定容微小空間內(nèi)低碳烷烴-空氣火焰?zhèn)鞑ヌ匦詫?shí)驗(yàn)研究.pdf

1、微型內(nèi)燃機(jī)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(xué)能釋放必須在微小的空間和很短的時(shí)間內(nèi)完成，因此，研究微尺度空間內(nèi)火焰?zhèn)鞑ヌ匦詫﹂_發(fā)微型內(nèi)燃機(jī)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(nèi)穩(wěn)定流場的燃燒，而封閉空間內(nèi)火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘难芯枯^少，特別是實(shí)驗(yàn)研究方面數(shù)據(jù)報(bào)道缺乏。本文設(shè)計(jì)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(nèi)低碳碳?xì)淙剂?空氣的靜止預(yù)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(jìn)行了處理，分析了不同當(dāng)量比、特征尺度和燃料摻氫比例條件下的乙烷/空氣預(yù)混氣、丙烷/空氣預(yù)混氣和正丁烷/空氣預(yù)混氣的火焰形態(tài)和傳播速度特性，獲得了當(dāng)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(jī)制。論文研究成果為開發(fā)新型微小內(nèi)燃機(jī)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)和理論指導(dǎo)。本文的主要內(nèi)容及研究成果如下：
　?。?）在微尺度定容燃燒腔中，低碳碳?xì)淙剂系目扇紭O

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(nèi)，其可燃極限為1.0~1.45，而在H=5mm間隙內(nèi)，其可燃極限擴(kuò)展為0.9~2.2。
　　（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(huì)呈現(xiàn)光滑、褶皺與斷裂三種形態(tài)。當(dāng)狹縫間隙一定時(shí)，隨著當(dāng)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(dāng)量比的增加，褶皺出現(xiàn)時(shí)刻更早，而當(dāng)量比增加到1.45時(shí)，火焰鋒面就開始出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。在相同當(dāng)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(shí)刻提前。例如在當(dāng)量比為1.2時(shí)，2mm的間隙內(nèi)，間隙褶皺出現(xiàn)時(shí)刻早于3mm間隙條件，3mm間隙褶皺出現(xiàn)時(shí)刻早于5mm間隙。分析可知：隨著當(dāng)量比的增大，預(yù)混火焰的熱擴(kuò)散率和質(zhì)擴(kuò)散率不協(xié)調(diào)程度增強(qiáng)，導(dǎo)致火焰不穩(wěn)定性增強(qiáng)，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(dǎo)致散熱增強(qiáng)，燃燒強(qiáng)度減弱；另外，隨著間隙的減小，火焰面曲率增大，并且水動(dòng)力學(xué)作用增強(qiáng)，導(dǎo)致火焰不穩(wěn)定性加劇，褶皺和斷裂時(shí)刻提前。
　?。?）在微尺度定容燃燒腔中，預(yù)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(dāng)量比的增加，乙烷/空氣預(yù)混氣、丙烷/空氣預(yù)混氣和正丁烷/空氣預(yù)混氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣认仍龃蠛鬁p小，且均在當(dāng)量比1.2附近達(dá)到最高。另外，在2mm間距下，三種燃料預(yù)混火焰的傳播速度

6、相差不大。在相同當(dāng)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(dòng)力學(xué)和壁面回?zé)岬鸟詈献饔?，?dāng)量比為1.2條件下，相比于其他燃燒腔間距，在H=3mm間距時(shí)，丙烷/空氣預(yù)混氣和正丁烷/空氣預(yù)混氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到最高。
　?。?）通過計(jì)算和分析正丁烷預(yù)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(nèi)，當(dāng)量比對火焰拉伸率的影響很??；在相同當(dāng)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?dòng)力

7、學(xué)不穩(wěn)定是導(dǎo)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(dòng)力學(xué)的影響愈加明顯。
　?。?）氫氣的摻入對預(yù)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?jǐn)?shù)為13.2％的氫氣時(shí)，傳播速度最高達(dá)到8m/s，并且發(fā)生了爆燃現(xiàn)象。證明在微小定容空間內(nèi)發(fā)生爆燃是可能的。在相同當(dāng)量比，相同間距下，隨著氫氣摻入，火焰鋒面褶皺更加細(xì)密，極大增加了火焰鋒

8、面面積，使得燃燒反應(yīng)劇烈。另外實(shí)驗(yàn)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(nèi)，在當(dāng)量比為1.4時(shí)，正丁烷/空氣預(yù)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(dòng)變化，而當(dāng)量比為1.8時(shí)，在傳播過程中出現(xiàn)了未燃?xì)獯┻^火焰鋒面并燃燒的現(xiàn)象；在當(dāng)量比1.5，間距2.5mm的條件下，正丁烷/空氣預(yù)混氣的火焰?zhèn)鞑ゾ徛?，傳播速度低?.28m/s；間距5mm，當(dāng)量比為1.5時(shí)，丙烷/空氣預(yù)混氣在傳播過程中有局部湍流現(xiàn)象的出現(xiàn)