部分填充多孔介质微燃烧器中火焰驻定的机理研究

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微尺度燃烧器的尺寸通常在毫米级别,特征尺寸的减小导致火焰容易发生淬熄,火焰稳定性大大下降。填充多孔介质可以加强微尺度燃烧器内的热循环,有效提升火焰传播速度,增强火焰稳定性。研究发现:与常规尺度燃烧器不同,多孔介质微尺度燃烧器内火焰驻定对应的是一个较宽的工况范围,而非单一的值。然而目前关于多孔介质微燃烧器内火焰驻定机理的研究尚有不足。本文搭建了氢气/空气预混气在部分填充多孔介质微通道内燃烧的物理模型,对比分析了燃烧器固体壁面、多孔介质、环境热损失等因素对火焰传播特性的影响,阐述了火焰驻定机理。分析单温模型结果发现,填充多孔介质可以令火焰传播速度达到自由火焰的数倍,不考虑固体壁面时火焰传播速度随当量比增大呈现单调增加趋势。固体壁面对低流速工况下的火焰热损失效果更明显,火焰易吹熄;随着流速增大,壁面的预热效果逐渐显著,火焰传播速度得到强化,因此火焰驻定对应的当量比随流速增大呈“U”形分布。双温模型详细描述了多孔介质气固两相间的对流换热情况,可以捕捉到浸没火焰及表面火焰两种形态的火焰,并得到更宽的火焰驻定范围()。浸没火焰与表面火焰的驻定机理都与燃烧器内的热循环有关,表面火焰虽然主要反应区脱离了多孔介质,但多孔介质仍参与热循环。同时驻定火焰的一维火焰厚度也因轴向传热得到增强比自由火焰更大。采用火焰温度峰值与绝热火焰温度之比Tr和总预热与总热损失之比R两个参数均可体现燃烧器的回热性能。对比分析发现:气体流速越大,即火焰传播速度越大,所需回热性能越大;在回火极限附近,火焰所需回热效果随当量比变化缓慢,但燃烧器提供的回热性能沿轴向位置变化剧烈,因此火焰更容易驻定在多孔介质中上游位置;外壁面热损失会增大沿轴向的回热性能变化区间,有利于拓宽火焰驻定范围。
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