合成气层流预混火焰加速效应实验研究

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.09.015

摘要/Abstract

摘要：

利用定容燃烧弹可视化实验平台对合成气层流预混火焰加速效应开展了系统研究.通过调整混合气的当量比和氧氮体积比实现自身不稳定性的解耦控制，在此基础上研究了火焰加速阶段、临界点和火焰加速因子.层流预混火焰的加速传播过程呈现出明显的准稳态、过渡态加速、饱和态加速3个阶段. 4种临界点的先后顺序为：裂纹分裂临界点≈过渡态加速临界点<均匀细胞化临界点≈饱和态加速临界点.饱和态加速阶段的加速因子数值在1.1~1.2之间，并未与Lewis数和密度比呈现出明显的依赖关系.结果表明，火焰自身不稳定性对层流火焰的加速临界点有显著促进作用，但并不会影响饱和态阶段的火焰加速强度.

关键词: 火焰加速传播, 临界点, 加速因子, 层流预混火焰, 合成气

Abstract:

A systematic investigation on accelerative characteristics of syngas laminar premixed flames is conducted using the visual experimental platform of constant volume combustion chamber. The decoupling control of self?instability is realized by adjusting the equivalence ratio and oxygen?nitrogen ratio of gas mixture， allowing for an analysis of flame acceleration stages， onsets， and acceleration exponents. Three distinct stages of laminar flame propagation outwardly are identified， namely quasi?steady， transitional acceleration， and saturated acceleration. The order of four onsets is as follows： crack branching≈transitional acceleration<uniform cellularity≈saturated acceleration. The acceleration exponents in saturated acceleration stage are in the range of 1.1~1.2， showing independent on Lewis number and density ratio. The results indicate that the flame intrinsic instability can have a significant promotion on the onset of laminar flame acceleration， while it does not affect the flame acceleration strength in saturated acceleration stage.

Key words: flame accelerative propagation, onset, acceleration exponent, laminar premixed flames, syngas

中图分类号:

TK 91

赵浩然, 李刚, 王金华, 黄佐华. 合成气层流预混火焰加速效应实验研究[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2024, 45(9): 1334-1341.

Hao-ran ZHAO, Gang LI, Jin-hua WANG, Zuo-hua HUANG. Experimental Study on Accelerative Characteristics of Syngas Laminar Premixed Flames[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2024, 45(9): 1334-1341.

图/表 9

图1 火焰传播纹影图像（p=0.3 MPa，φ=0.8,Tad=2 000 K）

Fig.1 Schlieren images of flame propagation （p=0.3 MPa，φ=0.8,Tad=2 000 K）

表1 实验工况和相关参数

Table 1 Experimental conditions and relative parameters

V_CO/V $H 2$	p/MPa	T/K	φ	T_ad/K	Le_eff	σ	Ma
65/35	0.3	353	0.6~1.0	2 000	0.92~1.03	5.09	2.10~3.46
65/35	0.3	353	1.0	1 600~2 500	≈1	4.19~6.11	2.32~5.26
65/35	0.5	353	0.6~1.0	2 000	0.92~1.03	5.09	2.06~3.51
65/35	0.5	353	1.0	1 600~2 400	≈1	4.19~5.91	2.34~4.78
15/85	0.3	353	0.6~1.0	2 000	0.72~1.08	5.06	-0.93~4.11
15/85	0.3	353	1.0	1 600~2 400	≈1	4.18~5.88	2.12~5.94

表1 实验工况和相关参数

Table 1 Experimental conditions and relative parameters

V_CO/V $H 2$	p/MPa	T/K	φ	T_ad/K	Le_eff	σ	Ma
65/35	0.3	353	0.6~1.0	2 000	0.92~1.03	5.09	2.10~3.46
65/35	0.3	353	1.0	1 600~2 500	≈1	4.19~6.11	2.32~5.26
65/35	0.5	353	0.6~1.0	2 000	0.92~1.03	5.09	2.06~3.51
65/35	0.5	353	1.0	1 600~2 400	≈1	4.19~5.91	2.34~4.78
15/85	0.3	353	0.6~1.0	2 000	0.72~1.08	5.06	-0.93~4.11
15/85	0.3	353	1.0	1 600~2 400	≈1	4.18~5.88	2.12~5.94

图2 不同Lewis数和密度比下的火焰传播阶段

Fig.2 Flame propagation stages under different Lewis numbers and density ratios

图3 不同有效Lewis数下的临界火焰半径

Fig.3 Critical flame radii under different effective Lewis numbers

图4 不同密度比下的临界火焰半径（a）—VCO∶VH2=65∶35，T=353 K，p=0.3 MPa；（b）—VCO∶VH2=65∶35，T=353 K，p=0.5 MPa；（c）—VCO∶VH2=15∶85，T=353 K，p=0.3 MPa.

Fig.4 Critical flame radii under different density ratios

图5 临界Peclet数实验结果（实心点：Pecr3；空心点：Pecr4）

Fig.5 Experimental results of critical Peclet numbers

图6 合成气临界Peclet数经验拟合关系式

Fig.6 Empirical fitting formula of critical Peclet numbers of syngas

图7 加速因子提取模型的评估（a）—火焰半径范围影响；（b）—火焰传播阶段影响；（c）—临界半径误差影响.

Fig.7 Evaluation of acceleration exponent model

图8 不同Lewis数和密度比下的加速因子

Fig.8 Acceleration exponents under different Lewis numbers and density ratios

参考文献 33

1	Sahoo B B， Sahoo N， Saha U K.Effect of H₂∶CO ratio in syngas on the performance of a dual fuel diesel engine operation［J］.Applied Thermal Engineering，2012，49：139-146.
2	雷宇，徐纲，房爱兵，等.燃气轮机合成气燃烧室动态特性的实验研究［J］.工程热物理学报，2005，26（6）：1057-1060.
	Lei Yu， Xu Gang， Fang Ai‑bing，et al.Experimental investigation on the dynamic characteristics of a gas turbine combustor firing syngas［J］.Journal of Engineering Thermophysics，2005，26（6）：1057-1060.
3	Kwon O C， Rozenchan G， Law C K.Cellular instabilities and self‑acceleration of outwardly propagating spherical flames［J］.Proceedings of the Combustion Institute，2002，29（2）：1775-1783.
4	Kim W， Imamura T， Mogi T，et al.Experimental investigation on the onset of cellular instabilities and acceleration of expanding spherical flames［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2017，42（21）：14821-14828.
5	Kim W， Sato Y， Johzaki T，et al.Experimental study on self‑acceleration in expanding spherical hydrogen‑air flames［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2018，43（27）：12556-12564.
6	Law C K， Jomaas G， Bechtold J K.Cellular instabilities of expanding hydrogen/propane spherical flames at elevated pressures：theory and experiment［J］.Proceedings of the Combustion Institute，2005，30（1）：159-167.
7	Jomaas G， Law C K， Bechtold J K.On transition to cellularity in expanding spherical flames［J］.Journal of Fluid Mechanics，2007，583：1-26.
8	Liu F S， Bao X C， Gu J Y，et al.Onset of cellular instabilities in spherically propagating hydrogen‑air premixed laminar flames［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2012，37（15）：11458-11465.
9	暴秀超，刘福水，张正芳.不同初始压力下氢气燃烧的胞状不稳定性及自加速性［J］.燃烧科学与技术，2014，20（1）：38-43.
	Bao Xiu‑chao， Liu Fu‑shui， Zhang Zheng‑fang.Cellular instability and self‑acceleration of hydrogen combustion at various initial pressure［J］.Journal of Combustion Science and Technology，2014，20（1）：38-43.
10	Xie Y L， Wang J H， Cai X，et al.Self‑acceleration of cellular flames and laminar flame speed of syngas/air mixtures at elevated pressures［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2016，41（40）：18250-18258.
11	Bauwens C R， Bergthorson J M， Dorofeev S B.Experimental study of spherical‑flame acceleration mechanisms in large‑scale propane‑air flames［J］.Proceedings of the Combustion Institute，2015，35（2）：2059-2066.
12	Okafor E C， Nagano Y， Kitagawa T.Experimental and theoretical analysis of cellular instability in lean H₂-CH₄-air flames at elevated pressures［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2016，41（15）：6581-6592.
13	Katsumi T， Aida T， Aiba K，et al.Outward propagation velocity and acceleration characteristics in hydrogen‑air deflagration［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2017，42（11）：7360-7365.
14	Kim W K， Mogi T， Kuwana K，et al.Self‑similar propagation of expanding spherical flames in large scale gas explosions［J］.Proceedings of the Combustion Institute，2015，35（2）：2051-2058.
15	Wang G Q， Li Y Y， Li L，et al.Experimental and theoretical investigation on cellular instability of methanol/air flames［J］.Fuel，2018，225：95-103.
16	陈雪阳.富氢燃烧球形膨胀火焰不稳定性与胞状化特性研究［D］.武汉：华中科技大学，2019.
	Chen Xue‑yang.Study on instability and cell characteristics of spherical expansion flame with hydrogen‑rich combustion［D］.Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2019.
17	胡二江，何佳佳，黄佐华，等.氢气-空气-稀释气混合气层流燃烧速度的测定和火焰稳定性分析［J］.科学通报，2008，53（20）：2514-2525.
	Hu Er‑jiang， He Jia‑jia， Huang Zuo‑hua，et al.Measurement of laminar combustion velocity and flame stability analysis of hydrogen‑air‑diluent gas mixture［J］.Chinese Science Bulletin，2008，53（20）：2514-2525.
18	Yang S， Saha A， Wu F J，et al.Morphology and self‑acceleration of expanding laminar flames with flame‑front cellular instabilities［J］.Combustion and Flame，2016，171：112-118.
19	Cai X， Wang J H， Zhao H R，et al.Flame morphology and self‑acceleration of syngas spherically expanding flames［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2018，43（36）：17531-17541.
20	Cai X， Wang J H， Bian Z J，et al.On transition to self‑similar acceleration of spherically expanding flames with cellular instabilities［J］.Combustion and Flame，2020，215：364-375.
21	Gostintsev Y A， Istratov A G， Shulenin Y V.Self‑similar propagation of a free turbulent flame in mixed gas mixtures［J］.Combustion，Explosion and Shock Waves，1988，24（5）：563-569.
22	Wang J H， Xie Y L， Cai X，et al.Effect of H₂O addition on the flame front evolution of syngas spherical propagation flames［J］.Combustion Science and Technology，2016，188（7）：1054-1072.
23	Wu F J， Jomaas G， Law C K.An experimental investigation on self‑acceleration of cellular spherical flames［J］.Proceedings of the Combustion Institute，2013，34（1）：937-945.
24	Bradley D， Cresswell T M， Puttock J S.Flame acceleration due to flame‑induced instabilities in large‑scale explosions［J］.Combustion and Flame，2001，124（4）：551-559.
25	Bradley D， Sheppart C G W， Woolley R，et al.The development and structure of flame instabilities and cellularity at low Markstein numbers in explosions［J］.Combustion and Flame，2000，122（1/2）：195-209.
26	孙作宇，刘福水，暴秀超.球形氢气层流预混火焰传播特性研究［J］.工程热物理学报，2013，34（12）：2413-2417.
	Sun Zuo‑yu， Liu Fu‑shui， Bao Xiu‑chao.Propagation characteristics of spherical laminar hydrogen‑air premixed flame［J］.Journal of Engineering Thermophysics，2013，34（12）：2413-2417.
27	Filyand L， Sivashinsky G I， Frankel M L.On self‑acceleration of outward propagating wrinkled flames［J］.Physica D：Nonlinear Phenomena，1994，72（1/2）：110-118.
28	Ashurst W T.Darrieus‑Landau instability，growing cycloids and expanding flame acceleration［J］.Combustion Theory and Modelling，1997，1（4）：405-428.
29	Liberman M A， Ivanov M F， Peil O E，et al.Self‑acceleration and fractal structure of outward freely propagating flames［J］.Physics of Fluids，2004，16（7）：2476-2482.
30	Davis S G， Joshi A V， Wang H，et al.An optimized kinetic model of H₂/CO combustion［J］.Proceedings of the Combustion Institute，2005，30（1）：1283-1292.
31	Burke M P， Chen Z， Ju Y G，et al.Effect of cylindrical confinement on the determination of laminar flame speeds using outwardly propagating flames［J］.Combustion and Flame，2009，156（4）：771-779.
32	Chen Z， Burke M P， Ju Y G.Effects of Lewis number and ignition energy on the determination of laminar flame speed using propagating spherical flames［J］.Proceedings of the Combustion Institute，2009，32（1）：1253-1260.
33	Addabbo R， Bechtold J K， Matalon M.Wrinkling of spherically expanding flames［J］.Proceedings of the Combustion Institute，2002，29（2）：1527-1535.

[1]	尚融雪，万嵩，杨红霞，李刚. CO₂和N₂惰化条件下合成气可燃下限实验研究[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2019, 40(8): 1191-1196.
[2]	尚融雪，李刚，张培红. 水蒸气对合成气层流火焰传播特性的影响[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2017, 38(10): 1496-1500.
[3]	吴春俐;胡文娟;阚如文;于健;. 一种改进的磁共振并行成像k空间数据采集算法[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2011, 32(8): 1101-1104+1110.
[4]	李文泽;张宝砚;肖林久;杨瑞芹;. CO/CO_2/H_2低温合成甲醇新工艺及催化剂研究[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2009, 30(1): 113-116+124.
[5]	宋叔尼;刘霞;. 一类含渐近线性的奇异椭圆边值问题正解的存在性[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2007, 28(10): 1514-1516+1520.
[6]	朱志良;焉德军;朱伟勇. 复迭代映射z_(n+1)=_n~m+c的广义Mandelbrot集[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2000, 21(5): 469-472.
[7]	刘向东;赵雅明;朱伟勇. 含参有理函数族M集的拓扑不变特性[J]. 东北大学学报(自然科学版), 1999, 20(6): 576-579.
[8]	焉德军;周福才;朱伟勇. 一般复三次迭代的动力学分析[J]. 东北大学学报(自然科学版), 1999, 20(2): 4--.