基本介紹
- 中文名：湍流火焰
- 外文名：turbulent flame
- 領域：力學
- 別稱：紊流火焰
- 產生條件：Re>4000
- 相關名詞：火焰雷諾數
簡介,湍流火焰的特點,湍流火焰傳播,湍流火焰速率,湍流燃燒試驗測試技術,平面雷射誘導螢光法,直接高速攝影法,湍流燃燒試驗裝置及其相關硏究,
簡介
湍流火焰的特點
火焰長度縮短，焰鋒變寬，並有明顯的噪聲，焰鋒不再是光滑的表面，而是抖動的粗糙表面，火焰傳播快。 特點:
1.湍流火焰傳播速度較層流大幾倍，不僅與燃料的物理化學性質有關，而且與湍流性質有關，湍流強度增大，將使湍流火焰傳播速度增加，火焰更短。
2.燃燒室尺寸更緊湊，加上向外散熱損失小，因此燃燒設備的經濟性好。
3.湍流火焰伴隨著噪音。
4.湍流火焰的燃燒產物內氧化氮（NO）含量少，因而對環境的污染小。
湍流火焰傳播
湍流火焰傳播又叫湍流燃燒，是根據氣流流動情況，預混氣中火焰傳播的一種方式.火焰傳播分為層流火焰傳播（層流燃燒）和湍流火焰傳播（湍流燃燒）。
根據反應機理及火焰傳播速度可分為：緩燃 ( deflagration) 爆震 ( detonation)。
湍流火焰速率
缸內大尺度的湍流使火焰前鋒面發生扭曲，除了使其面積增大外，還可使火焰前鋒分裂成許多燃燒中心，導致湍流火焰速率大大增加。小尺度的湍流也可以大大增加火焰面中心分子與新鮮混合氣中的分子的相互摻透，也使湍流速率增加。
在實際發動機的燃燒過程中，火焰傳播速率與湍流強度之間的關係並不一定是線性的。湍流強度不高時，火焰傳播速率與湍流強度之間的關係為線性關係。湍流增加到一定的強度時，火焰傳播速率隨湍流強度的增加而非線性增加趨勢。如果湍流太強，火焰傳播速率有可能會隨湍流的強度的增加而降低。因此在汽油機中組織適當的湍流強度有助於提高火焰的傳播速率，對燃燒過程有利，但太強的湍流不利於提高火焰傳播速率，反而會使傳播中的火焰猝熄。
湍流燃燒試驗測試技術
湍流燃燒試驗中需要測試的量一般為：溫度、壓力、燃燒圖像和湍流參數。其中最為重要的就是要進行火焰圖像的測試。目前,隨著光學技術的發展,非接觸式測量方法得到了廣泛的套用。這也為對燃燒過程的深入測試分析提供了重要手段。一般用於記錄燃燒火焰形態的非接觸式光學測試方法有:PUF、直接高速攝影。
平面雷射誘導螢光法
PLIF即平面雷射誘導螢光法(Planar-laser Induced Fluorescence)是一種較高靈敏度的濃度測量方法。其原理是當雷射光子的能量(以波長人來表征)符合分子某兩個能級之間的能量差距時,受該光子照射的分子就會吸收光子的能量而從基態躍遷到高能態。而處於高能態的分子並不穩定,因此在一定時間內高能態的分子將會通過輻射和非輻射兩種方式釋放能量而返回到基態,在釋放能量的過程中由分子的自發輻射而產生的光稱為螢光。螢光可以利用光電倍增管接收,螢光強度與螢光物質的濃度成正比例。這一特性是螢光方法運用於定量分析的基礎。
雷射誘導螢光法的原理是,原子被雷射源諧振激勵成為受激態。這種狀態不穩定,將向較低能級自發輻射光子而衰減。這種自發輻射的光子既為螢光,其存在時間為。雷射束聚焦到被測場內,採集光路接受螢光,螢光通過色散器件然後被檢測器轉換為電信號。將雷射束擴展成光屏,可把整個平面成像到陣列檢測器上。其測試原理如圖1所示。PLIF技術在燃燒場中可以測量某些活化中心如0H組分等也可用於測速,測濃度、測溫等方面。因為PLIF可提供噴霧和燃燒過程詳細的2D平面信息,測量量級很小的活性組分,故已成為噴霧、燃燒過程組分濃度及火焰結構研究的重要工具。
直接高速攝影法
直接高速攝影(攝像)法顧名思義就是利用高速攝影技術將燃燒過程的火焰形態變化直接拍攝記錄下來,並在拍攝中使用以燃燒火焰為光源。主要用於火焰顯示,燃料凝相燃燒研究以及粒子尺寸與速度測量等。
湍流燃燒試驗裝置及其相關硏究
在眾多國內外湍流燃燒試驗研究所中,湍流燃燒試驗裝置根據其產生湍流的方式基本可以分為以下幾類：
（1）噴射式湍流燃燒裝置
這種試驗裝置是預混可燃氣體通過設計的進氣噴嘴或氣道來進入燃燒室,形成一定的湍流並在相應的時刻點火,從而實現湍流燃燒的試驗裝置。如圖2所示,該裝置先通過預混箱配置可燃氣體,該試驗使用的是丙浣-空氣預混合氣。然後混合氣在布置好的切向進氣道中實現進氣,從而產生湍流,再進行點火完成試驗。該實驗裝置通過電磁闊來控制進氣量,通過壓力自動調節器來控制容彈內混合氣的初始壓力,進行了混合氣燃燒火焰在不同參數下的試驗並研究了初始條件參數下流動與火焰相互影響的機理。試驗中還測得了進氣過程中電磁闊閉合後燃燒彈內的湍流強度,通過採用雷射都卜勒儀得到了火花塞處的流動情況。
（2）風扇式湍流燃燒裝置
這種試驗裝置是通過風扇在定容燃燒裝置內旋轉來形成湍流,風扇的轉速決定著湍流的強弱。如圖3所示,該裝置中4個風扇在燃燒彈桶形內腔的邊緣,如此布置可以實現各向同性較好的湍流並且混合的很均勻。試驗時可以直接將燃氣充入裝置,在一定的湍流強度下進行燃燒。試驗中採用LDV測試得到,以容彈中心為圓心80mm直徑範圍內,湍流強度的各向同性和均勻性分別在12%和20%以內。當風扇轉速2500r/min時,湍流強度可達到2.0m/s,其湍流積分長度標尺與風扇轉速無關大約為25mm。試驗過程中還研究了湍流燃燒速度與湍流強度等參數之間的關係。這樣的湍流燃燒裝置由於內部具有風扇因而使其結構比較複雜,需要較大的燃燒室空間並且在多個風扇運行時,只有很好的協調配合各個風扇運轉才能達到理想的各向同性流動。
（3）孔板式湍流燃燒裝置
該種湍流燃燒裝置是通過燃燒室內部運動的孔板來形成湍流,通過設計孔板結構以及控制孔板的運動速度來達到不同強度的湍流。試驗進行時,一般是在孔板停止運動後的對應時刻來進行點火,以實現不同強度下的湍流燃燒。如圖4所示的湍流燃燒裝置，其整體結構為一個內腔為正方體定容燃燒彈。在容彈的內部布置了孔板,依靠電機的轉動來帶動孔板在導桿上快速平動,從而在容彈內產生湍流。通過改變孔板的孔徑、孔板的拉動速度以及選擇不同的點火時刻,便可得到湍流強度和標尺各異的湍流。此類裝置的特點是結構相對簡單,但是對燃燒室的幾何形狀有一定的要求,同時對裝置的密封性能會造成一定的影響。
