對沖擴散火焰

對沖擴散火焰(指燃燒腔對稱平面上火焰的準二維性)是對沖火焰的一種形式，其結構簡單、易於表征且與強制對流下的導線或電纜火等燃燒現象涉及的火焰構型較為相似—可燃物和氧化劑以相反的來流方向在鈍體前的滯止區形成準二維火焰。

基本介紹

• 中文名：對沖擴散火焰
• 外文名：Hedge diffuse flame
• 描述：對沖火焰的一種形式
• 套用：航天飛行器防火設計
• 學科：熱力學

概念

採用二維對沖擴散火焰燃燒器研究重力和添加劑對於細水霧與火焰作用過程的影響。水以離散相形式引入氧化劑流中，這與實際全淹沒和局部釋放情況下細水霧與火焰作用的方式相符。通過控制細水霧的釋放量、粒徑分布、添加劑含量等因素可以在受控條件下研究細水霧與高應變率的二維對沖擴散火焰作用的物理和化學規律。同時，通過數值模擬的方法，研究不同重力情況下細水霧與二維對沖擴散火焰的作用規律，從而為微重力下的情況提供參考。在湍流火焰中，高應變率的層流火焰面思想是一種普遍接受的觀點。由於在細水霧熄滅大尺度火焰時火焰常為湍流狀態，因此研究的結果也可為理解細水霧與湍流火焰面的作用機制提供參考。

細水霧與二維對沖擴散火焰作用規律研究

國內外的研究現狀

細水霧與火焰作用的小尺度實驗裝置主要包括杯式燃燒器、一維對沖擴散火裝置、二維對沖擴散火焰裝置。不同燃燒器中流動條件不一樣，細水霧與火焰作用的方式亦有不同，因此在滅火機理上也存在差異。在杯式燃燒器中，燃料流和氧化劑流同向流動，火焰的反應核心駐定在杯式燃燒器杯口，形成以一定頻率振盪的擴散火焰。前人對於細水霧與杯式燃燒器火焰的作用規律和滅火機理做了大量的研究。Ananth等人數值模擬了單一粒徑的超細水霧熄滅杯式燃燒器丙烷火焰的過程。計算結果表明卷吸入火焰根部反應核心中的液滴顆粒對於火焰的熄滅至關重要。當細水霧滅火濃度逐漸增大到最低滅火濃度時，反應核心逐漸懸舉並最終被吹熄。當超細水霧粒徑從32微米降至4微米後，水霧的滅火濃度由10.5%升高至15%。這說明在計算範圍內大粒徑的超細水霧相比小粒徑的超細水霧更有效。相對大粒徑的超細水霧能夠穿透火焰面並且在反應核心附近蒸發，從而更好地發揮了細水霧的冷卻和稀釋作用。Ananth等人的計算結果表明，對於杯式燃燒器中的擴散火焰，細水霧的最優粒徑約為32微米。Fisher等人利用杯式燃燒器研究了粒徑小於10微米的超細水霧與丙烷火作用的規律。他們利用PIV技術對同軸擴散火焰面附近的超細水霧顆粒運動軌跡進行了研究。通過實驗他們發現，與這類火焰相互作用時，超細水霧顆粒在進入火焰面前就已經完全蒸發，這些顆粒的運行軌跡基本與火焰面相互平行。這說明由細水霧蒸發所引起的冷卻作用只有一部分直接作用於火焰，而細水霧主要通過與火焰面外的介質進行換熱或惰化稀釋的方式參與火焰抑制。Takahashi等人研究了在同軸氣流下部分惰性氣體、化學滅火劑和細水霧分別熄滅杯式燃燒器擴散火焰的情形。他們發現這類火焰臨界熄滅的溫度約為1600K且滅火機理為吹熄機理。Liang等人則通過簡化的傳熱關係式對超細水霧熄滅杯式燃燒器火焰的最低滅火濃度進行了預測。通過預測結果和實驗結果的比較他們認為在超細水霧的三個主要物理效用中惰化稀釋作用主導著火焰的熄滅。在細水霧中加入化學添加劑並研究其與杯式燃燒器的相互作用也是尋找提高細水霧滅火效率的一個研究方面。Joseph等人利用縮尺度的杯式燃燒器研究了不同種類的化學添加劑對於細水霧的抑制作用的影響。他們發現含鉀鹽是相對有效的細水霧添加劑，而諸如尿素、磷酸一氫二銨和硫酸亞鐵則會在一定程度上促進火焰的燃燒。

細水霧與二維對沖擴散火焰作用示意圖

一維對沖擴散火焰實現起來具有一定的難度，而二維對沖擴散火焰對於流動條件、控制精度等要求相對較低，更利於發展成為篩選滅火劑效率的裝置。同時，它的火焰構型與導線、電纜火相似，為研究細水霧與這類火焰作用的規律提供了有利的途徑。由柱狀多孔燃燒器產生的二維對沖擴散火焰首先由Tsuji提出，因此也被稱為Tsuji燃燒器。在較大燃料氣速下，逐漸增加氧化劑流的速度可以使得火焰由包裹火焰向尾流火焰突變，該轉變點對應著燃料的化學反應極限一一化學反應時間等於反應物擴散時間。因此，Tsuji燃燒器也常常被用於研究燃料的化學反應機理。二維對沖擴散火焰屬於邊界層火焰，黏性應力占主導。前人對二維對沖擴散火焰的結構做了大量的研究，建立了詳細的偏微分方程、代數表征參數來描述火焰的結構以及吹熄等過程。

研究小結

細水霧與二維對沖擴散火焰作用實驗平台的主要組成部分及其設計和驗證過程中，氧化劑定量供給和輸運系統可實現以下性能：1)在收縮段出口形成穩定均一的速度；2)經風洞整流後湍流強度小於2.2%；3)收縮段出口空氣速度可實現0-3.175m/s範圍內的調整，渦街流量計流量測量精度小於1%；4)細水霧添加劑濃度可調，被霧化液體流量控制誤差小於0.5%。可燃氣體定量供給和輸運系統可實現可燃氣體0-10SLM流量範圍的控制，精度達±1%F.S.。溫度測量系統能夠對滯止區火焰溫度場和燃燒頭內可燃氣體溫度進行測量，而Lavision陰影法雷射粒子分析儀可測量測量體積內含添加劑細水霧的粒徑分布和速度場。

在實驗裝置中，溶液能夠被充分破碎並跟隨氣流向上流動。由添加劑種類和濃度變化所引起的粒徑的改變基本不會改變水霧物理滅火效率。氣流中的湍流可以被降到合理的範圍內以得到穩定的對沖火焰。利用該實驗裝置可以對細水霧的粒徑和濃度，添加劑種類，火焰應變率進行精確控制，同時能夠測量火焰的溫度和細水霧的粒徑分布和速度場信息，並可用於評價細水霧的滅火效率。

對沖擴散火焰中單顆粒煤著火瞬態模型

煤粉著火過程往往經歷著複雜的流場條件，使得出現煤粉顆粒穿越火焰面的情況，由於加熱經歷和氣相組分的迅速變化，使煤粉顆粒的著火特性相對於穩態環境中的測量值發生改變。Holtmeyer等在生物質和煤混燒的實驗研究中，發現粒徑較大的顆粒會穿越揮發分火焰區並運動到下游富氧環境中，使得揮發分火焰更短。為解決實驗方法和觀測條件的困難，吳寧等建立了適用於單顆粒煤著火研究的對沖實驗系統，研究了煤粉顆粒穿越火焰面的行為特性，指出氣相火焰面溫度及煤粉停留時間是決定煤粉穿透火焰面後著火模式的主要影響因素。針對對沖擴
散火焰中煤粉的穿焰過程，建立分析單個煤粉顆粒運動和著火特性的瞬態模型，主要考慮對沖火焰中流場、溫度場及組分濃度分布對單顆粒煤的運動、升溫及著火過程的影響，分析煤粉在穿越火焰面過程中的著火特性。

單顆粒煤著火模型

單個煤顆粒的著火示意如圖1所示。r_L處虛線為計算區域的外邊界。煤顆粒從升溫到著火的過程主要受到析出揮發分的氣相反應和煤顆粒表面固定碳的氧化反應的影響。研究者們針對不同環境條件和煤顆粒參數的情況分別提出了多種著火模型，包括穩態燃燒模型(SS)、 準靜態模型(QS)以及瞬態模型(TI)等。由於穩態模型為了讓顆粒周圍建立穩態以達到自燃溫度，允許了無限的時間。同樣，準穩態模型也無法套用於燃燒實驗。另一方面，由於對流的影響會破壞煤粉顆粒周圍組分分布的對稱性，使其偏離球對稱情況，添加流動造成的傳熱和傳質控制方程更增加了求解過程的複雜性，因此，大多數報導中的煤顆粒著火瞬態模型並不考慮顆粒與氣相間的運動，通過設定簡化的物理模型假設條件，並且假設煤顆粒在非穩態的反應過程中始終存在於穩定的無窮遠邊界條件中。對於運動的煤粉顆粒，採用這樣的假定顯然是不合適的。

圖 1 單個煤顆粒著火示意

因此，為研究煤粉顆粒在溫度和組分分布劇烈變化的穿焰過程中的著火問題，需要基於瞬態模型進行改進。模型使用以下假設：

(1) 煤顆粒乾燥且球形對稱，ρ_D為常數；

(2) 忽略顆粒內部導熱熱阻，認為整個顆粒溫度均勻；

(3) 顆粒與氣相間存在相對運動，顆粒始終處於對沖擴散火焰面中心對稱軸線上；

(4) 整個煤顆粒周圍產生均勻的揮發分，揮發分成分為 CH₄，氧化產物是CO₂和H₂O；反應速率由總包動力學參數描述；

(5) 著火前煤顆粒表面氧化反應的產物是CO₂，該過程對於氧氣濃度(體積分數)是一級反應：C+O₂=CO₂，其氧化速率依據顆粒外表面積進行估算；

(6) 氣相滿足理想氣體狀態方程；

(7) 碳顆粒表面反應的放熱先由顆粒獲得，再經傳熱、傳質與環境進行交換；

(8) 顆粒直徑和比熱保持恆定，d_p=d_p,0，c_p=c_p,0，顆粒質量的變化表現為密度的減少。

影響著火特性的因素

隨著煤顆粒粒徑的增長，其著火溫度呈現單調遞減趨勢，同時著火延遲時間先增長後趨緩。當粒徑從10μm增加到70μm，著火溫度下降了796K，並且粒徑為60μm及以下時計算結果為異相著火，粒徑為70μm及以上時則發生均相著火。不同粒徑的煤顆粒在以相同初速度、幾乎相同的加速度進入平面對沖擴散火焰中時，具有明顯不同的升溫速率。小粒徑的煤顆粒在高升溫速率下，在揮發分發生明顯析出並開始反應之前，由於顆粒表面已經發生明顯的氧化反應，因此更易於發生異相著火。而大粒徑的煤顆粒升溫速率較慢，顆粒表面反應速率降低，並受到析出揮發分的進一步阻隔作用，使得顆粒周圍具有較高濃度的揮發分，易於發生均相著火。

不同粒徑煤顆粒的著火溫度和著火延遲時間

另一方面，煤顆粒在穿越對沖擴散火焰面前後，由於其從富燃料區到富氧區，粒徑越小的煤顆粒升溫速率越高，其發生著火時的著火延遲時間越短、著火位置越靠近富燃料區；由於氧含量較低，從而更進一步提高了其著火溫度，使得煤顆粒受熱著火溫度隨粒徑減小而增加的趨勢更為顯著。在越過火焰面後，發生均相著火的大粒徑煤顆粒其著火延遲時間變化很小，這可能是因為在平面對沖擴散火焰中氣體氧化劑一側的氧含量較高，使得粒徑大於70μm的煤顆粒經過火焰面的迅速加熱，釋放出揮發分並投入氧化性氣氛後，立即發生均相著火所致。

針對對沖擴散火焰中煤粉的穿焰過程，建立了適用於分析單個煤粉顆粒運動和著火特性的瞬態模型，主要考慮了對沖火焰中的流場、溫度場、以及組分濃度的分布對單顆粒煤的運動、升溫及著火過程的影響。

(1) 計算結果表明，煤顆粒穿越火焰過程中的著火延遲時間隨粒徑增加而增大，這主要是由於升溫速率不同引起的。

(2) 粒徑小於90μm 的煤顆粒，最大升溫速率均能超過1×10⁵K/s。

(3) 煤顆粒在對沖火焰中的著火溫度隨粒徑增長單調遞減，同時著火延遲時間先增長後趨緩。

(4) 基於粒徑對升溫速率的影響，改變了揮發分析出及顆粒表面反應的相對速率，因此決定了著火模式的不同。

(5) 在火焰面後發生均相著火的煤顆粒，其著火延遲時間變化很小，這是因為進入高濃度氧化性氣氛使得析出的揮發分迅速著火。