內火焰面傾斜現象，確認當量比、入口流速、多孔介質導熱係數、燃燒器尺寸等參數對火焰面傾斜不穩定性產生的影響。史俊瑞等數值研究過濾燃燒火焰封面傾斜的演化，揭示傾斜火焰面的演化規律和影響因素，並通過實驗結果驗證了數值結果的有效性。研究證實，給定8°初始角，在一定的當量比、入口流速範圍內，火焰面傾斜角逐漸增大，火焰面演化為S型火焰。

低速過濾燃燒波逆向傳播不穩定性研究

順流式(燃燒波傳播方向與過濾流方向相同)或往複流低速過濾燃燒波不穩定傳播研究較多，而逆流式(燃燒波傳播方向與過濾流方向相反)低速過濾燃燒方面的研究文獻報導很少，逆流式低速過濾燃燒傳播過程中火焰面演變特性尚不清楚，現有的文獻中僅報導了燃燒波傳播速度與當量比之間存在V型曲線變化規律，逆流式燃燒波傳播穩定性問題未見報導。因此，逆流式低速過濾過程中火焰面演變過程、燃燒波傳播特點及其傳播穩定性問題有待於進行深入研究。

通過實驗研究貧氫氣/空氣低速過濾燃燒波逆向傳播不穩定性特性。研究不同工況下燃燒波及溫度波傳播特點，當運行工況參數達到一定臨界值時出現燃燒波傳播不穩定現象，確定燃燒波穩定傳播和不穩定傳播的臨界實驗參數，分析燃燒波傳播不穩定性發生和發展的特點及其動力學機理。

燃燒波跳躍式傳播不穩定性

通過在實驗研究發現，當逆流式燃燒波傳播不穩定性發生時，使用傳統的體積平均處理數學模型來解釋這種低速過濾燃燒不穩定性現象不再有效。此外，通過對比研究燃燒波跳躍式傳播不穩定性發生的過濾速度臨界值，對所有實驗工況的結果進行分析比較確定逆流式燃燒波由穩定傳播向不穩定傳播轉變的臨界實驗參數，從而在實際逆流式低速過濾燃燒套用中避免跳躍式傳播不穩定性的發生提供一些參數依據。

燃燒波傳播速度

為了研究逆流式燃燒波傳播的穩定性規律，將不同氫氣濃度下逆向燃燒波傳播速度隨過濾速度的變化規律進行比較分析。逆流式燃燒波跳躍式不穩定性是非常劇烈的；在穩定傳播階段，逆向燃燒波傳播隨過濾速度的增長率較低。通過所有實驗工況的逆向燃燒波傳播速度進行分析，在燃燒波傳播速度和過濾速度參數坐標中，可以將逆流式燃燒波傳播穩定性劃分成穩定傳播和跳躍式傳播兩個參數區域，如圖中虛線為臨界線所示。

研究結論

實驗研究逆流式低速過濾燃燒波傳播不穩定性，改變不同實驗參數，觀測逆流式燃燒波傳播特點，通過對不同實驗工況結果的比較與分析，總結如下幾點：

（1）逆流式燃燒波在穩定傳播過程中，火焰面變形不穩定性不會發生，幾乎處於平整的火焰面狀態進行傳播；

（2）當氫氣濃度保持不變，當過濾速度提高至某一臨界參數時，逆流式燃燒波傳播發生跳躍式傳播不穩定性。氫氣濃度 Y_H2=13%工況下，逆流式燃燒波跳躍式傳播不穩定性發生的過濾速度臨界值 u_g,cr=0.9~1.0m·s^-1；氫氣濃度 Y_H2=14%、Y_H2=15%工況下，對應的過濾速度臨界值分別為 u_g,cr=0.8m·s^-1、u_g,cr=0.5m·s^-1；

（3）在逆流燃燒波跳躍式傳播不穩定性發生情況下，繼續提高過濾速度，燃燒波跳躍空間距離加大，跳躍式傳播不穩定性變得劇烈；

（4）通過比較不同氫氣濃度下的逆向燃燒波傳播速度隨過濾速度的變化規律，在燃燒波傳播速度和過濾速度參數坐標中，可以將逆流式燃燒波傳播穩定性劃分成穩定傳播和跳躍式傳播兩個參數區域。

低速過濾燃燒火焰面傾斜動力學因素數值預測

多孔介質燃燒具有高熱流密度、低污染物排放等優點。但是，多孔介質燃燒技術在實驗及套用過程中常發生一些燃燒波傳播不穩定性現象，例如：火焰面破裂、火焰面傾斜、熱斑等。火焰面不穩定性現象的發生會導致燃燒器運行不穩定，甚至熄滅，對於該技術的推廣套用是非常不利的。因此，國內外研究人員做了大量的研究工作去探究導致這些不穩定性現象發生的動力學原因及其發展機理。

Dobrego等通過實驗及數值模擬研究了低速過濾燃燒火焰面傾斜不穩定性現象。研究發現，傾斜角度變化與燃燒器長度、無量綱火焰傳播速度具有相關性，而且傾斜角變化率與火焰面傳播速度、燃燒器尺寸成正比，與堆積小球直徑成反比。鄭成航等通過建立二維雙溫模型，數值預測了當量比、入口流速、多孔介質導熱係數、燃燒器尺寸等參數對多孔介質內火焰面傾斜演變規律的影響。張俊春等數值研究了火焰面傾斜最終出現破裂的現象，分析了可能導致火焰面破裂的因素。史俊瑞等通過實驗、數值模擬研究了過濾燃燒火焰面傾斜演變特徵，揭示傾斜火焰面的演變規律及其影響因素。

然而，以上諸多研究中對多孔介質燃燒器內的火焰面發生傾斜機理尚沒有完全闡明，實際中可能存在導致火焰面傾斜不穩定性發生的初始擾動因素，例如：多孔介質孔隙率結構隨機性、初始預熱不均勻性、燃燒器入口流速分布不均勻性等因素。在實驗中很難定量判定這些擾動因素是導致火焰面傾斜不穩定性發生的動因，因此，研究採用數值手段來對甲烷/空氣在多孔介質中燃燒的火焰面傾斜動力學因素進行數值預測。分析導致過濾燃燒火焰面傾斜不穩定性發生的動力學擾動因素，確認多孔介質內局部孔隙率分布不均勻性、預熱不均勻性等因素是誘發火焰面傾斜不穩定性發生的動因，分析這些因素對火焰面傾斜演變規律的影響。

初始預熱段預熱溫度分布不均勻性被確認為導致火焰面傾斜不穩定性發生的動力學因素。預熱區域溫差越大，即預熱段預熱越不均勻，火焰面傾斜不穩定性發展越快。多孔介質燃燒器內孔隙率及入口過濾速度分布不均勻也被確認為導致火焰面傾斜不穩定性發生的動力學因素。孔隙率分布不均勻性對火焰面傾斜不穩定性的發生影響顯著，多孔介質燃燒器內孔隙率分布越不均勻，火焰面傾斜不穩定性發展越快。入口速度分布不均勻性對火焰面產生的擾動有限。實際中火焰面傾斜不穩定性發生及發展是多動力學因素疊加擾動的結果。

稀混合氣低速過濾燃燒的數值模擬與理論分析

研究進展

預混合氣在多孔介質中的低速過濾燃燒，與自由空間的燃燒機理有著極大的不同。傳統的自由空間燃燒，由於氣體極差的導熱性能，化學反應集中在很薄的火焰區內完成，反應物達到著火溫度需要的熱量通過氣體的導熱來完成。而氣體在多孔介質內燃燒時，在反應區存在著氣固兩相間強烈的熱量交換，並形成自我維持的、向下游穩定傳播的燃燒波。典型的低速過濾燃燒(low velocity regime，LVR)的燃燒波傳播速度通常為 0.1mm/s。由於多孔介質遠大於氣體的熱回流能力和良好的蓄熱性能，預混合氣得到了有效的預熱。因此，預混合氣在多孔介質中的燃燒速率明顯增大，貧富可燃極限均可得到大大的拓展，火焰的穩定性也顯著增強。

基於預混合氣在多孔介質中燃燒的優良特性，國際上開展了大量的理論和實驗研究，甚至開發出了多孔介質燃燒換熱器。Zhandok等用熱波與燃燒波耦合的思想，從實驗和理論上研究了稀薄混合氣在多孔介質中的過濾燃燒，在不考慮系統熱損失的假設下，得出了過程控制參數的關係式。結果表明，反應區的最高溫升是混合氣的絕熱燃燒溫升、燃燒波波速和熱波波速的函式。

首先，套用數值模擬研究燃燒波在多孔介質中的傳播規律及其控制參數；量化當地的氣體和固體能量方程中的各項，研究預混合氣在多孔介質中燃燒的熱回流特性；對完整的控制方程進行簡化，將反應區域簡化為無限薄，得出無量綱波速與反應區的最高溫升的關係式。然後，藉助層流預混火焰理論，將反應區簡化為非無限薄但尺度很小的區域，新鮮混合物達到點火溫度後，燃燒過程在接近於最高燃燒溫度的很窄的反應區內完成，得到無量綱波速與反應區最高溫升的另一個關係式，與第一個關係式相耦合，得到二者的封閉解。最後，討論工況參數對燃燒波的影響，並通過實驗驗證了數值模擬和理論解的有效性。

模擬結果

通過數值模擬研究了燃燒波的傳播規律和控制參數，以及低速過濾燃燒的熱回流特性。結果表明，在稀薄混合氣的範圍內，多孔介質的熱容是影響燃燒波傳播速度大小的最重要的控制參數，而對流換熱是燃燒波穩定傳播不可缺少的條件，但是對流換熱的大小對燃燒波的影響較小。稀薄混合氣在多孔介質中燃燒時，應儘可能減小系統的熱損失。採用導熱系統較小的多孔介質，有利於形成高溫區，有利於擴展貧可燃極限。

將反應區域分別簡化為無限薄和極其狹窄的區域，得出無量綱波速和反應區最高溫度的兩個方程，由此構成了封閉的理論解。數值模擬和理論解與實驗結果取得了相同的趨勢，吻合得較好。數值模擬結果和理論解對燃燒器的設計與最佳化具有普遍的指導意義。

低速過濾燃燒