多孔介质钝体火焰稳定器的制备及性能研究

多孔介质钝体火焰稳定器的制备及性能研究

钝体火焰沉定器是提高航空燃料、弹头压裂机枪、民用回转炉等设备或装置火灾火稳定性的重要手段之一。在这项工作中，使用的典型钝体火焰定标器是v型火速定器，其主要作用是在气氛中形成一个稳定的区域。由于燃料和氧化物的混合良好，火焰的稳定边界相对狭窄，燃烧效率低，燃烧容易引起骚乱燃烧。为了解决上述问题，研究人员在改进的v型稳定器上开了槽，并打开了两个洞。其目的是将v型稳定器上方的燃料引入后续返回区域，使返回区域的燃料与空气混合更加有效，从而显著降低贫燃和火的极限。除了稳定漩涡效应外，应有效增加燃料和氧化的混合。通常,钝体火焰稳定器火焰稳定能力与堵塞比相关,尤其是当流体速度较快时,实现火焰驻定的堵塞比就更大.如导弹发动机中火焰稳定器的堵塞比可达到50%～60%.然而大堵塞比的火焰稳定器会导致严重的流动损失,降低发动机推力.火焰稳定器必须在稳定火焰的同时,减少流动损失.为此,研究者提出了高效的涡旋驻定稳定器,如沙丘稳定器、驻涡稳定器等.研究者通过大量研究总结出一个火焰稳定器需要有如下性能:优越的驻涡性能、燃料与空气得到有效混合、强化液体燃料的蒸发、减少流动阻力等.而影响钝体火焰稳定器火焰稳定性能因素包括其形状、燃料/伴流速度(或动量)比、燃料/氧化剂比、燃料类别和工作压力等.已进行的研究中,虽然火焰稳定器形状多样,但都是采用实心材料或开槽挖孔制作成各种形式的钝体火焰稳定器.多孔介质是一种新型的材料,已被广泛应用于流动、传热、燃烧等各个领域.多孔介质大比热容有蓄热作用,相当于固定的高温源,有利于稳定火焰;单位体积内多孔介质有很大的表面积,气体和固体之间可以进行充分的热交换,使得燃烧温度分布相对均匀,提高燃烧安全性和稳定性,同时多孔介质的复杂多变的流道桥路,也可以在延长燃气停留时间的同时强化燃烧;多孔介质的高热导率和强辐射作用可以使反应放出的热量向上游和下游传给临近的流体介质.杜声同等对陶瓷多孔毛细渗油火焰稳定器的实验研究结果表明,毛细渗油结构可以有效扩大火焰稳定范围,对点火、防振及火焰状况都有利,而且由于毛细储油功能,使熄火时间加长;由于热惯性的存在有利于再着火.虽然目前对多孔介质内燃烧已进行了很多研究,但用多孔介质做火焰稳定器相关研究还未见报道.本文提出用多孔材料制作多孔介质火焰稳定器.采用热线测试实心钝体和多孔介质钝体尾迹冷态流场结构,并采用丙烷为燃料进行对比燃烧实验,研究多孔介质钝体火焰稳定特性.1多孔介质火焰稳定器实验图1为丙烷与空气扩散燃烧实验装置示意图.多孔介质置于燃料喷嘴上方L处.燃料管的内径D2=5,mm,壁厚1.5,mm,长度为1,m.空气伴流管道内径D1=60,mm,长度600,mm.石英玻璃管内径为D1=60,mm,壁厚2,mm,高度为600,mm.实验选用钝体材料:平均孔径为1.27,mm和0.32,mm多孔介质孔钝体板及实心钝体圆盘.不同材料钝体结构外形尺寸相同,均为圆盘钝体结构,其端面直径为D=40,mm,高度h为8,mm.流体通道堵塞比达44.4%.燃料管与钝体材料几何布置如图2所示.实验时,空气压气机抽入空气,通过涡轮流量计(流量范围为5～100,m3/h,精度等级为±1.5%)进入燃烧室与丙烷燃料进行扩散燃烧.实验通过多孔介质与实心钝体火焰和冷态流场对比,分析多孔介质火焰稳定器对流体压力损失、熄火极限和火焰高度等参数的影响,探索采用多孔介质火焰稳定器提高火焰稳定性的可行性.为了研究回流区大小和回流强度,用热线测速仪测试了各种工况时不同火焰稳定器后轴线上流向速度分布.冷态流场测试中,热线测速仪采用直径5,μmwollaston(PT10%RH)热丝,其速度敏感长度为1,mm,电阻5.2,Ω.热线测速仪测试时采用恒温工作模式,热线测速仪工作电阻Rw与环境温度下电阻R0比值为1.8.热线测速仪信号经过放大、平移、通过16通道A/D(12位)板进入计算机.采样频率3.5,kHz,采样时间10,s.实验前,对热线测速仪进行速度-电压标定.具体标定过程见文献,平均速度测量误差为1.7%.2多孔介质与实质让流场的压力损失m实验采用Swema微压差计(SwemaMan80,分辨率0.1,Pa)测量流体经过3种不同钝体稳定器后流体的压降,以评估不同火焰稳定器的流动损失.取压位置分别在钝体上下表面15,mm处.压降随流速分布关系如图3所示.从图中可见,与实心钝体相比,相同空气伴流速度时多孔介质火焰稳定器能明显降低流体压力损失.随着伴流空气速度的提高,多孔介质火焰稳定器减少压力损失的优势更明显.当空气速度达到8,m/s时,平均孔径为1.27,mm和0.32,mm的多孔介质稳定器前后压力差分别为79,Pa和73.5,Pa,而实心钝体的前后压力差达到191,Pa,分别为前者的2.4倍和2.6倍.多孔介质平均孔径从1.27,mm变化到0.32,mm时,由于测试的速度较小,压降-速度特性并没有明显差异.但随着速度变大,两者差异有变大的趋势.可见,在航空和火箭发动机等高流速燃烧流场中如使用多孔介质火焰稳定器可显著减少压力损失.3扩散火焰的出现和发展实验时,首先通过固定燃料速度(vf=4.5,m/s),改变空气伴流(va=2～9,m/s)观测不同钝体后火焰演变过程(图4).实验中,燃料出口位于钝体下方L=15,mm处.对于实心钝体火焰(图4,(a)),当va=1,m/s时,由于空气速度较小,火焰长且呈黄红色,呈现扩散火焰特征.随着空气伴流速度增大(va=2,m/s),火焰上部为黄红色,下部为蓝色.这是由于伴流速度增大,钝体火焰稳定能力的下降导致扩散火焰(黄红色部分)抬举.燃料与空气在自由流与尾迹交界面混合较好,且应变率较低,沿着钝体四周产生了蓝色火焰.随着空气伴流速度进一步增大(va=3～4,m/s),钝体稳定火焰能力降低,火焰上部黄色的扩散火焰部分渐渐变小、消失.当空气速度进一步增大时,火焰尾迹处的黄红色火焰消失,转变成短小蓝色的纯钝体火焰.该蓝色火焰出现在绕钝体后回流区与自由流交界的剪切处,主要由于绕流剪切强化了燃料与氧化剂的混合.当va>6,m/s时,实心钝体产生熄火.这是由于绕流剪切层产生的高应变率引起熄火.多孔介质钝体火焰(图4(,b))与实心钝体火焰发展过程也类似,但火焰稳定能力提高很多.当va=5,m/s时,才开始产生扩散火焰的抬举;当va=8,m/s时,抬举火焰依然比较稳定,但开始向钝体火焰转变.多孔介质钝体尾迹中,由于燃料可以直接穿过多孔介质钝体,因而其火焰与射流扩散火焰特征类似.而实心钝体火焰开始产生抬举时,是空心火焰.火焰根部环绕钝体端面四周,呈中空状态,因而火焰跳动、不稳定,直至熄火.为了进一步比较多孔介质火焰稳定器与实心钝体稳定器的火焰稳定性,并评估多孔介质孔密度对火焰稳定特性的影响,又引入了平均孔径为1.27,mm的多孔介质钝体进行火焰稳定实验.通过给定空气伴流速度(va=6.0,m/s)或给定燃料流速度(vf=1.2,m/s),观测火焰熄火工况(表1).从表1的熄火极限数据可发现,在相同空气伴流速度时,实心钝体需要更多的燃料才能实现火焰稳定.当空气伴流速度va=6.0,m/s,实心钝体需要燃料速度vf>3.1,m/s才能保障不熄火;平均孔径为0.32,mm的多孔介质钝体只需要燃气速度大于0.9,m/s,就不熄火.在相同燃料速度时,实心钝体需要更小的空气伴流速度实现稳定燃烧.如当燃料速度vf=1.2,m/s时,实心钝体在空气伴流速度va=4.5,m/s以上产生熄火,而平均孔径为0.32,mm的多孔介质钝体产生熄火的空气伴流速度达到8.1,m/s.比较3种火焰稳定器发现,平均孔径为0.32,mm的最佳.可能平均孔径为0.32,mm的多孔介质兼顾了通透性(有利于钝体后燃料与氧化剂混合)和回流区特性,使得稳定器后速度场、组分场更加适合燃烧,从而火焰稳定性较强,熄火极限拓宽.因此,对多孔介质火焰驻定特性研究时,其孔密度是一个关键参数.4多孔介质对虚实让流区的影响多孔介质和实心钝体火焰稳定器火焰稳定性能差异与其尾迹中燃料分布及钝体尾迹流场结构密不可分.图5给出轴向平均速度沿轴线分布.图中,x是测点距离钝体下游端面轴向距离,D是钝体端面直径;U∞是无钝体时通道内流体平均速度;雷诺数为基于长度尺度D和来流速度的值,即从图5可以看出,实心钝体和平均孔径为0.32,mm的多孔介质钝体后轴线上平均速度分布有很大不同.实心钝体后轴向速度为负,说明钝体后是回流区,其长度大约为1.4D;而多孔介质钝体后由于多孔介质渗透性,其速度为正.由于多孔介质钝体的阻挡作用,大约在x/D=1时才开始出现一个回流区,回流区大约在1.8D～2.0D处结束.这说明,一方面,多孔介质回流区长度大约为0.8D～1.0D,小于实心钝体后回流区长度.另外,多孔介质钝体具有渗透和产生回流区的双重功能,但多孔介质回流区在更下游位置.且随着雷诺数增大,回流区更小,回流区向更下游发展.实心钝体回流强度大于多孔介质.实心钝体回流速度是来流速度的82%左右,而多孔介质最大回流速度是来流速度的35%.雷诺数对实心钝体后回流区影响较小,但对多孔介质后回流区大小和回流强度影响较大.在雷诺数8,000～13,333范围内,实心钝体后回流区大小和回流强度基本不变;而多孔介质钝体随着雷诺数的增大,回流区大小和强度都减弱.这说明,对于一定孔密度和厚度的多孔介质钝体,来流速度增大时,其产生回流区的能力下降.这里需要指出的是,由于实验时,多孔介质钝体上游端面有燃料喷管(直径是5,mm),因此,在x/D=0处轴向速度近似等于零.如果没有燃料管的阻挡作用,该处轴向速度不会接近零.通过流向平均速度沿轴线分布(图5)可以发现多孔介质和实心钝体后流场结构有明显差异(图6).当燃料喷管在钝体上游时,对于实心钝体,燃料需要绕过钝体,在回流区与自由流边界上进行混合.从流场结构测试结果发现,自由流速度变化对回流区大小影响不大(图5),由于空气与燃料混合处(图6虚线)速度较大,混合时间较短;对于多孔介质钝体,燃料可以渗透到回流区上游,该处速度较低,混合时间较长,呈现局部预混燃烧特性.因此,多孔介质钝体极大地改善了尾迹中燃料与空气的混合,有更适合燃烧的组分场.但由于回流区较小,且回流强度降低,因此,该类稳定器的关键是找到渗透特性和回流区产生特性的最佳平衡点.5火炬高度与火焰密度L是燃料喷管出口到钝体上游端面的距离.由于燃料速度和空气伴流有速度差异,交界面存在剪切.距离L愈大,燃料与空气混合愈好.为了研究燃料与空气混合程度对钝体火焰稳定性的影响,研究中设计了两种工况:工况1,va=3.0,m/s,vf=2.4,m/s;工况2,va=6.0,m/s,vf=5,m/s.两种工况燃料与伴流速度比近似相等,旨在考察3种钝体结构在较低和较高空气伴流速度下燃料喷口与钝体上游端面之间距离L对钝体后火焰高度H的影响(H测量以钝体下游端面为基点).实验结果如图7所示,其中虚线和实线分别表示工况1和工况2的结果.当火焰高度为0时,表示熄火.从图7中可以看出,燃料喷管出口与稳定器之间距离L对火焰高度和稳定性有较大影响.总体上看火焰高度H随着L的增加而减小;当空气伴流速度较大(工况2)时,产生熄火的L变小.当空气伴流速度较小时(工况1,图7中虚线所示),多孔介质钝体后火焰明显都高于实心钝体后火焰.这是由于多孔介质具有较强的渗透与弥散作用.中心线附近燃料可以直接通过多孔介质渗透到尾迹回流区域,导致火焰呈现很强的扩散火焰特征.比较平均孔径为0.32,mm和1.27,mm的多孔介质钝体火焰发现,当L小于5,cm时,孔密度小时火焰长度略长.这是由于平均孔径为1.27,mm时孔径较大,当L很小时,燃料在钝体前来不及与空气充分混合,通过渗透进入钝体尾迹区域,孔密度小的多孔介质弥散作用较弱,导致火焰呈现更明显扩散火焰特征,火焰长度更长.当L大于5,cm后,由于从燃料出口到钝体之间的距离L足够大,使得燃料和空气混合较好,多孔介质的渗透与弥散差异作用已处于次要地位.当空气伴流速度较大时(工况2,图7中实线所示),3个稳定器性能差异较大.多孔介质产生熄火的L更大,且不熄火时火焰更长;伴流速度增大后,两种孔密度的多孔介质火焰高度较工况1有更明显差异,但产生熄火的L并没有明显差异.这说明当燃料与空气混合较差时,孔密度影响火焰;当燃料和氧化剂混合较好时,多孔介质火焰稳定器的火焰差异较小.这从另外角度说明多孔介质的渗透与弥散性能改善了钝体后燃料与氧化剂当量比,从而提高扩散火焰稳定性.6多孔介质让液流场及火焰稳定性能(1)在堵塞比为44%、流体速度为8,m/s时,实心钝体压损是平均孔径为0.32,mm和1.27,mm的多孔介质钝体压损的2.4和2.6倍;对于va=6.0,m/s空气伴流速度,实心钝体燃料流vf<3.1,m/s时熄火,而平均孔径1.70,mm和0.32,mm多孔介质则分别在vf小于1.6,m/s和0.9,m/s后才熄火.采用多孔介质钝体可在大大降低流阻同时,拓宽火焰稳定极限.(2)实心和多孔介质钝体流场结构有较大差异.在本文研究的流动参数范围内,实心钝体回流区长度为1.4D,且紧贴钝体,而多孔介质回流区长度为0.8D～1.0D,出现在x/D=1左右位置.实心钝体和多孔介质回流速度分别为来