第40卷第7期2006年7月浙 江 大 学 学 报(工学版)Journal of Zhejiang University (Engineering Science )Vol.40No.7J ul.2006收稿日期:20050324.浙江大学学报(工学版)网址:/eng作者简介:张永生(1976-),男,山西大同人,博士生,从事微尺度燃烧的研究.E 2mail :zhangys7876@通讯联系人:周俊虎,男,教授,博导.E 2mail :enejhzhou @微燃烧稳定性分析和微细管道燃烧实验研究张永生,周俊虎,杨卫娟,刘茂省,岑可法(浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,浙江杭州310027)摘 要:为了研究微尺度下的燃烧特性,在考虑散热和熄火距离影响的基础上建立了二维火焰燃烧模型,模型表明在微尺度燃烧中容易发生熄火和吹熄,不容易发生回火.同时在2mm 内径的微细T 型管道中通入了氢气和空气的预混气体进行预混燃烧实验,测试了燃烧的火焰温度、流量和燃烧效率的关系.实验结果表明,采用T 型管道有利于维持火焰的稳定,不容易被吹熄,但在氢气或空气流量小时容易发生熄火;低流速下,燃烧效率较高,可以完全反应,高流速下,混合气来不及在管道内反应,燃烧效率较低.无论流速的高低,在化学计量比附近燃烧效率较高.关键词:微燃烧;燃烧稳定性;熄火距离;燃烧效率;热损失中图分类号:T K16 文献标识码:A 文章编号:1008973X (2006)07117805Burning stability analysis of micro 2combustion and experimentalresearch of combustion in microscale tubeZHAN G Y ong 2sheng ,ZHOU J un 2hu ,YAN G Wei 2juan ,L IU Mao 2sheng ,CEN Ke 2fa(S tate Key L aboratory of Clean Energ y Utiliz ation ,Zhej iang Universit y ,H angz hou 310027China )Abstract :In order to st udy t he characteristics of microcombustion ,a two 2dimensional flame 2burning model was established ,in which t he loss of heat and t he quenching distance were considered.The conclusion was t hat t he flame was easy to quench and blow out but difficult to backfire on t he micro scale t ube.At t he same time ,t he p remixed combustion of hydrogen 2air in t he microscale T style t ube was tested.The T style t ube was usef ul for stable burning ,and t he flame can burn steadily in t he t ube corner.In t his t ube ,t he flame was difficult to blow out but easy to quench under t he low hydrogen 2air flux due to t he heat loss.At lower speed ,t he combustion efficiency was higher ,and t he combustion of t he mixt ures was nearly complete ,while at higher speed ,t here was not enough time for hydrogen and air to react ,so t hat t he com 2bustion efficiency was lower.Whet her at lower speed or higher speed ,t he combustion efficiency was high 2er when t he ratio was near t hat of hydrogen 2air equivalence ratio.The flame temperat ure increased wit h t he increase of hydrogen flux when t he hydrogen 2air equivalence ratio was fixed.K ey w ords :micro 2combustion ;burning stability ;quenching distance ;combustion efficiency ;heat loss 对于可以应用在微型卫星、微型飞行器上作为动力源和电源,并且很有前途的替代电池,20世纪90年代中期起国际上开始对微燃烧进行研究.相对而言,目前的研究主要关注微燃烧器能量的利用,包括采用先转化为机械能然后试图转化为电能的方法、热电转化法、热流子转化法和热光伏电转化法等不同的利用能量途径[126].由于开展研究的时间较短,国内外对微燃烧的基础研究较少,本文将从燃烧稳定性入手分析微燃烧的特性,以期能够对其有较为详细的了解.1 微燃烧的燃烧特性研究1.1 微燃烧特性微燃烧器并不仅仅是简单的对传统燃烧器在尺度上按比例缩小,在微尺度下它会产生很多新的问题:表面积相对增加、黏性效应更加明显、时间尺度缩短以及在三维形状制造方面受到的限制等.所有这些均会直接或间接地影响其内部的微尺度燃烧,所以使得微燃烧有以下一些特点:低雷诺数、低火焰尺度,层流燃烧特点显著.燃料在燃烧室停留时间短,表面积体积比(A/V)大.黏性力的影响不能忽略,反应区相对于燃烧室的特性尺寸不像传统燃烧那样小,所以燃烧波传播模型中的休贡纽方程能不能适用以及经典燃烧理论中对许多火焰模型做的关“薄”的假设的是否能够成立还有待实验的验证.因此有必要通过实验对微燃烧的机理做进一步的研究. 1.2 燃烧稳定性分析不同于常规尺度燃烧,微尺度下容易熄火,由此引起燃烧不稳定,然而燃烧的稳定性是微燃烧特性中必须考虑的的内容.燃烧的不稳定导致熄火,熄火现象依赖于表面状态(温度、材料、表面几何形状)和燃烧介质(温度、压力、成分、表面附近的气体动力学和火焰长度)等多个参数[7].对于微尺度下火焰燃烧的稳定性,本文将从散热和熄火距离两方面的影响因素对它进行分析.1.2.1 散热对燃烧稳定性的影响 由于微燃烧器的表面积体积比(A/V)特别大,其表面热损失也特别大,壁面的散热作用对燃烧有明显的影响.热损失成为设计中必须考虑的问题.Waitz等人[8]用水力直径d h来对比壁面散热和燃烧放热:E″/E∝1/d1.2h,(1)式中:E″为壁面散热速率,E为燃烧放热速率.微燃烧器的水力直径为毫米级,是传统燃烧器的几百分之一,因此产生的热损失率可能比传统燃烧器高两个数量级.它有两方面的影响:1)较高的散热损失直接影响了燃烧器的热效率,因此它不可能达到传统燃烧器90%多的效率;2)由于散热损失使温度降低,反应速度和可燃极限随之降低,更加有可能增加化学不完全燃烧热损失.为简单起见,考虑微细管道内层流燃烧的情况.对于气体在微细管道中燃烧,火焰总是存在着热损失,包括火焰与管壁接触向管壁的散热损失q w和反应区的辐射热损失q r,构成了火焰反应区的热损失q L,即q L=q w+q r.(2)在微尺度下以下原因使得熄灭更易发生:①A/V增大,壁面散热损失q w增加;②火焰温度低,从火焰中心向上游传递热流较少,对水流气体的预热效果减弱;③由于火焰温度低,火焰厚度增加,燃烧不稳定,易发生熄火.另外如果沿径向热传导从火焰中心向管道传导了更多的热量,外部热损失增加,熄火容易发生.从以上可知采用较大导热系数材料的管道容易熄火.这解释了本文实验采用的石英管内燃烧相比文献[9]的不锈钢管内燃烧不容易发生熄火的原因.1.2.2 熄火距离对燃烧稳定性的影响 管内层流流动中对于层流火焰传播速度有如下公式:S L∝αγ,(3)式中:α为热扩散系数,γ为流体运动黏度.而α=λ/(ρcp),(4)式中:λ为导热率,ρ为密度,c p为质量定压热容.同时γ=μ/ρ,(5)式中:μ为动力黏度.可推导得S L∝1ρλμc p,(6)又由文献[10]可知对于熄火距离有公式d q∝λT uc p M1p01S L.(7)式中:d q为熄火距离,T u为未燃烧前热力学温度, M为平均相对分子质量,p0为初始压力.所以,可有d q∝T uρp0 Mλμcp,(8)可见对于特定的燃烧,火焰传播速度和熄火距离具有一定的相关性.在一定条件下,层流火焰传播速度和熄火距离依赖于燃料特性和燃烧条件.经典燃烧理论从一维火焰的稳定开始研究[11],其前提如下:1)可燃混合气的燃料浓度在火焰传播界限范围内.2)平面波的横截面直径比熄火距离大得多.而在微燃烧中,火焰平面波的横截面直径与熄火距离相差不大,熄火距离的影响必须考虑,因此一维模型不能满足要求,本文采用二维模型研究微燃烧的特点.不考虑浮力的影响,在水平管道内混合气流的速度分布和火焰传播速度呈抛物线型,如图1所示.由图1可见火焰传播速度曲线和混合气流动速度曲线存在无交点、相切一个交点、相交两个交点3种情况.由上面公式推导可知在一定条件下,可把火焰传播速度看作定值.当预混气体流速u n很高时,两条曲线无交点,如图1(a),在该情况下,燃烧不能稳定,容易发生吹熄现象.随着u n的降低,两条曲线会首先相交于管道中心,如图1(b),存在u n=S L的9711第7期张永生,等:微燃烧稳定性分析和微细管道燃烧实验研究图1 二维火焰模型Fig.1 Two 2dimensional flame 2burning model条件,但这样的情况并不稳定,外界条件的波动随时有可能破坏相等的条件.当u n 继续降低,则在图上看到两条曲线有两个交点,如图1(c ),对管道而言在管道内有一个圆环区域火焰传播速度与混合气流速相等,这就保证了能够稳定燃烧.同时可以看到,如果仅仅考虑熄火距离,无论预混气体流速多么低,总存在火焰稳定的区域.但是在实际微细管道的燃烧中,当预混气体流速较低时,散热所占的比重增大,反应产生的热量不能维持燃烧的稳定,也会导致熄火的发生.文献[9]分别以氢气、乙炔和空气预混燃烧,实验现象表明微细管道与大通道燃烧相比,易于吹熄不易于回火.文献[6]实验表明在直径为2.2mm 的微细管道中,当预混气体流速较低时,发生熄火现象但不发生回火现象,在高流速下发生吹熄现象.这些实验证实了此二维模型能够正确地解释微尺度下的燃烧现象.图2 实验系统图Fig.2 Schematic of system setup2 实验系统为对微燃烧机理有进一步的理解,作者设计了微细管道内氢气2空气预混燃烧实验装置,如图2所示.空气和氢气经过充分混合通入内径为2mm 、外径为6mm 的T 型微细石英管中,如图3所示,通过10kV 的高电压在管内产生电火花点燃混合气,管内火焰的最高温度通过S 型直径为0.35mm 的铂铑10———铂热电偶测量,管外壁表面温度用N EC9100VW 热像仪测量,烟气通过气相色谱仪GC Trace2000分析.图3 微细管道结构示意图Fig.3 Schematic of microscale tube3 实验结果和分析燃烧实验时封闭管道水平部分较短的一端,气流从管道竖直部分进入,从水平部分较长的一端流出.实验发现,在小流量、低流速下难以点火.随着流量的增大,在一定条件下,在稍大的流量下可以燃烧,但燃烧温度较低.在此条件下再调小流量后,很容易发生熄火.持续增大混合气流量,发现燃烧可以在较高的温度下发生.由于采用了T 型结构,利用高温回流热气体保持了点火所必须的能量,而且混合气体在管道拐角处具有较大的速度梯度,使得u n =S L 比较容易实现,燃烧能够稳定在管道拐角处,不易发生吹熄现象.有意思的是在实验中观察到当混合气流速为15m/s 、反应化学计量比Φ为2.9时,会出现两个火焰中心,一个在T 型管道拐角处预混燃烧,一个在管道出口处扩散燃烧.这可能是因为大化学计量比下氢气较多,在管内不能全部反应.但是在高速度、大流量下由于参与反应的燃料较多,燃烧放热较多,燃烧温度较高.而同时高流速下较短的管道来不及散热,这样预热了的未反应的高温氢气一旦遇到环境空气中的氧气时就又会发生反应.图4为在不同氢气流量下管内火焰温度随化学计量比的变化曲线,其中q V H 2表示氢气体积流量,图中曲线为拟和曲线.可见同一氢气流量下,在氧气稍微过量时存在最高温度.同一化学计量比下随着q V H 2的增加温度也增加,这是由于参加化学反应的811浙 江 大 学 学 报(工学版) 第40卷 图4 管内火焰温度Fig.4 Plot of flame temperature in tube氢气和氧气增加,反应放热增多的原因引起的.同时随着Φ远离当量反应附近,偏离得越远,温度下降的越多,这可能是因为预热过量的空气或者氢气需要的热量增加从而使得温度下降,这与多孔介质预混燃烧的结果较为一致[12].图5中坐标零点为管道烟气出口,由图可见管内尤其是在火焰中心附近温度梯度很大,而由于管道热传导的原因,管道外壁面温度变化较为平缓.可以预测,随着管道壁面的变薄,管道外壁面温度分布曲线形状趋近于管道内部温度分布曲线.图5 管道轴向管内和外壁温度对比图Fig.5 Contrast temperature of tube interior and surface燃烧效率η是衡量燃料是否完全燃烧和评价燃烧器性能的重要指标,其计算公式如下:η=1-m r /m b .(9)式中:m r 为反应后氢气质量,m b 为反应前氢气质量.在流量较小,流速较低的情况下,燃烧能够完全反应.例如当固定氢气流量为92×10-4m 3/h ,化学计量比从0.24～1.0变化时,测得燃烧都发生完全反应;当固定化学计量比为0.72,混合气速度从0.58～14.57m/s 变化时,也可以发生完全燃烧.可见当预混气体流速较低时,能够完全燃烧.但是随流速的增大和偏离完全燃烧化学计量比,燃烧效率会降低.图6为固定预混气流速为15m/s 时对应的燃烧效率,由图可见在此情况下燃烧难以完全反应.这是因为当预混气体流速较高,例如为15m/s 时,预混气体从着火处开始在管内停留时间远小于5.3ms ,而由于停留时间很短,部分氢气和空气中的氧气还来不及反应就被吹出管道,所以导致了燃烧效率降低较严重.图7为在q VH 2为183×10-4m 3/h 下的燃烧效率,在此情况下对应的混合气流速如表1所示,从而可以看到当量在接近完全燃烧而混合气流速不太高的时候燃烧效率存在峰值,接近完全燃烧.图6 固定速度时的燃烧效率Fig.6 Plot of combustionefficiency图7 固定氢气体积流量时的燃烧效率Fig.7 Plot of combustion efficiency as hydrogen flux fixed表1 当q VH 2=183×10-4m 3/h 时对应的混合气流速Tab.1 Mixture gas velocity as hydrogen flux at 183×10-4m 3/hΦu /(m ・s -1)Φu /(m ・s -1)0.2416.650.96 4.480.488.54 1.20 3.670.725.831.672.744 结 论本文建立了二维微尺度火焰燃烧模型,在此模型中对燃烧稳定性进行了分析.在2mm 内径的微细T 型管道中通入了氢气和空气的预混气体进行预混燃烧实验,测试了燃烧的火焰温度、流量和燃烧效率的关系.得到如下结论:(1)在微尺度下火焰稳定性的分析中,考虑散热和熄火距离的影响,建立了二维火焰燃烧模型,由分析可知在微尺度下容易发生熄火和吹熄,不容易发生回火.(2)采用T 型管道有利于维持火焰的稳定,在管道拐角易于形成稳定的火焰,不容易被吹熄.(3)低流速下,燃烧效率较高,可以完全反应.高1811第7期张永生,等:微燃烧稳定性分析和微细管道燃烧实验研究流速下,混合气来不及在管道内反应,燃烧效率较低.无论流速的高低,在化学计量比附近燃烧,其效率较高.(4)在一定化学计量比、稳定燃烧情况下,火焰温度随燃料气流量的增大而升高.参考文献(R eferences):[1]EPSTEIN A H,SENTURIA S D,Macro power from mi2cro machinery[J].S cience,1997,276:1211.[2]MEHRA Amit,ZHAN G X in,Ayón Arturo A,et al.Asix2wafer combustion system for a silicon micro gas turbine engine[J].Jou rnal of Microelectrom ech anical Systems, 2000,9(4):517527.[3]KE LVIN F U,KNOBL ICH A J,MARTINEZ F C,et al.Design and experimental results of small2scale rotary engines[C]∥P roceedings of2001I nternational M ech anical E ngi2neering C ongress and E xposition.New Y ork:ASME,2001: 1116.[4]OCHOA F,EASTWOOD C,RONNEY P D,et 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