吹截止极限附近火焰蔓延的连续转变的实验研究

抽象的

本研究通过使用扩展固体燃料管道，研究了通过使用膨胀固体燃料管道在轴向上分布氧化剂速度的固体燃料管道释放燃烧限制附近的连续过渡到相对的强制流动附近的稳定燃烧。稳定的燃烧是出现在轴向注射端燃烧的混合火箭中的扩散火焰。尚未详细研究了火焰涂布和稳定燃烧之间的边界。使用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）矩形管道用作燃料，并使用气态氧作为氧化剂。所有烧制测试都在大气压下进行。在氧化剂速度在上游方向上连续增加的相对流场中行进的扩散火焰。当火焰尖端处的氧化剂速度超过一定值时，燃烧模式改变。本实验中使用的氧化剂速度范围为0.6至32.8m / s。实验结果表明，可以确定转变的阈值氧化剂速度。在该研究中，阈值速度为26.4 m / s。

1.介绍

火焰在可燃固体上扩散成相反的氧化剂流已被许多研究者研究过[1］．在流速足够大的反向流动中(如20m /s)，由于气体混合物在流动中的停留时间不足，在可燃平板上扩散火焰熄灭或无法点燃。然而，在狭窄的燃料管道中，Hashimoto等人[2]观察到，当相对氧化剂流动速度足够高时，扩散火焰并不熄灭，并在扩大燃料的同时缓慢地向上游方向移动。这种燃烧模式称为稳定燃烧(见图)1)．在这种燃烧模式中，火焰行进速度（或火焰扩散速率）是火焰通过燃料消耗扩大管道的速度。因此，火焰传播率（V_f例如，与火焰扩散燃烧相比，显着低，例如，V_f= 0.7 mm/s稳定燃烧和V_f= 5.5 mm/s，在大气压、内径为2mm的PMMA和纯氧条件下进行火焰蔓延燃烧[2］．因此，燃烧模式可以通过火焰蔓延速度和/或燃料回归形状来区分。

已经研究了火焰膨胀燃烧和稳定燃烧之间的边界。hashimoto等。表明，两个燃烧模式之间的边界处的摩擦速度是湍流的恒定[3.］．至于Laminar Flow，Matsuoka等人。［4表明边界处的摩擦速度是恒定的。他们还指出，恒定的摩擦速度导致边界处的临界Damköhler数(Da)恒定，因此，向稳定燃烧过渡的现象在物理上与放空现象相同。

稳定燃烧已用于一种新型混合火箭。我们“一直”在研究混合火箭，轴向喷射末端燃烧混合火箭(EBHR)，它使用圆柱形燃料，有许多小端口阵列在轴向运行，氧化剂气体通过这些端口流动[5- - - - - -7］．在每个出口保持稳定的燃烧。燃料退化由于这些扩散火焰的燃料端面(末端燃烧)的热输入。研究表明，在某些情况下，由于稳定燃烧模式突然转变为火焰蔓延燃烧模式，末端燃烧无法持续，这可能是由于气孔精度的影响。这就是所谓的回火问题。因此，从EBHR发展的角度来看，稳定燃烧过渡的研究是非常重要和有趣的。

通过导电在每个实验中进行燃烧实验，研究了每种燃烧模式上的端口中的氧化剂流速的影响，其中氧化剂流速在每个实验中恒定[2- - - - - -4］．由于上述试验着重研究了出现稳定燃烧的条件，只能对火焰蔓延速率与氧化剂流量之间的关系进行离散研究，没有详细考察火焰蔓延燃烧向稳定燃烧模式的转变。因此，在本研究中，我们重点研究了火焰在吹灭极限附近的蔓延过渡。为了观察从扩焰燃烧到稳定燃烧的转变，采用了流速不断增大的扩焰管道。

2.材料和方法

2．1．燃料(试样)

燃料管道的设计是为了产生相反的流动配置，其中氧化剂的速度在上游方向不断增加。燃料形状如图所示2，其尺寸在表中指定1．燃料管道的宽度在轴向方向上是均匀的，而管道的高度以1度的角度增加，导致适当的轴向氧化剂速度分布。由于管道形状，氧化剂流速随着下游流动而减小。由于在下游点燃火焰，因此火焰尖端处的氧化剂流速随着上游的扩散而增加。通过将平板与具有膨胀槽的另一个板粘合到具有膨胀槽的平板来产生膨胀流路。透明PMMA用作燃料，通过使用数码相机来测量火焰扩散速率。在这项研究中，在热厚的条件下进行实验，垂直预热的长度［8]，由Fenandez-Pello等人的实验结果预测[9］．当燃料厚度大于l_sy，燃料是热厚的。由于的最大值l_sy是1.0毫米，我们使用至少10毫米的厚度。燃料在所有观察到的火焰繁殖速度下热厚（V_f)．

数字3.示意性地示出了测试样品。燃料连接到具有环氧树脂的不锈钢制成的气体入口部分。气体入口部分连接到气体供应管线。根据燃料形状和质量流量，可以通过基于连续性方程使用以下等式来计算管道中的氧化剂流速分布： 在哪里V_o（m / s）是氧化剂流速，问（M.^3./ s）体积流量，一个（M.²为横截面面积，(kg/s)为质量流量，R（J / kg / k）是气体常数，T(K)温度,P(Pa)的压力,b(m)为管道宽度，h_我(m)为风管的初始高度，l(m)为管道长度x(m)为火焰尖端位置。

2.2。实验装置

数字4显示了实验装置的原理图。它主要由氧气罐、氮气罐和测试样品组成。纯氧用作氧化剂，氮用于吹扫。有两条管道供应气态氧和氮气。氧气管路有球阀、针阀和止回阀，分别用于流量/非流量控制、控制气体流量和防止回流。氮气管道只有一个球阀用于流量/非流量控制。质量流量计测量氧气质量流量，压力传感器测量燃料管道上游的压力。测量数据被传输到记录仪并存储。表格2显示用于测量的仪器及其准确性。

通过针阀调节并堵塞氧化剂质量流量。在将氧气进入测试样品的同时，通过点燃的香或加热的镍铬丝下游点燃燃料管道。然后，火焰蔓延到燃料管道中。数码相机记录了燃料内部的火焰的进度。当火焰到达入口时，将氧气切换到氮气以吹扫。所有测试均在大气压下进行。

3.数据简化

3．1.火焰蔓延速度和氧气速度

在燃烧试验中测量了氧气质量流量和压力。通过ImageJ跟踪火焰尖端在视频中的位置历史，计算火焰扩散速率。根据火焰尖位置的时间历程，计算火焰尖处的质量流量、压力、氧气速度，公式为1)．火焰尖端处的压力通过压力端口处的压力识别，因为从方程计算的管道出口的压力下降（2）小于0.5kPa（试验条件下约107kPa）。由于火焰在射击试验期间朝向上游移动，因此实际压降将小于0.5kPa。通过等式计算管道的电阻系数（3.）对于层流和方程（4(Blasius阻力公式)。

３．２．边界速度

为了计算边界，体积速度方程(1)给予被使用。研究了两种燃烧模式之间的边界条件[3.，4］．燃烧模式取决于流动分离是否存在于火焰前沿。如果固体表面上的边界层从芯流量接收足够的动力，则流量与表面不分开，并且火焰不能掺入流动。因此，从芯流到边界层的湍流动量决定了火焰是否可以延伸到流动。由于这一发现，他们发现摩擦速度是决定模式是否是火焰扩散或稳定燃烧的重要指标。以下等式为湍流制度提供摩擦速度： 在哪里（m / s），（PA），(公斤/米^3.),d（m）是体速度，粘度，氧化剂密度和端口直径。无论其他条件如何，边界都是由摩擦速度的单个值表示的[3.］．请注意，由摩擦速度表示的边界无关。在这项研究中的过渡点附近，雷诺数超过10,000，这意味着流动是湍流的。通过采用摩擦速度，我们可以使用本文以任何规模设计EBHR的结果。因此，没有必要讨论管道中的详细速度分布。因此，在该研究中，散装速度用于边界条件。

3.3。错误偏见

氧化剂的速度值有一定的误差偏差因为仪器的精确度。在本研究中，误差偏倚由方程(6)使用每个误差偏差的撮要载于附表3.．

4.结果与讨论

进行了几次点火试验以观察其在吹脱极限附近的行为。数字5显示了火焰的典型图像。图像显示火焰扩散速度速度速度速度缩小到25岁左右;在加宽管道时，火焰慢慢移动。这意味着燃烧模式已经从火焰扩散燃烧转变为稳定的燃烧。因此，成功地观察了燃烧模式之间的转变。

表格4和图6总结点火试验的结果。在图6，横轴表示氧化剂的流动速度，纵轴表示火焰蔓延速度。随着氧化剂流动速度的变化，火焰蔓延速率也发生变化。火焰扩散速率随流速的增大先增大后减小;这一趋势在定性上与平板上的燃烧相一致[9］．对于高氧化剂速度区域(约26m /s，接近吹脱极限)，V_f-V_o当氧化剂的速度超过某一数值时，关系发生变化。这个速度是过渡速度。的V_f-V_o吹灰限制附近的关系变得清晰。

数字7显示测试6中压力和火焰蔓延速率的时间历程。点火后压力略有升高，但随着火焰蔓延速率的降低而降低。当火焰传播速度快时，火焰增加的燃烧面积快于其增加的燃烧体积，因此压力增加。当火焰传播速度较低时，火焰体积的扩张速度快于面积的增加速度，因此压力保持不变。试验4-6中观察到的压力发生转变的趋势相同。

数字8图中是否有一个聚焦于火焰蔓延速度足够低的区域的图表6．当氧化剂速度超过26米/秒时，火焰蔓延速率比在流速超过速度之前的比例低得多，并且几乎没有减速V_f = 0.6 mm/s. Therefore, the threshold oxidizer velocity of the transition can be determined. Figure9显示每个测试的过渡速度，误差偏置。从这个图中，阈值速度是 ．

5.结论

通过使用膨胀燃料管道，首次观察到从火焰扩散燃烧到稳定燃烧的连续过渡。的V_f-v._o澄清了吹脱极限附近的关系。从几次燃烧试验中发现，可以确定过渡的阈值氧化剂速度。在本研究中，阈值速度为 ．该结果预计可用于设计轴向注射端燃烧的混合火箭以防止背击问题。

数据可用性

用于支持本研究发现的数据可由通讯作者要求提供。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

这项工作得到了Hattori Hokkokai Foundation 17-006的支持。

参考

1. I. S.威克曼，《反流阻力理论》能源与燃烧科学的进展第18卷第2期6，第553-593页，1992。查看在：出版商的网站|谷歌学者
2. N. Hashimoto，S. Watanabe，H.Nagata，T.Totani和I. Kudo，“对抗流动的火焰在固体燃料的圆形管道中传播：信道高度对传播率的影响”燃烧研究所论文集，第29卷，第2期1，页245-250,2002。查看在：出版商的网站|谷歌学者
3. N. Hasimoto，H.Nagata，T.Totani和T.Kudo，“在狭窄的固体燃料管道中，在相对的湍流中散布火焰膨胀的吹气极限的决定因素，”燃烧和火焰，卷。147，没有。3，pp。222-232,2006。查看在：出版商的网站|谷歌学者
4. 松冈，村上，长田，“固体燃料管中火焰蔓延燃烧模式的过渡特性”，燃烧和火焰第159卷第1期7, pp. 2466-2473, 2012。查看在：出版商的网站|谷歌学者
5. H. Nagata, H. Teraki, Y. Saito等，“末端燃烧型混合火箭的验证发射”，推进与力量第33卷第3期6, pp. 1473-1477, 2017。查看在：出版商的网站|谷歌学者
6. Saito, T. Yokoi, H. Yasukochi等，“新型轴向喷射末端燃烧混合火箭燃料回归特性”，推进与力量第34卷第3期1，页247-259,2018。查看在：出版商的网站|谷歌学者
7. Y. Saito，M. Kimino，A. Tsuji，Y.Houtani，K. Soeda和H. Nagata，“轴注射末端燃烧的混合火箭的高压燃料回归特性”，推进与力量第35期2, pp. 328-341, 2019。查看在：出版商的网站|谷歌学者
8. S.Bhattacharjee，R.Ayala，K.Wakai和S. Takahashi，“竞争流动的火焰在微重力 - 理论上蔓延的蔓延和易燃性图中传播”，燃烧研究所论文集，第30卷，第2期2, 2005。查看在：出版商的网站|谷歌学者
9. A. C.Fernandez-Pello，S. R. Ray和I. Grassman，“火焰在反对强制流动中传播：环境氧浓度的影响”研讨会（国际）燃烧第18卷第2期1，pp。579-589,1981。查看在：出版商的网站|谷歌学者

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