喷焰爆裂的观察

摘要

引起喷焰爆裂的机理，特别是在空气共流存在的情况下，尚不完全清楚。这项工作检查燃料速度和空气共流在井喷现象的作用，通过检查反应区瞬态行为在防．本文给出了近井喷条件下提升的甲烷-空气扩散火焰的视频成像结果。描述了两种类型的实验。在第一项研究中，火焰以恒定的共流速度在已知的、预先确定的下游位置建立并稳定，然后燃料速度随后增加导致井喷。另一种方法是利用火源维持火焰在井口附近的燃烧，表征了火源移除后井口的瞬态行为。这两种实验的数据都是在不同的共流和喷射速度下收集的。图像用于确定火焰熄灭前反应区前缘的变化，这有助于建立一个基于物理的模型来描述喷射-火焰喷灭。数据表明，轴向火焰枝的预先消失是预测井喷的一致指标。尽管紊流火焰具有固有的可变行为，这还是被证实了。本文还根据文献中混合分数的解析表达式进行了解释，该表达式支持当前缘到达倾斜边界轮廓附近时发生火焰喷灭的概念，这与轴向火焰结构的损失条件近似一致。

1.介绍

在一个特定的燃料速度，气态碳氢化合物喷射火焰将脱离燃烧器，并稳定在一些轴向距离下游。反应区由前导部分预混火焰锋面和未被前导火焰锋面消耗的残余燃料与空气在垂直方向上形成的尾焰扩散火焰组成。扩散火焰没有燃烧速度，所以预混合火焰前沿通常被认为是一个稳定锚。许多研究，如Muñiz和Mungal [1和Watson等人[2- - - - - -4[已经研究过稳定的提升火焰反应区结构，稳定在中度下游位置。如果反应区在下游进一步移动，则最终进入由于低燃料浓度而不能再支持燃烧的区域，并且所有反应突然停止，称为火焰吹出（Kalghatgi [5],皮特[6]，外套[7， Chao等[8，9］.这个词防似乎比有时使用的更具物理描述性排污由于全球反应区似乎没有吹掉喷气机的下游末端，而是局部停止（Liñán和威廉姆斯[10])。由于井喷现象的发生具有突发性和不可预测性，其瞬态特性很难进行实验研究。此外，燃料喷射的大宽度，标量和速度场的小梯度，以及相对较低的燃料浓度值，使得这种情况在许多方面比Watson等人的研究中描述的情况更具挑战性。[2- - - - - -4］.

已经开发了理论以确定控制井喷的机制。对于层流丙烷喷射火焰，Savas和Gollahalli [11]研究了火焰锋面的形状，发现在喷口附近火焰锋面变平(轴向居中盘)，化学发光减弱。喷吹条件取决于燃料和氧化剂的性质以及燃烧器的几何形状。郑及李[12在层流喷射火焰中也表现出类似的现象。对于湍流火焰，Broadwell等人[13]提出，在井喷速度下，燃烧停止，因为没有足够的时间让进入的燃料/空气混合物被夹带的热产品点火。这个工作和其他人(Miake-Lye和Hammer [14]）指向大规模结构在促进热产物运输方面的主要作用。同样地，dahm和dibble [15]从Broadwell等人应用了一个吹出参数。[13[Coflow中的湍流射流，并表明CoFlow速度增加降低了喷射井喷速度。基于特征点火时间和混合时间比率的井喷参数预测正确趋势。最近，汉和鹅驼[16[也提供了对火焰爆裂的观察，但他们的解释集中在在爆裂时反应区无法对进入的反应物反向传播。伯吉斯及劳恩[17， Brown等人[18]，达姆和梅尔曼[19]和蒙哥马利等人。[20.讨论了火焰熄灭的相关因素;Chao等人对这一井喷研究的最新综述[9］.最近，Wu等人。[21[摘要]对井喷附近的火焰进行了报道，并对脉动区域的三重火焰进行了详细的评论，并提出了一种火焰脉动和井喷的机制。

本文对不同共流条件下提升式甲烷-空气扩散火焰井喷现象进行了实验研究。我们没有像过去那样专注于反应区详细的瞬时图像，而是利用了井喷时反应区的时间序列。研究的重点是研究导致全球井喷的瞬态行为。由于井喷突然发生，单次爆破实验技术的局限性，井喷时的瞬时测量非常困难。本文描述了两种类型的实验，试图阐明火焰在井喷过程中的特性，重点是在井喷过程中前缘反应区和尾扩散火焰的行为。给出了上升反应区的一系列数字图像，以及不同燃料和共流速度组合时火焰运动的细节。利用Tieszen等人的化学计量关系讨论了数据的解释[22］.这允许评估过去的理论和发展的物理基础上的概念火焰在紊流射流，并提出了一个新的签名，表明火焰的爆发迫在眉睫。

2.实验装置

这些实验是在北卡罗莱纳州立大学的应用能源研究实验室进行的。使用带有直径3.5 mm燃料喷嘴的垂直喷射火焰燃烧器来输送99%的纯甲烷。该装置提供了上流社会的喷嘴出口处的速度曲线。如图中的原理图所示1，燃料喷嘴被直径为150mm的CoFlowing空气环绕着。通过在记录数据和燃烧器附近的限制活动期间关闭实验室通风来最小化房间电流对火焰装置对火焰装置的影响。提升火焰的高度，h，为火焰前缘最低部分到喷嘴的距离。

在这项研究中，化学发光的图像(Lyons和Watson [23)，利用松下型号PV-GS120摄像机每秒生成30帧(60个交错场)。图像的颜色使用Adobe Photoshop进行了增强。用转子流量计测量燃料速度，用TSI Veloci-calc模型8345风速仪测量共流速度。所使用的最小共流速度为0 m/s，最大共流速度为0.65 m/s。

3。结果与讨论

在两种不同类型的实验中，在不同的条件下获得了甲烷火焰吹出的图像。在第一个系列的实验中，井喷是由稳定提升火焰的流动条件的变化引起的。对于恒定的共流速度，初始燃料速度被设置为允许火焰稳定在喷嘴上方约14.0 cm(或40个喷嘴直径)的提升高度。在第一次实验中使用相同的稳定高度，之所以选择相同的稳定高度，是因为在该高度的反应区是稳定的(即不会自发井喷)，并且对每一个共流速度测试都是紊流。燃料速度随后略有增加，直到发生井喷。这个过程重复了很多次，以确定火焰持续喷出的最低喷射速度。表格1包含数字记录条件的例子，燃料速度是平均值。

表的数据1结果表明，随着共流的增大，喷井所需的甲烷喷射速度逐渐减小。达姆和迪布尔[15提出，井喷时的燃料速度降低是由于局部分子混合速率。在Brown等人的实验中。[18]时，共流速度的变化对火焰的影响更大，火焰进一步下游被稳定，导致火焰喷灭的喷射速度更低。此外，Brown等人的发现[18]证实了当前研究的数据，该数据表明，在给定的共流速度下，火焰有时可以在略低于实验确定的平均喷燃速度的燃料速度下熄灭。在这种情况下(如本研究所见)，共流占主导地位，它往往与射流速度相当，而体积共流速度将反应区带到下游。正如在其他地方讨论的，建议在这个下游位置火焰吹出，因为精益极限是达到的。

对这些实验的图像进行了检查，以确定共流对井喷机理的影响。数字2显示两个序列的火焰进行井喷的序列。图中的图像2(一个)是来自0.3 m/s共流火焰，对应于表第二行数据1．在燃料速度从36.9 m/s增加到41.7 m/s后，顺序开始。0时刻的图像是火焰在稳定提升高度的最后一个图像，紧接着火焰开始向下游移动。火焰从稳定的上升火焰转变为准稳定火焰在井喷的门槛。在这一过渡过程中，扩散火焰的长度随着火焰前缘下游的下降而减小。由于实际火焰的微弱化学发光，这个序列的颜色对比已经增加。蓝色火焰由前缘火焰前沿组成，该前缘火焰锚定尾扩散火焰。在燃料速度改变导致火焰向下游移动后的1.50秒发生井喷。

在第二系列实验中，燃料速度设定在喷燃条件下，由多个试验预先确定，以特定的共流速度。在燃料和共流速度保持不变的情况下，火焰在燃料喷嘴处被重新点燃，并向下游移动，最终熄灭。数字2 (b)展示了一系列从这些实验中得到的图像，这些图像的颜色被倒置并增强，以抵消火焰的微弱。较大的视场包括喷嘴，但在增强图像中不可见。在此过程中，火焰以0.55 m/s共流和34.3 m/s燃料速度从喷嘴重新点燃。3.53 s后，尾扩散火焰的化学发光明显减少，火焰锋前缘向下游移动19.1 cm。在25.1厘米和3.73秒时，扩散火焰不再可见。在火焰完全熄灭之前的0.14秒内，火焰前沿移动了6.7厘米。因此，在没有扩散火焰的情况下，火焰向下游移动的速度要比有扩散火焰时快得多。该系列的最后一张图片显示，在重新点火后3.87秒完成了井喷。

对每种流动条件的重复测试数据显示，从重新点火到井喷所需的时间没有变化趋势。然而，无论共流速度的存在或大小，或用何种方法吹灭，火焰的特征都是相似的。在下游区域，随着扩散火焰的减弱，火焰锋下游的消退速度减小。当不再检测到尾部扩散火焰的化学发光后，前缘(a蓝色的火焰球)增加其下游的衰退速度，直到整个反应完全熄灭。重要的是,如图2显示和其他实验验证，井喷是不在存在轴向定向的扩散火焰时见证。

正如Han和Mungal所建议的[16，化学计量等高线的速度可以被估计，并用来近似燃料射流与周围空气之间的混合量。这速度,U_年代，可以从中计算 在哪里Z_年代为化学计量混合分数(0.055)，U₀喷嘴出口速度，和U_CF是coflow速度。为了测试井喷依赖性，对化学计量轮廓速度，CoFlow和燃料速度变化U_年代仍然是相同的，从0.50米/秒的Coflow和35米/秒的燃料给予U_年代= 2.4 m/s，见表2．尽管从井喷状态开始并保持U_年代不变，火焰的行为就不一致。在最低共流速度下，火焰稳定，在较长时间内没有看到爆裂，尽管燃料速度高于表中的可比火焰1．除了井喷的不可预测性质外，也不能排除实验程序上的差异是造成某些差异的原因。在同流速度最高的情况下，一秒钟内发生井喷。这些行为上的变化预示着井喷缺乏依赖性U_年代．正如Han和Mungal之前的研究所暗示的那样[16和Watson等人[3.]，U_年代是用于估计化学计量轮廓处的轴向速度的有用量已经建立了火焰的部分;已发现火焰的前缘有利于降低速度区域（S_l到3秒钟_l通常少于U_年代．

4.标量场的分析

对湍流甲烷射流火焰标量场的分析表明，火焰的下游形态与局部混合分数的值有一定的相关性。从Tieszen等人使用的方法确定了向静止空气中释放甲烷的标量场[22］.燃料的时间平均质量分数，Y，进入空气中没有共流存在被表示为 这个方程，是甲烷密度比的函数ρ_o和空气ρ_∞喷嘴直径r_o，用来估计下游某一特定位置的燃料浓度z对于给定的径向位置r．它假设自相似性，并来自于通过递减和Dimotakis开发的集中剖面[24，因此不依赖射流速度。化学计量等高线和那些指示5和15%的可燃性极限的甲烷产生的这种方法如图所示3.．如图所示3.随着火焰在下游的两个不同情况下进展，是火焰前沿的轴向位置。因为 （2)是严格有效的，只有当没有共流是存在的，两种情况有零共流速度，但略有不同的燃料速度，因为每一个都是由上述两种不同的技术之一实现的。对于情形1，火焰在速度从46.6 m/s增加到50.4 m/s之前处于稳定的上升位置，从而引起井喷。情况2在喷嘴处重新点燃火焰，燃料速度保持在54.3 m/s不变。病例1和病例2的井喷位置分别为33.8 cm和38.9 cm。

对于这两种情况，当从图像中确定扩散火焰消失时，火焰前沿的下游位置。如图所示3.，病例1的位置为23.6厘米，病例2的位置为25.1厘米。的位置是在5%的甲烷轮廓,暗示混合分数在前缘发现接近均值精益自燃极限轮廓(和移动方向的下游减少混合物分数)当扩散火焰消失,随后爆裂火焰。多次试验的数据证实，扩散火焰的消失发生在5%甲烷等高线附近。用共流空气进行的试验也得到了类似的结果;然而，在结果得到证实之前，有必要对共流情况下的可燃性极限进行更精确的表述。

火焰的时间平均速度分布的方程（也来自Tieszen等。[22)已被检验以验证(2） 在这个研究中。利用粒子图像速度测定颗粒图像速度确定稳定火焰速度的数据与由Tiezen速度关系提供的估计进行比较（Watson等，[3.， Su等[25]和muñiz和mungal [1])。所公布的PIV测量值与(2)，特别是当火焰进一步下游稳定时。这些实验研究都使用平面激光诱导荧光来确定火焰边缘的轴向和径向位置。Watson等人[3.]使用CH激进来定位火焰边缘;因此，由于CH区域朝向中心线的趋势，PIV测量值大于可以使用OH。要考虑到这一点，用于估计富燃烧性限制的位置来估计这些数据集的速度，并且发现了良好的一致协议，下游进一步效果更好。速度估计的协议尽管存在Coflow的存在支持使用类似派生的Tieszen关系（2)为质量分数。

这些发现支持早期基于数字图像的解释，即扩散火焰的减少和最终消失表明井喷的开始。此外，当尾焰扩散火焰消失时，火焰前缘会向混合分数低于5%的下游区域移动，不再可能稳定燃烧。在这种情况下，井喷是迫在眉睫的。

5.结论

从两种类型的实验产生的图像，可以得出一般的结论。如图所示4（a），稳定提升火焰由预混火焰前缘和扩散火焰组成。当火焰前缘向下游移动时，由于燃料处于吹灭速度，扩散火焰长度开始缩短，如图所示4（b）．一旦火焰消失，你就知道了4（c），反应区下游进展，无法稳定，并最终熄灭，图4（d）．

研究结果表明，拖尾扩散火焰，特别是它的消失，是一个有用的函数，作为火焰熄灭的前兆信号。尾部扩散火焰化学发光的损失是井喷即将来临的指示。只有当扩散火焰消失后，才会出现井喷现象。

分析认为爆裂时发生反应的前缘区向下游地区大部分的燃料消耗是燃烧前缘附近的局部,留下小的富油气体进料后扩散火焰,只有大量的非常贫燃料气体。从这个意义上说，井喷可以被看作是一种lean-limit现象(Williams [26[，尤其是格拉斯曼的评论]，这个简单的分析支持了这个猜想，也支持了Wu等人的论文[21，如表所示3.．本文的解释没有明确地说明混合效应(Dahm和Dibble [15]或者速度场考虑（汉和鹅肝[16)，也不与它们相抵触，而是提供了一种基于精简限制的替代方法来描述井喷，并报告一种新的可视可观察指标，该指标与Broadwell等人从一般方法中发展出来的概念相兼容。[13］.

承认

本文报告的研究得到了美国陆军研究办公室（合同W911NF0510045）。

参考

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