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层流预混甲醇-空气火焰的表征
S.Y. Liaoa,b,*, D.M. Jianga, Z.H. Huanga, K. Zeng a
a 西安交通大学电力工程多相流国家重点实验室，西安710049，中华人民共和国 b 电力工程学院，重庆通信学院，重庆400035，中华人民共和国
2005年9月30日收到；2005年12月15日收到修订本；2005年12月16日接受；
2006年2月7日在线发布
摘 要
本文研究了初始温度和压力对层流预混合火焰的传播特性的影响。在初始静止的甲醇-空气混合物中，从火花点燃源自由传播的球状膨胀的层流混合火焰，在不同的当量比和温度下被高速CCD连续记录，然后对火焰进行分析，以推断火焰的速度。对球形火焰前缘的拉伸区域进行了实验研究，由此得出，甲醇-空气火焰的未拉伸层流燃烧速度。将目前的测量结果与之前报道的实验数据相比较，得到了良好的一致性。结合之前的结果，可以用 ul=Zuloeth;Tu=Tu0THORN;aT eth;Pu=Pu0THORN;bp 表达的相关形式描述初始温度和压力对甲醇空气火焰的燃烧速度的影响。球体的活化温度是由燃烧的质量通量决定的。然后，将甲醇-空气火焰的Zeldovich数估计为等效比的函数，在质量燃烧通量的基础上，提出了层流燃烧速度的另一种相关关系，并在此替代形式与幂律相关的比较中发现了规律。
关键词：甲醇；层流燃烧速度；预混合火焰；质量燃烧通量
一、简介
甲醇已被证明是火花点火发动的一种有前途的替代燃料。甲醇的最重要的特点是它是每单位产热相同燃料中最便宜的液体替代燃料，并且甲醇可从广泛易得的化石原料中产生，包括煤炭、天然气和生物物质，其中生物物质又可以从生物来源中产生，因此甲醇代表了一个可再生能源[1，2]。这实际上意味着许多国家可以通过将甲醇作为能源来解决石油短缺造成的能源不平衡问题。
众所周知，在开发和证明燃料的化学动力学机理以及预测内外部燃烧系统的性能和排放方面，层流燃烧速度是非常重要的。[3]一般来说，化学动力学通过求解一维层流火焰平衡方程，可以对火焰进行数值计算，但这些模型中的化学动力学数据并不总是充分的被人们所熟知。在实际中，测量的层流燃烧速度通常用于验证这些化学动力学方案。有许多可通过实验测量可燃混合气的层流燃烧速度的技术，如反流双火焰[4]平焰燃烧器[5]热通量法[6]和密闭炸弹技术[7–14]。对于在封闭燃烧弹中球形膨胀的火焰，在预混火焰表面施加的拉伸被很好地定义。此外，渐近理论和实验测量表明火焰速度与火焰拉伸之间存在线性关系[15]。正如我们所知道的，层流燃烧速度的术语一般定义为一维的平面火焰，在理论上，火焰是张开的。因此，可以系统地使用实测火焰来确定基本的燃烧速度——未拉伸的层流燃烧速度由外推到零延伸[3]。与此同时，马克斯坦长度原则上也可以推导出来。在这里，马克斯坦长度是由于外部拉伸的影响而引起局部火焰速度的变化，这一点在表达火焰的不稳定性和对火焰淬火的拉伸影响中是很重要的。对燃烧速度的测量已经广泛地研究了各种碳氢化合物燃料，包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、辛烷等。
然而，对于甲醇来说，目前还没有在文献中进行过研究。Metghalchi 、Keck、Guuml;lder、Saeed和Stone 测量了甲醇-空气混合物在封闭燃烧弹中的燃烧速度。然而，在之前的研究中，对火焰增长的连续观察并不总是可以实现，而且层流燃烧速度一般由各种基于燃烧压力轨迹的燃烧模型所决定，但这些程序通常忽略了拉伸对火焰的影响，因此马克斯坦长度尚未获得。与此同时，在一定程度上，在这些实验结果中仍然存在着差异。此外，Gibbs、Calcote[16]、 Muuml;ller et al.[17]、Westbrook和Dryer[18]进行火焰化学动力学计算确定层流火焰速度，然而，获得的结果仍显示有些明显的散射。
鉴于以上的考虑，这一工作的动机主要是由于甲醇的燃烧速度数据仍然缺少并且不太准确。本文介绍了甲醇-空气预混合火焰的层流燃烧速度的实验测量。在初始静止的甲醇-空气混合物中，从火花点燃源自由传播的球状膨胀的层流混合火焰，在不同的当量比和温度条件下连续被高速CCD记录。通过分析火焰的大小来估计火焰的大小，因此火焰的速度是由火焰的大小随时间的变化而变化的。根据火焰速度与火焰拉伸之间的线性关系，推导出未拉伸的层流燃烧速度和相应的火焰长度。本文详细研究了燃料/空气当量比、初始温度和压力对层流火焰传播的影响。因此，提出了层流燃烧速度的经验公式，并与以往的结果作了比较。
图（1）实验系统原理图
二、实验和程序
图1所示为燃烧弹的示意图和用于记录火焰生长的光学系统。燃烧炸弹的内部尺寸为108times;108times;135毫米，如图1所示。这枚炸弹的两面是透明的，可以让内部现象被观察到；这些边是用来提供光学通道的，而另外四个侧面则用电阻线圈将炸弹加热到所需的预热温度。入口/出口阀用于让新鲜空气或燃烧产物进出。所需要的液体燃料是根据给定的当量比预先计算的，然后用一个小的性能注射器注入燃烧室。孔板运动的正常功能是在需要时提供湍流的燃烧环境，只用于提高甲醇的汽化，使反应物混合均匀。两个扩展的不锈钢电极被用来形成这个炸弹中心的火花隙。传统的电池线圈点火系统是用来产生火花的。由REDLAKE HG-100K高速CCD相机记录了火焰内核的形状和大小的发展历史，在图1中给出了一个纹影光学系统的每秒5000张照片。用压电式绝对压力变流器(Kistler 4075A)和校准元件Kistler 4618A，测量了燃烧气体和未燃烧气体的动态压力。
图2用于甲醇-空气混合物的典型的fZ1.2 -空气混合物。时间间隔为4毫秒，TuZ358 K，PuZ0.1 Mpa。
层流燃烧速度可以从已有的扩展火焰方法中推导出来，如[7]所述。在这种方法中，拉伸的火焰速度Sn，是从火焰半径和时间数据t中得到的：
(1)
火焰大小ru 的定义为纹面火焰的大小。在静止混合物中的火焰前面，火焰拉伸被定义为：
(2)
A是火焰前沿区域。对于以球型向外膨胀的火焰，火焰的拉伸被定义为：
(3)
根据Markstein的早期思想，提出了火焰速度与火焰拉伸之间的线性关系，即式(4)
（4）
因此，未拉伸火焰速度Sl可以作为alpha;=0的截距值，在Sn与alpha;的图中得到。燃烧气体的马克斯坦长度Lb，也可以从Sn对alpha;的实验值的图中得到，如式(4)中所提到的，使用附录a中所示的线性回归。
对于仅限于火焰膨胀早期阶段的观察范围，在此时压力没有明显变化，有一种简单的关系，将空间火焰速度Sl与最基本的，即未拉伸的层流燃烧速度ul 联系起来：
（5）
在这里，u是未燃烧气体的密度，b是燃烧气体的密度，两者可以从准维二区燃烧模型[19]中确定。
三、结果和讨论
火花发生后，点火发生在燃烧室的中心，火焰在球体上传播到整个混合物中。图2是火焰传播的典型例子，可以看出，纹影火焰图像显示的是直径随时间增大的圆盘。就火焰传播的可视化而言，其关键目标是获得火焰传播速度。然后进行火焰图像分析，推导出火焰半径与时间的演化过程；因此，空间火焰速度被评价为火焰大小的变化率(式(1)).为了描述火焰的传播特性，可以在火焰半径的函数中描绘火焰速度的演变，如图3所示。正如我们所知道的，火花的作用是初始化火焰，这是为了克服火焰在火焰传播的早期阶段，由于高曲率拉伸速率而导致火焰熄灭的倾向。很明显，火焰的速度在最初是下降的，然后随着半径的增加逐渐增加，这是由火焰在火焰传播的早期阶段相对较高的火焰拉伸和热损失所造成的[7]。在实验中研究了燃料/空气当量比和预热温度对火焰速度的影响。结果表明，火焰速度随半径的增大而增大，对化学计量火焰和高温温度的增加可以加速火焰的传播。通过式(3)可以求出施加在球形火焰上的局部弹性。
因此，空间火焰速度可以绘制成拉伸速率的函数，来描述火焰传播的拉伸效应。如图4所示，实验数据的选取显示在不同的当量比和初始温度下火焰速度Sn与总拉伸速率a的变化。根据式(4)，无拉伸火焰速度可以通过一个零延伸外推法得到，也如图4所示，用实线表示，直线的斜率表示燃烧的气体的马克斯坦长度Lb。然后，通过式(5)可以从未拉伸的空间火焰速度的值推导出最基本的燃烧速度和未拉伸的层流燃烧速度。 图4显示火焰在火焰传播过程中随着拉伸速率的降低而加速，这表示所有经过测试的火焰燃烧气体的燃烧长度为正。这一数字还表明，Phi;=0.8的混合火焰的火焰速度比较富火焰的火焰速度更敏感。然而，Phi;=1.0和1.2的混合物之间也没有明显的差异。这可以表明，Phi;=1.0和1.2的混合曲线相对于Phi;=0.8(图4)的火焰来说比较平坦。研究了初始温度对火焰传播的影响。温度升高导致火焰速度相应增加。图4所示为不同初始温度条件下化学计量火焰的火焰速度变化。然而，除了火焰速度的整体大小，温度对火焰行为的影响似乎很小，因为实验结果表明火焰速度曲线的斜率并没有明显的变化。
图3 甲醇-空气混合物 (0.1 MPa)中Sn与火焰半径的变化 图4 不同拉伸速率的火焰速度的变化
(A)当量比，Phi; (B)初始温度，Tu。 (A)当量比，Phi;， (B)初始温度，Tu
图5展示了燃料/空气当量比和初始温度对火焰/拉伸相互作用的影响，即燃烧的气体马克斯坦长度Lb的数值。关于甲醇-空气火焰中Lb的值，之前很少有实验结果。我们的测量结果表明，Lb的值随着等价比的增加而轻微下降，然而，当Phi;＞1.0时，Lb的值几乎没有随等效比的变化而变化。温度对Lb的影响可以忽略不计，因为在不同的温度条件下，Lb的变化很小。一般来说，所有的马克斯坦长度都是正的。这可以通过测量的火焰是光滑的，以及在目前的燃料/空气等效比范围内大气压力实验中没有不稳定发生证明。
图6所示为甲醇-空气火焰在相当大的当量比范围内和358 K以及大气压力下的实测层流燃烧速度。在这个图中，还绘制了先前获得的比较结果。很明显，我们的测量结果与图6一致。
图5 以甲醇-空气火焰作为燃料空气等效比的函数来测量其长度。
曲线是测量点的二阶拟合。
图6 甲醇-空气火焰在358 K和0.1 MPa的实验层流燃烧速度
我们可以发现，与 Metghal
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