system: [SYSTEM]

user: 3. 结果与分析 为了对比氢气/空气在不同扩展角燃烧器中的预混燃烧特性，这里选用氢气体积分数为10%的预混气，研究不同入口流速下氢气/空气预混气在燃烧器中的预混燃烧特性。 3.1. 扩展角对燃烧器中的流速分布的影响 图4给出了氢气体积分数为10%，入口速度为4 m/s时，不同扩展角的燃烧器中的速度分布云图。从图中可以看出，与扩展角为0˚的燃烧器中相比，扩展角越大的燃烧器中燃气燃烧区域的流速越小。其中扩展角为0.72˚的燃烧器中最高流速为19.7 m/s，扩展角为0.36˚的燃烧器中的最高流速为22.9 m/s，扩展角为0˚的燃烧器中的最高流速为29.23 m/s；而且扩展角越大的燃烧器中高速流体越在燃烧区域集中，使得燃气的停留时间延长，减小了对火焰拉伸的作用，这对燃气在燃烧器中的稳定燃烧是有利的。 氢气体积分数为10%在三种燃烧器中的燃烧火焰传播速度如图5所示。从图中可以看出，扩展角0.72˚的燃烧器中火焰传播速度最小，扩展角0˚的燃烧器中火焰传播速度最大；扩展角0˚的燃烧器即直通型燃烧器中火焰传播速度与入口速度近似成正比例关系，而扩展角0.36˚和扩展角0.72˚的燃烧器中的火焰传播速度曲线变成了抛物线。在图5中，扩展角为0.72˚的燃烧器中的火焰传播速度曲线在11 m/s时出现了突然的下降，然后继续上升的现象，当入口流速增加时，在渐扩式通道里火焰传播速度反而减小，这跟燃烧器中的火焰位置有关。 图4. 不同扩展角的燃烧器中流体速度分布云图 图5. 不同扩展角的燃烧器在不同入口流速下的火焰传播速度 图6给出了扩展角为0.72˚的燃烧器在入口速度为11 m/s附近的速度分布。从图中可以看出，扩展角为0.72˚的燃烧器在入口速度10 m/s时，燃烧区域靠近了出口位置，而入口速度达到11 m/s时，高流速区域变得窄小，而在12 m/s时，高流速区域又重新变得狭长。 图6. 扩展角为0.72˚的燃烧器中不同入口速度下的速度分布云图 3.2. 扩展角对燃烧器中的温度分布影响 氢气体积分数为10%的预混气在三种燃烧器中最高燃烧温度如图7所示。从图中可以看出，扩展角为0.72˚的燃烧器内燃烧温度最高，而扩展角为0˚的燃烧器即直通型燃烧器内的最高燃烧温度最低。从图 图7. 不同扩展角的燃烧器内不同入口流速下的最高燃烧温度 中也可以看出，扩展角为0.72˚的燃烧器在体积分数为10%时的速度极限为0.4~15 m/s，扩展角为0.36˚和扩展角为0˚的燃烧器的速度极限为0.4~9 m/s。当扩展角从0˚增加到0.36˚时，燃烧的空间变大，但是渐扩段的壁厚会变薄，而壁厚变薄会减少火焰燃烧时向上游传导的热量，这就削弱了燃烧空间变大的带来的对稳燃的积极作用，使燃烧器扩展角渐扩到0.36˚时速度极限没有变化。当扩展角为0.72°时火焰燃烧空间进一步变大，而壁厚变薄的影响则变得很小，所以速度极限变大。 图8给出了在氢气体积分数为10%，入口速度为4 m/s时的温度分布云图。从图中可以看出当燃烧器的扩展角逐渐增大时，燃烧的火焰得到了伸展且变得更加宽大，使预混气在微尺度空间里的反应更加完全，提高燃气的反应速率，从而获得更高的燃烧温度。 图8. 不同扩展角燃烧器内的温度分布云图 图9，图10和图11分别给出了在不同扩展角的燃烧器中接近燃烧器的吹熄极限时的温度分布云图。当氢气的体积分数为10%时，扩展角为0˚的燃烧器的吹熄极限为9 m/s，扩展角为0.36˚的燃烧器的吹熄极限为9 m/s，扩展角为0.72˚的吹熄极限为15 m/s。从图中可以看出由于燃烧器通道形状的原因，扩展角为0˚的燃烧器中在接近吹熄极限时的火焰形状已经变得狭长稀薄，而扩展角为0.36˚和扩展角为0.72˚的燃烧器中的火焰形状较为宽大；在接近吹熄极限时，扩展角为0˚和扩展角为0.36˚的火焰的位置相同，且距离出口位置较远，表明这两种燃烧器在靠近出口位置时不能稳定燃烧，而扩展角为0.72˚的燃烧器在11 m/s时靠近出口位置实现了稳定燃烧，这是由于燃烧器通道里空间越大，火焰高温区域越宽大，燃烧越充分，通过壁面对未燃的预混气的预热能力越大，使得燃烧器在更高的速度下和更靠近出口位置实现稳定燃烧。 在图5中，扩展角为0.72˚的燃烧器内的火焰传播速度曲线在11 m/s时出现了突然的下降，然后继续上升的现象。造成这种现象的原因可以由图11看出，图11(a)、图11(b)、图11(c)分别对应入口速度10 m/s、11 m/s、12 m/s时燃烧器稳燃时的温度分布云图。当流体速度达到11 m/s时，火焰中心接近了出口位置，燃烧释放的热量未能向壁面传导而被直接排出，向上游传递的热量对预混气预热不足，这就造成了火焰传播速度的突然的下降。当入口速度增加时，从图11(c)中可以看出，火焰中心向上游移动，且火焰形状变得窄小，这时速度的增大已经开始削弱了预混气的燃烧，对稳燃造成不利的影响；入口速度继续增加到一定值时，火焰就会开始熄灭，此时已不能稳定燃烧，进而造成了吹熄现象的发生。 图9. 扩展角为0˚的燃烧器内不同入口速度下的温度分布云图 图10. 扩展角为0.36˚的燃烧器内不同入口速度下的温度分布云图 图11. 扩展角为0.72˚的燃烧器内不同入口速度下的温度分布云图 从图12给出的入口速度分别为10 m/s、11 m/s、12 m/s时，在扩展角为0.72˚的燃烧器中的流体温度分布来看，虽然12 m/s时的火焰位置相比于11 m/s时的向上游移动了，但是燃烧器中火焰区域前面的流体温度基本不变，这表明增加的入口速度只是带走了火焰区的热量使得火焰形状变小，使火焰向上游移动而并没有降低火焰前面的流体温度；从吹熄时的火焰位置依然比10 m/s的远这一现象也可以看出，火焰前端位置基本没有变化。 图12. 扩展角为0.72˚燃烧器中入口速度对流体温度分布的影响 图13. 不同扩展角的燃烧器内入口速度对气体出口温度的影响 三种不同扩展角的燃烧器在不同入口速度下气体离开燃烧器时的出口温度分布如图13所示。从图中可以看出，在0.4~9 m/s之间，三种燃烧器的出口温度曲线基本重合。0.4~9 m/s是扩展角为0˚和扩展角为0.36˚的燃烧器在氢气体积分数10%时的速度极限，这表明燃烧器通道空间的扩大并没有对燃烧器的气体出口温度产生明显的影响。而图中扩展角为0.72˚的曲线在12 m/s时的突然下降然后继续上升的现象与前面分析的结论是一致的，由于火焰在11 m/s时是最接近出口位置使得出口的气体温度上升，接着由于速度的继续增加火焰中心开始向上游移动，燃烧器出口的温度出现短暂的下降，当入口速度继续增加时，虽然由于火焰形状的变小而向上游继续移动，但是增加的入口速度使得燃气中更多的热量放出，这些增加的热量并没有通过壁面及时的预热上游的未燃预混气体，而是被直接气流带出了燃烧器，从而造成了在12 m/s开始燃烧器出口温度继续上升的现象。 3.3. 扩展角对燃烧器中燃烧产物分布的影响 图14和图15给出了入口速度为9 m/s时，不同扩展角的燃烧器中OH浓度分布。从图中可以看出，扩展角越大的燃烧器中OH浓度的分布越集中，这表明发生的燃烧反应越集中，反应速率越快，越能抑制流体中由于流速带来拉伸作用；而图中扩展角为0.72˚的燃烧器中的OH最高浓度最靠前，说明火焰区域也更靠前，这对扩大燃烧器的速度极限是有利的。 图14. 不同扩展角的燃烧器中OH浓度分 图15. 不同扩展角的燃烧器中OH浓度分布云图 3.4. 扩展角对燃烧器的火焰位置的影响 氢气体积分数10%的预混气在三种燃烧器中不同入口速度下的火焰位置如图16所示。从图中可以看出，在同一入口速度下，渐扩通道对预混气的火焰位置影响不大，这在前面的图8中更明显地看出，渐扩通道只是使火焰的伸展空间变大，火焰传播速度变小，但是燃烧位置基本不变，这表明渐扩式燃烧器对氢气的预混燃烧是有利的。渐扩式燃烧器在入口速度较大时，燃烧器的火焰位置先是逐渐向下游方向移动然后向上游移动，火焰的稳燃位置在11 m/s时突然的变化是由火焰位置靠近燃烧器出口造成的；从入口速度为11 m/s时开始，火焰的初始位置没有变化，但是逐渐增加的入口速度使燃烧的热量更多的被直接排出造成火焰的形状从狭长开始变得窄小，火焰中心逐渐向火焰的初始位置靠近，所以对应的火焰位置会逐渐减小，直到火焰熄灭。 图16. 不同扩展角的燃烧器中不同入口速度下的火焰位置