由球状扩张火焰提取层流火焰传播速度时的非线性效应外文翻译资料

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Combustion and Flame

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文章历史：

收稿日期：2009年1月14日

修回日期：2009年4月9日

接受日期：2009年4月10日

网站发布日期：2009年5月18日

考虑了影响由恒压燃烧室中向外传播的球形火焰确定层流火焰传播速度的多个因素，侧重于从拉伸火焰传播速度到火焰拉伸率的非线性变化以及非线性外推拉伸火焰传播速度以准确确定层流火焰传播速度和马克斯坦长度的相关要求。在1个标准大气压的初始压力条件下对稀/浓正丁烷/空气火焰进行实验，以分别证明火焰动力学发展的复杂和非线性性质以及火焰传播初期和末期点火瞬态和燃烧室包围限制的强烈影响。利用拉伸火焰速度和拉伸率之间的非线性关系分析实验数据，获得与由备选火焰配置所确定的数据充分一致的层流火焰传播速度。另有研究表明使用较小的点火能量和较大的燃烧室提高由球状扩张火焰提取层流火焰传播速度的保真度。

2009 The Combustion Institute.出版商：Elsevier Inc.版权所有。

关键词：

火焰传播速度

丁烷

传播球形火焰

层流火焰传播速度

马克斯坦长度

1.引言

在确定层流火焰传播速度方面所做的早期工作（即使给予特殊关注）显示用不同实验方法所获得的数据呈现较大的分散性[1,2]。这些测量结果不同的根本原因是由局部流动变形、火焰面曲率和火焰不稳定性[5,6]所引起的无法量化的拉伸效应[3,4]。同样地，必须从实验数据中减去这些效应，以明确确定层流火焰传播速度[3]。根据渐进分析[7]，Wu和Law [3]从拉伸效应减去了线性外推的实验性拉伸火焰传播速度（与拉伸率成函数关系）确定为0（根据：

）

式中，，是一个无量纲拉伸参数。S表示火焰传播速度，kappa;表示拉伸率，L表示表示一个常数（用于度量混合物对拉伸的灵敏度且通常称为马克斯坦长度）且上标o表示未拉伸状态。该线性外推法广泛应用于火焰传播速度测定（使用对冲/滞止火焰[8]和向外传播的火焰[9,10]；）所引用的参考文献仅代表已出现的许多著作。

事实上，该类著作正以不断加快的速率出现。原因是对获取准确层流火焰传播速度数值以进行燃料化学研究的兴趣相应增加。

尽管线性外推法便于采用，但人们同样认为应小心谨慎以确保外推法不仅准确而且还具有意义。执行线性外推法所依据的数据范围应十分广泛。同时，拉伸率大小（当通过Karlovitz数适当定标时）同样应足够小，以确保实测火焰传播速度与未拉伸值之间的偏差相应较小。

然而，存在偏离可能更严重（由于拉伸率较高和/或混合物非均等扩散程度更强）的情况，使高阶效应重要。在这些情况下，线性近似法不仅不准确，而且根据数据集进行线性外推法的行为（呈现出曲率）也可能导致外推值存在大量的不确定性。此外，本测量技术也可能存在可能导致与线性度存在系统偏差的附加过程和因素。例如：就对冲技术而言，Tien 和Matalon [11]将非线性度区域确定为kappa;→0，表明线性外推法会使数值更大。其会导致相对喷嘴[12,13]之间使用更大的分离距离，以尽量减小此效应。

本研究的原始目标是通过使用火花点火向外传播的球形火焰确定较大烃/空气混合物（例如：正丁烷和正庚烷）的层流火焰速度。这些烃类的稀薄混合物的Lewis（Le）数值较大且因此受到较强的非等扩散和拉伸效应。随后我们认识[14]到由球状扩张火焰所获得的数据外推层流火焰传播速度可能是非线性的且可能会在火焰传播早期受到点火瞬态[14–17]的影响。流火焰传播速度。

早期研究[10]和进一步研究[18–21]也表明了火焰传播晚期燃烧室非对称性和包围限制效应的重要性。因此，本论文用作会议出版物[14]的更新，就球状扩张火焰非线性传播相关的实验研究给出了报告，系统量化了早期和晚期系统干扰效应的范围（通过成功实施非线性外推），获得了具有意义的层在下文中，我们首先应简述我们的实验设置和方法。然后，我们应提出实验约束条件，强调点火能量和燃烧室包围限制的效应。接着，我们将提出非线性外推法以准确测定层流火焰传播速度和马克斯坦长度。将正丁烷/空气混合物的实测层流火焰传播速度与由平焰燃烧器和对冲火焰法所获得的响应数据进行比较。其他实验数据（以氢火焰相关的数据为主），可参见[14–16]。

2.实验规格

通过参考文献[22]所述的双燃烧室、恒压装置进行了实验。简略地，内燃烧室（内径：82.55 mm；长度：127 mm）根据分压充满燃料和氧化剂的混合物，而外燃烧室（内径：273:05 mm；长度：304:8 mm）充满密度与内燃烧室中试验气体相同的惰性混合物。两个燃烧室最初由两个护套彼此分开，孔彼此偏置。然后，电容器以可变电压向点火线圈放电，导致内燃烧室垂直放置的电极出现火花，进而以火花点火方式点燃混合物。火花放电发生在大约0.5 mu;s的时间内。火花点火的同时，两个护套上的孔对准。经过对准的孔到达分隔壁并接触惰性气体后，最终向外传播的球形火焰随后淬火。由于内燃烧室体积比外燃烧室体积小25倍，因此火焰传播时的升压较小，使火焰以基本恒定的压力传播。火焰半径r_f(t)的记录通过纹影摄影术成像并以帧率高达25,000帧/秒的高速数字运动相机进行记录。相机空间分辨率与大约0.1 mm对应。

由于燃烧废气对于向外传播的火焰是不运动的，因此实测火焰半径与火焰下边界的半径对应。因此，由和可分别得出瞬时拉伸火焰传播速度Sb和拉伸率kappa;，式中下标b表示下游燃烧状态。假定由拉伸火焰传播速度可合理外推出拉伸率0，则可测定下游层流火焰传播速度。由可相应测定出上游层流火焰速度（通过方程式）。在中，下标u表示上游条件，rho;表示密度。

用稀/浓丁烷/空气混合物就强和相反的非均等扩散趋势进行了大量实验。实验结果表明控制Lewis数Le分别大于和小于单一元素。本研究所用丁烷的纯度为99.98%。混合物的初始温度为25℃。火焰传播影响因素的试验结果和分析，见下文。

3.非线性度的注意事项

3.1.稀正丁烷/空气火焰

当稀正丁烷/空气火焰的典型当量比phi;=0.80时，点火后火焰动态学的发展如图1-3所示。图1表明：除火焰运动预计受点火能量影响的初始期外，轨迹看起来基本上是线性的。由此确定火焰传播速度基本恒定。然而，此为非常不准确的认识。通过对图1各数据点的局部拟合二阶多项式求微分所获得的火焰传播速度会随瞬态火焰半径单调变化。尤其当火焰传播时，火焰传播速度先减小，后增大，再减小。火焰传播速度与拉伸率响应之间的关系如图3所示。讨论拉伸火焰响应时常用此图。该图同样是得出层流火焰传播速度线性外推结果的依据。

根据图1-3所示的定性趋势以及后续对数据所做的定量分析，火焰传播由三个不同的时期（即：先是初始期（以该时期为主并受点火能量输入影响），然后是拉伸火焰传播的准稳定期（适合于提取层流火焰传播速度）以及末期（受燃烧室包围限制效应影响））组成。这三个时期（如图3所示）将在下文进行讨论。

3.1.1. 受点火影响的早期火焰传播

火花点火后，火焰最初取决于点火核心到反应前锋的热传导，导致火焰传播速度升高。当点火核心的影响消散[15,16]时，火焰传播速度随后迅速减小。该阶段（以点火为主）过后，火焰传播速度迅速升高并导致拉伸增大（尽管火焰半径同时增大）。

正丁烷/空气

phi;=0.80

1个标准大气压

时间（ms）

图1. 典型稀正丁烷/空气向外传播火焰实验中的火焰半径（与时间成函数关系）。

正丁烷/空气

phi;=0.80

1个标准大气压

图2. 典型稀正丁烷/空气向外传播火焰实验中的火焰传播速度（与火焰半径成函数关系）。

燃烧室

受影响

正丁烷/空气

phi;=0.80

1个标准大气压

点火

受影响

准稳态

图3. 典型稀正丁烷/空气向外传播火焰实验中的火焰传播速度（与拉伸成函数关系）。实验受点火和燃烧室壁的包围限制影响且必须注意确定非受这些效应影响的数据。

为评估点火核心对后续火焰发展的影响，以不同的火花能量进行了实验。以不同点火能量点火的两次典型实验如图4所示。由此看出，初始瞬态期（在此期间，两次实验的结果因不同的点火能量显著不同，下曲线具有更小的点火能量）后，当点火核心的影响消散时，两个火焰轨迹最终对准。在合并图4所示的两个实验数据集前，火焰传播速度迅速增加并以较低的点火能量达到转折点。另还发现，当点火能量过大时，可能将火焰驱使到转折点以外。因此，两个实验结果之间的不一致区取决于点火核心且无法迅速用于层流火焰传播速度。因此，我们将弃用达到和稍过转折点的数据以消除初始条件所带来的影响并去除任何瞬态效应，如参考文献[17]所述。就本研究所用的典型正丁烷/空气混合物而言，半径1.0 cm以下的数据被弃用，以进行外推。

正丁烷/空气

phi;=0.80

1个标准大气压

图4. 以不同的点火能量所进行的两次实验。两次实验不一致的区域受点火能量影响。

3.1.2. 准稳态传播

在火焰发展的第二个时期，火焰传播速度增大而拉伸率减小，表明连续增大的火焰大小最终决定了火焰所遇到的拉伸率，显示了火焰传播时火焰拉伸率减小的常规预期行为。

该传播阶段的数据变化相对缓慢，因此可被视为准稳态。点火能量的影响已被消散，如前所述。此外，未燃烧气体的流场不受限制燃烧室壁的影响，如下文所证。

在火焰发展的第三个时期，火焰传播速度减小。该因素连同增大的火焰半径导致拉伸率减小。火焰现在非常大。其传播可能因内燃烧室壁的限制性而受影响（即使内燃烧室气体连接外燃烧室惰性气体）[18–21]。由于在此阶段，火焰仍充分远离燃烧室壁（取决于其厚度），因此，流体机械性影响（由于未反应气体的限流而非传热损失）预计是影响所观测到的减小的机制。特别是，其表明[18–21]：由于圆柱形燃烧室的尺寸不对称（本设计的内燃烧室半径小于其长度），轴向的火焰传播速度会增大且径向的火焰传播速度会减小。由此可解释实测火焰传播速度减慢的现象（由于所记录的火焰图像是沿轴向方向拍摄的径向图像）。

为评估此影响，制作了第二个内燃烧室（内径更大，为114.3 mm；长度相同，为127 mm）。该燃烧室中的火焰更大，应该会遇到减小/延迟的限制效应。由这两种几何结构明显不同的燃烧室（分别带有“开放式”和“密闭”符号，表示燃烧室内径更小和更大）所获得的两个实验结果，如图5所示。我们注意到火焰响应最初因点火能量的微小差异而不同，但它们快速合并。转折点之后，火焰准温态地传播，没有点火能量影响且响应充分一致。然而，达到较大的火焰半径和相应更小的小拉伸率后，两个火焰以不同的方式发展，内径更小的燃烧室的火焰传播速度减慢（如前所述），而直径更大的内燃烧室中的火焰继续以明显准稳态的速度传播。两次实验开始分流的点识别燃烧室几何结构开始影响未燃烧气体流场的阶段，以确保直径更小的燃烧室超过该阶段的数据不得用于外推。

正丁烷/空气

phi;=0.80

1个标准大气压

图5. 以不同包围限制效应所进行的两次实验。在低拉伸率和高火焰传播速度的条件下，当燃烧室中未燃烧气体的气流与限制壁相互作用时，出现不一致。在高拉伸率和低火焰传播速度条件下，点火能量会导致不一致。

另还进行了其他实验。这些

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