氢-空气预混火焰传播实验与数值研究 肖华华.doc

中国工程热物理学会 燃烧学 学术会议论文 编号：114083 氢/空气预混火焰传播实验与数值研究 肖华华，王青松，孙金华，沈晓波 （中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230027） （Tel：0551-3606425, Email: sunjh@ustc.edu.cn） 摘 要 为揭示氢/空气预混火焰传播特性和验证基于大涡模拟的“多现象”燃烧模型，运用高速纹影、压力传感器和大涡模拟技术研究了封闭管道中氢/空气预混火焰传播行为与特性。在实验和模拟中火焰均经历了连续的火焰动力学变化，火焰发生反转后其传播速度和压力上升均出现周期性振荡现象。通过火焰形状、特征位置及压力变化的对比，可知数值模拟很好地再现了实验中观察到的主要现象，说明所用燃烧模型适于小尺度火焰传播的研究及工程应用。 关键词 纹影；预混火焰；大涡模拟；多现象燃烧模型；Tulip火焰 0 前言 氢能具有清洁、高效等优点，是应用前景广阔的新能源。氢能的利用主要有燃料电池和内燃机两种形式。同时氢气在目前的工业生产中也有广泛应用。然而由于其自身独特性质，如较大燃烧范围、易泄漏性、极低点火能以及清脆等，使得氢气很容易发生泄漏、火灾和爆炸等事故。保证氢气在生产、储运和使用中的安全是实现氢能工业化的重要前提。因此，从能源利用和安全生产角度来看开展氢气燃烧特性的研究十分必要[1-4] 。 封闭管道中预混火焰燃烧动力学是与内燃机研究相关的重要基本燃烧现象，同时也代表爆轰波的前期火焰加速行为[2, 5]。因此管道中火焰传播行为及其与流动的相互作用获得了广泛的研究。由于流体动力学不稳定性，管道中的火焰通常不能以平面形式传播。大量的实验和数值研究表明预混火焰在封闭管道中传播时其火焰形状和特性将发生一系列连续而复杂的变化。Ellis[6]于1928年首次发表了管道中预混火焰不规则传播的实验图片，他发现在长宽比大于2的圆形管道中传播的预混火焰前锋会发生迅速而显著的变化，火焰由向未燃气体凸起的形状突然发生反转形成向已燃区凹陷的形状。这种奇特火焰现象被称为“Tulip”火焰[7]。此后，大量关于“Tulip”火焰的实验、理论及数值模拟研究相继展开，并有多种机理解释被提出。Dunn-Rankin 等人[8]观察到“Tulip”火焰的形成与火焰接触管壁发生在同一时刻，在实验结合数值模拟的基础上提出“Tulip”火焰的形成是由于流体力学不稳定性所致。Clanet 和Searby[9]将“Tulip”火焰传播过程分为四个阶段并定量描述了各阶段的火焰动力学特性。Matalon 和Metzener[5]认为“Tulip”火焰的成因是火焰前锋附近已燃区的涡旋运动与火焰的相互作用。Kratzel 等人[10]在研究了预混火焰与激波相互作用的基础上同样提出“Tulip”火焰是由火焰前锋附近涡旋运动所 基金项目：本研究受国家自然科学基金项目资助Zhou等人[11]研究了弯管中预混火焰传播特性以及其与管内流动的相互作用，基于此提出“Tulip”火焰的形成是由于火焰面受力不平衡导致的。陈先锋等人[12]通过实验研究了丙烷/空气火焰在半开口管道中的传播特性，提出火焰结构变化是火焰与流动的相互作用的结果，“Tulip”火焰的出现伴随着火焰由层流向湍流转变。 虽然关于管道中预混火焰传播得到了广泛研究，但是火焰传播特性和机理并没有得到充分揭示。另外，关于管道中氢/空气预混火焰传播行为的研究相对较少。本文运用实验与大涡模拟（LES）技术对氢/空气预混火焰在封闭管道中的传播行为进行研究，旨在揭示火焰传播的火焰动力学特性和验证基于大涡模拟的燃烧模型。燃烧模型采用Molkov等人发展的“多现象”燃烧模型[13-16]，该模型主要应用于预混气体爆燃以及爆燃转爆轰（DDT）等问题的数值模拟，能很好地预测层流向湍流燃烧转变的现象，并得到了多组大尺度爆炸实验的验证。然而该模型尚未进行小尺度火焰传播实验验证，特别是火焰形状等细节方面的验证。 1实验装置与程序 实验系统结构如图1所示，由燃烧管道、配气系统、高压点火系统、数据采集系统、高速摄像仪、纹影摄像系统、压力传感器和同步控制系统等组成。纹影系统为标准的Z形结构，主要由点光源（带有直径2mm小孔的碘钨灯）、两个聚焦透镜以及两个圆形凹面镜（焦距为2 m）组成。燃烧管道为一水平放置的方形直管，放置于纹影光路中央， 内部尺寸为82mm×82mm×530mm。平行壁面对于纹影系统来说非常重要[17]，所以在实验中采用方形管道。为了保证良