燃烧科学与技术

Journal of Combustion Science and Technology

2019，25(1)：011-015 DOI 10.11715/rskxjs.R201809019

小尺度燃烧器壁面热性能对火焰稳定性的影响

康  鑫 1, 2 ，邓友程 2 ，范爱武 3

(1.  武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070；2.  武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉 430063；

3.  华中科技大学能源与动力工程学院，武汉 430074)

Impact of Wall Thermal Properties on Flame Stability of Small-scale Combustors

Kang Xin1, 2 ，Deng Youcheng2，Fan Aiwu3

(1. School of Civil Engineering and Architecture，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070 ，China； 2. School of Energy and Power Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063 ，China；

3. School of Energy and Power Engineering，Huazhong University of Science

and Technology，Wuhan 430074 ，China)

Abstract ：In this study, we performed two sets of experiment to investigate conditions that would improve the flame stability of small-scale combustors by adjusting the thermal properties of walls. In the first experiment, we used porous media combustion technology to study the effects of the thermal conductivities of different wall mate- rials (silicon and quartz) on the flame stability. We found that although two types of wall materials had the same low-velocity limit, the silicon combustor with higher thermal conductivity had a higher high-velocity limit than the quartz combustor, which stabilized the flame on porous media to prevent blow-off extinction. In the second experi- ment, we investigated the performance of a pyrolytic graphite combustor with respect to its thermally orthotropic properties. For comparison, we also studied the performance of the conventional isotropic material stainless steel 316.  The  results  showed  that  the  pyrolytic  graphite  combustor  exhibited  wider  flame-stability  limits  than  the stainless steel combustor, due to its enhanced stream-wise heat conduction and reduced span-wise heat loss.

Keywords：microscale combustion ；flame stability limit ；porous media combustion ；orthotropic material

氢气和烃类化合物在微小尺度下的燃烧有着广 泛的应用前景，例如便携式能量系统和微型火箭推进 器．与传统的电化学电池相比，小尺度燃烧具有极高 的能量密度(两个数量级以上)、立即的可再充性(只 需更换燃料元件盒)，良好的环保性能(没有废弃物的 处理问题)[1]．另一方面，微小尺度的燃烧器在未来的 应用也面临着技术挑战．最显著的问题是燃烧器尺 寸缩小带来的被放大的表面热损失效应，以及被缩短 的流动迟滞时间．这些问题可能导致火焰燃烧不稳 定，甚至导致火焰的熄灭[2].

因此，小尺度下的火焰稳定性问题在领域内引起 广泛的关注和兴趣．Kim 等[3]实验研究了一种“瑞士 卷”(“Swiss  Roll ”)小型燃烧器，高温燃烧产物通 过螺旋形流道的固体壁面对低温未燃预混气进行预 热，达到了提高燃烧稳定性、扩大可燃范围的目的. Wan  等[4-5]提出了在微尺度燃烧器内装置钝体来提高 火焰吹熄极限的方法，其机理在于钝体后部的涡街能 提供一个稳定的反应区域，在高速情况下能使火焰稳 定在钝体后方．并通过实验和模拟发现了燃烧器中 的凹腔对火焰稳定性的正面作用．即凹腔中的流动 循环和低速区域、优先扩散效应以及上游凹腔内壁面 对气体的预热作用是火焰稳定性提高的主要因素. 而关于多孔介质燃烧，在微尺度燃烧中也有着广泛的 研究[6-7]．由于燃烧器通道内的多孔介质能够存储燃 烧放热，进而对未燃气体预热产生作用， 因此能有效 地稳定火焰以及扩大稳燃区域．此外，Kang 等[8]模拟 研究了在甲烷/空气预混火焰中掺入少量氢气或一氧 化碳对微尺度火焰行为的影响．结果发现在掺杂情 况下，由于一些重要基元反应的强化导致燃烧放热率 增强，最终有效地抑制了火焰的振荡性.

上述工作主要通过改变燃烧器结构(如在燃烧器 内安装钝体或加工出凹腔)，加入多孔介质辅助手段 或者调整燃料组分(掺杂少量其他燃料)来改进燃烧 的稳定性．另一方面，燃烧器本身的热物理性质对内 部火焰的行为也有着重要的影响．Veeraragavan  等[9] 通过理论研究发现从火焰下游区域向上游区域通过 燃烧气体及固体壁面的导热是火焰稳定的决定性因 素．Federici  等[10]通过数值模拟发现高导热率的固体 内壁能通过其轴向导热，提供对未燃气体的预热作 用，从而有效地稳定火焰．由于文献中的这些理论和 数值模拟研究指出了燃烧器本身的导热性对小尺度 下火焰的稳定有着关键性的影响， 因此，笔者在本文 中从实验研究的角度，通过调整小尺度燃烧器的热性 能达到改善其稳燃性能的目的.

1   实验装置与方法

图 1  展示了实验装置示意图．整个系统由甲烷 和空气供气瓶、质量流量控制器、管式气体混合器、 箱体气体混合器以及小尺度的燃烧器组成．各个部 件由 Swagelok  不锈钢管道以及卡套管接头连接．由 Sierra Instruments 公司生产的流量控制器精度为满量 程(甲烷 1 000 mL/min，空气 10 000 mL/min)的±1%. 通过流量控制器，可以调节燃烧器内未燃混合气的速 度和当量比.

图 1    实验装置示意

Fig.1   Schematic of experimental setup

燃烧器本身是由两块高 80 mm×宽 60 mm×厚 2mm  的平行平板(作为燃烧器壁面)组成，实验中的 燃烧反应在两块平板之间的通道内进行．这两块平 板安装在可移动的支撑板上，通过移动支撑板可以调 节平板之间的距离．两块陶瓷材料从侧面夹住平行 平板，并提供热绝缘．甲烷和空气经过管式及箱体混 合器预混后，穿过燃烧器下方的不锈钢铁丝网， 以均 匀的速度分别进入燃烧器．同时，这个不锈钢铁丝网 也起到了防止燃烧过程中回火的作用.

本文共进行了两个实验，以探讨燃烧器壁面热性 能的调整对其稳燃性能改善的作用．高性能的红外 线照相机 FLIR A655(分辨率 640×480)在实验中被 用来测量燃烧器外壁面的温度分布，从一个侧面表征 燃烧器的性能.

第 1 个实验采用了多孔介质燃烧技术， 并比较了 不同导热率的燃烧器壁面材料对稳燃性的影响．多 孔介质材料能以额外的固体导热方式，增强从火焰下 游往火焰上游的传热，来预热新进未燃气体， 以达到 有效稳定火焰的目的．图 2  展示了本文中使用的碳

化硅(SiC)多孔泡沫材料．两块高 50 mm×宽 25 mm×  厚 1.7 mm 的多孔泡沫被组合成一个整体(高 80 mm×  宽 50 mm×厚 1.7 mm)后插入通道内， 紧靠燃烧器内 壁面的一侧．实验 中平板燃烧器间距被固定在 3.5 mm，该间距是能使火焰紧贴在多孔泡沫上的最小 距离，因为火焰需要一定的空间进行传播(对此间距 为 3.5 mm-1.7 mm ＝ 1.8 mm)．对于更小的平板间距， 发现火焰不能贴在多孔泡沫上，而是坐落在泡沫的上 方(高度方向)．两种不同的材料，硅和石英被用作燃 烧器的壁面材料．硅是近年来微机电系统(MEMS)中 最为流行的使用材料，而石英由于其透明可视性也被 广泛用于实验研究中以观测燃烧器内部情况．由于 这两种材料在导热性能上有着较大的差别，在常温下 石英导热率仅为硅材料 的 1/16(10 W/(m  · K) vs  160 W/(m ·K)[11]，笔者认为可以较为明显地比较研 究燃烧器壁面导热率对其稳燃性的影响.

本文中第 2  个实验使用了各向异性材料作为燃 烧器的壁面材料．Norton  等[12]在他们的数值模拟研 究中指出，燃烧器壁面导热性对火焰稳定起着双面性 的作用，燃烧器固体壁面沿流向的导热有利于火焰的 稳定，而垂直壁面方向上的导热会增大热损失，甚至 导致火焰熄灭．因此，笔者研究一种各向异性的材料 对燃烧器性能的影响， 其沿流向导热率远大于壁面法

向导热率， 在增强流向导热的同时，减小法向热损 失．在这个实验中，笔者使用了各向异性的热解石墨 材料，作为对比，对各向同性的不锈钢 316  常规材料 燃烧器也进行了研究．表 1  列出了热解石墨与不锈 钢 316 的物性参数[13]．由表 1 可以看出， 热解石墨有 着高度的各向异性，在常温下其切平面(沿燃烧器流 向)方向的导热率是法向上的一百倍．另外，不锈钢 的热扩散率(导热率/密度/比热容)与热解石墨相当 (常温下 0.03 cm2/s vs 0.02 cm2/s)，因此是一个很好的 参考基准．在该实验中没有使用多孔介质材料，燃烧 器平板间距被固定在 2mm.

2   实验结果与讨论

2. 1   结合多孔介质燃烧技术，不同壁面材料燃烧器

的稳燃效果

由实验 1  的结果发现， 对于当量比为 1  的甲烷/ 空气预混气体， 当燃烧器进口流速 Uin  低于同一个速 度极限 37 cm/s  时，火焰在石英和硅材料燃烧器中首 先经历了一段时间的不稳定振荡，最终被熄灭．这是 因为在低流速下能量输入不足，不能补偿燃烧器外壁 面热损失，所以燃烧无法稳定进行．当进口流速接近 (但略高于)这个低速极限时，火焰在靠近燃烧器入口 的位置稳定燃烧，因为预热长度(从燃烧器进口至火 焰位置)十分有限，不同材料燃烧器壁面的热循环对 未燃气体的预热作用差别很小．因此，石英和硅材料

燃烧器具有相同低速极限，继续降低进口流速，火焰 将熄灭.

另一方面，石英壁面燃烧器在气体进口速度大于 51 cm/s 时，碳化硅多孔泡沫无法稳定住火焰， 火焰将 坐落在多孔泡沫的上方．而对于硅材料燃烧器，发现 在更高的进口流速下，多孔介质材料仍能稳定住火 焰．直到本实验测试的最高进口流速 Uin ＝77 cm/s， 火焰仍紧贴着多孔泡沫材料．由于该速度已接近流 量控制器满量程，实验中没有进一步提高燃烧器进口 流速．硅材料燃烧器比石英材料有着更大的高速极 限的原因在于，从燃烧器火焰下游区域往上游区域的 热传导在高导热率的硅材料壁面中被极大地增强 了．与接近低速极限时的情况不同，当进口流速朝向 高速极限增大时，火焰在远离燃烧器进口的位置，使 得未燃气体在进口到火焰位置的较长距离内被预热，

与各向同性不锈钢 316  燃烧器的稳燃区间．稳燃区 间是指在两个当量比极限和两个速度极限之间的区 域．在当量比极限和低速极限之外，火焰发生熄灭. 在高速极限之外， 火焰被吹出燃烧器.

图 4   与不锈钢 316 相比，热解石墨燃烧器被扩大的稳燃 极限

Fig.4   Extended  flame  stability  limits  of  the  pyrolytic

graphite combustor ，as compared to those of the stainless steel 316 combustor

由图 4 可见，两种材料燃烧器有着相同的当量比 极限，低于贫油极限(当量比 0.8)或高于富油极限(当 量比 1.25)时，均会发生火焰熄灭现象．然而，与不锈 钢 316 相比，热解石墨燃烧器明显有着更大的速度极 限．如同前文分析，这是因为在沿流向高导热率作用 下，燃烧器固体壁面从火焰下游区域往上游区域的热 传导被极大地增强．从而，燃烧器壁面对未燃气体提 供了更大的预热量， 因此增大了火焰传播速度，提高 了火焰吹出极限．另一方面，虽然在低速条件下燃烧 器表面热损失是导致火焰不稳定性的关键因素[12]， 然而由于实验中燃烧器壁面的厚度有限(2mm)，两 种燃烧器材料在低速极限上的差别并不明显．实验 结果表明，壁面法向上低导热率的热解石墨仅能有限 地减少热损失， 在富油侧稍微降低了低速极限.

另外，各向异性材料热解石墨由于其极高的导 热性，在实验中被火焰加热之后有着非常均匀的温度 分布，如图 5  所示．这能有效避免燃烧器壁面“热

（a ）实验前                 （b）实验中

图 5   实验前热解石墨材料的实物照片及在实验中被火 焰加热后的红外热像                                            

Fig.5   Photograph of the pyrolytic graphite plate before

experiment，and infrared image of the plate heated by the flame

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点”的出现，从而避免材料在高温下失效．从能量转 化的角度来说，这种均匀的壁面温度分布对提高热电 (thermoelectric)系统转化效率(将燃烧器表面的热能 通过热电效应转化为电能)非常有利[15].

3   结   论

本文从调整小型燃烧器热性能的角度出发，对改 善其稳燃性能进行了研究，一共进行了两个实验．第 1  个实验采用多孔介质燃烧技术， 比较研究了不同导 热率的壁面材料对燃烧器稳燃性的影响．第 2  个实 验探索了各向异性材料热解石墨燃烧器的性能.

(1) 不同燃烧器壁面材料由于其导热率的差异， 在稳燃性上有着很大区别．相较于石英材料，更高导 热率的硅材料能提供更大的预热量，增大了火焰传播 速度，从而能与更高的进口流速达到平衡，使火焰稳 定在多孔介质材料上.

(2) 与各向同性不锈钢 316 燃烧器相比， 各向异 性热解石墨燃烧器的固体壁面从火焰下游区域往上 游区域的热传导在沿流向高导热率的作用下被极大 增强，而同时壁面对环境的热损失由于其法向上的低 导热率有效减少，从而导致热解石墨燃烧器有着更大 的稳燃区间.

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