微型定容燃烧腔内C 2 ～C 4 烷烃/空气火焰传播
发布时间：2021-01-11 21:59
在直径35 mm、高度2 mm光学可视的定容燃烧腔内,实验研究了常温常压静止乙烷/空气、丙烷/空气和正丁烷/空气预混气在燃烧腔中心由电火花点燃后向外传播的火焰传播特性。结果表明:3种燃料空气混合气可形成火焰传播的当量比范围不同,范围由大到小排序为乙烷>丙烷>正丁烷;3种燃料均存在由光滑火焰面向褶皱火焰面转变的传播形态;在微型定容燃烧腔内,3种燃料的火焰传播速度均低于常规尺度下定容燃烧弹内火焰传播速度,且火焰传播速度随半径增加而减小;随着当量比增加,火焰锋面容易出现褶皱和断裂现象,在高当量比情况下,火焰传播会出现短暂停滞。
【文章来源】：化工学报. 2016,67(11)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
微型定容燃烧腔结构和装置
?实验所用微型燃烧室如图1所示，其大小为φ35.0mm×2.0mm，高度2mm接近C2～C4烷烃/空气熄火距离。其由两块可视石英玻璃盖板（D0=60mm）构成，下盖板开有3个圆孔通道，左侧孔（d1=1.5mm）距离中心14mm，作为进口；右侧孔（d2=2.5mm）距离中心13mm，作为出口；中心孔（d3=2.5mm）作为点火电极通道。点火电极由双孔陶瓷管以及钨丝（d4=0.2mm）组成。上下石英玻璃盖板由两块圆柱形不锈钢盖板和四颗螺栓紧固。在石英玻璃和不锈钢之间垫有铜片防止爆炸冲击损坏玻璃。如图1所示。实验系统如图2所示。乙烷（纯度>99.9%）、丙烷（纯度>99.9%）、正丁烷（纯度>99.9%）作为图1微型定容燃烧腔结构和装置Fig.1Structureofgapconstant-volumecombustionmicro-chamber图2实验系统Fig.2Schematicgraphoftestrig燃料，压缩干空气作为氧化剂，分别由质量流量计（MKSGE50a误差0.1%）控制，在进入燃烧室之前充分预混。点火电极布置在燃烧腔室中心，由高压线圈通过两根间距0.5mm钨丝放电来实现点火。每次实验开始前，预混气通入燃烧室扫气10min，然后关闭进出口静置20min以确保燃烧室内无残留气体以及预混气混合均匀，初始压力为1个大气压，初始温度为室温。点火后，通过高速摄像机（MEMRECAMHX-6）拍摄火焰传播过程，曝光时间196.6μs，拍摄记录5000幅/秒。对所拍摄每张图片使用Matlab编程处理，通过提取每张图片中心垂直线上的最亮点到中心的像素距离，将所提取距离进行换算，可得出火焰传播距离，其方法与过程如图3所示。首先对火焰原始图像提取轴线上每个像素亮度值，然后运用二值法去噪点，得到火焰轴线上的亮度分布值，提取最亮点峰值作为火焰锋面位置，换算得到火焰锋面实际空间位置。本文提取竖直
化工学报第67卷·4576·2实验结果与分析2.1火焰传播可燃当量比范围在固定点火电极位置、间距和点火能条件下，分别测试了乙烷、丙烷和正丁烷3种燃料在微燃烧室内能点着并形成火焰传播的当量比（φ）范围，结果如图4所示。由于微尺度效应的作用，乙烷/空气混合气在本实验装置中能点燃的范围为φ=0.9～1.6；丙烷/空气混合气在本实验装置中能点燃的范围为φ=1.0～1.55；正丁烷/空气混合气在本实验装置中能点燃的范围为φ=1.0～1.5。图4微型燃烧腔内3种燃料可燃当量比范围Fig.4Flammableequivalenceratiorangesofthreefuelsinmicrochamber可燃当量比范围与点火能和熄火距离密切相关。本文中高压线圈固定放电点火能在100mJ左右（不包含线路点火能的损失），远大于3种燃料的最低点火能。最低点火能随燃料当量比的变化是开口向上抛物线的变化趋势，随当量比增加，最低点火能量先降低后增大，在某一个当量比附近，最低点火能最校如乙烷/空气，在当量比φ=1.2时，最低点火能0.24mJ，丙烷/空气在φ=1.3时，最低点火能0.25mJ，正丁烷/空气在φ=1.5时，最低点火能0.26mJ[14]。同时，2mm间距已经接近3种燃料的熄火距离。3种燃料中，熄火距离按大小排序是正丁烷＞丙烷＞乙烷，在相同点火能和微型燃烧腔间距下，熄火距离小的燃料容易点燃并形成火焰传播。上述原因导致图4中可燃极限范围当量比排序是乙烷＞丙烷＞正丁烷。2.2火焰传播基本特性3种燃料在不同当量比下火焰传播特性如图5所示，火焰传播形态可分为4种，以乙烷为例[图5(a)]：①在当量比较低时（φ=1.0），火焰光亮暗淡，火焰锋面光滑，火焰可传播至燃烧室尽头；②φ=1.2，火焰锋面光滑，火焰可传播至燃烧室尽头；③φ=1.4，火焰锋面有褶皱，火焰可传播至燃烧室尽头
本文编号：2971553
【文章来源】：化工学报. 2016,67(11)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
微型定容燃烧腔结构和装置
?实验所用微型燃烧室如图1所示，其大小为φ35.0mm×2.0mm，高度2mm接近C2～C4烷烃/空气熄火距离。其由两块可视石英玻璃盖板（D0=60mm）构成，下盖板开有3个圆孔通道，左侧孔（d1=1.5mm）距离中心14mm，作为进口；右侧孔（d2=2.5mm）距离中心13mm，作为出口；中心孔（d3=2.5mm）作为点火电极通道。点火电极由双孔陶瓷管以及钨丝（d4=0.2mm）组成。上下石英玻璃盖板由两块圆柱形不锈钢盖板和四颗螺栓紧固。在石英玻璃和不锈钢之间垫有铜片防止爆炸冲击损坏玻璃。如图1所示。实验系统如图2所示。乙烷（纯度>99.9%）、丙烷（纯度>99.9%）、正丁烷（纯度>99.9%）作为图1微型定容燃烧腔结构和装置Fig.1Structureofgapconstant-volumecombustionmicro-chamber图2实验系统Fig.2Schematicgraphoftestrig燃料，压缩干空气作为氧化剂，分别由质量流量计（MKSGE50a误差0.1%）控制，在进入燃烧室之前充分预混。点火电极布置在燃烧腔室中心，由高压线圈通过两根间距0.5mm钨丝放电来实现点火。每次实验开始前，预混气通入燃烧室扫气10min，然后关闭进出口静置20min以确保燃烧室内无残留气体以及预混气混合均匀，初始压力为1个大气压，初始温度为室温。点火后，通过高速摄像机（MEMRECAMHX-6）拍摄火焰传播过程，曝光时间196.6μs，拍摄记录5000幅/秒。对所拍摄每张图片使用Matlab编程处理，通过提取每张图片中心垂直线上的最亮点到中心的像素距离，将所提取距离进行换算，可得出火焰传播距离，其方法与过程如图3所示。首先对火焰原始图像提取轴线上每个像素亮度值，然后运用二值法去噪点，得到火焰轴线上的亮度分布值，提取最亮点峰值作为火焰锋面位置，换算得到火焰锋面实际空间位置。本文提取竖直
化工学报第67卷·4576·2实验结果与分析2.1火焰传播可燃当量比范围在固定点火电极位置、间距和点火能条件下，分别测试了乙烷、丙烷和正丁烷3种燃料在微燃烧室内能点着并形成火焰传播的当量比（φ）范围，结果如图4所示。由于微尺度效应的作用，乙烷/空气混合气在本实验装置中能点燃的范围为φ=0.9～1.6；丙烷/空气混合气在本实验装置中能点燃的范围为φ=1.0～1.55；正丁烷/空气混合气在本实验装置中能点燃的范围为φ=1.0～1.5。图4微型燃烧腔内3种燃料可燃当量比范围Fig.4Flammableequivalenceratiorangesofthreefuelsinmicrochamber可燃当量比范围与点火能和熄火距离密切相关。本文中高压线圈固定放电点火能在100mJ左右（不包含线路点火能的损失），远大于3种燃料的最低点火能。最低点火能随燃料当量比的变化是开口向上抛物线的变化趋势，随当量比增加，最低点火能量先降低后增大，在某一个当量比附近，最低点火能最校如乙烷/空气，在当量比φ=1.2时，最低点火能0.24mJ，丙烷/空气在φ=1.3时，最低点火能0.25mJ，正丁烷/空气在φ=1.5时，最低点火能0.26mJ[14]。同时，2mm间距已经接近3种燃料的熄火距离。3种燃料中，熄火距离按大小排序是正丁烷＞丙烷＞乙烷，在相同点火能和微型燃烧腔间距下，熄火距离小的燃料容易点燃并形成火焰传播。上述原因导致图4中可燃极限范围当量比排序是乙烷＞丙烷＞正丁烷。2.2火焰传播基本特性3种燃料在不同当量比下火焰传播特性如图5所示，火焰传播形态可分为4种，以乙烷为例[图5(a)]：①在当量比较低时（φ=1.0），火焰光亮暗淡，火焰锋面光滑，火焰可传播至燃烧室尽头；②φ=1.2，火焰锋面光滑，火焰可传播至燃烧室尽头；③φ=1.4，火焰锋面有褶皱，火焰可传播至燃烧室尽头
本文编号：2971553
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