燃?xì)怏w焰火在多開合有物質(zhì)管道里的帶動(dòng)功效

發(fā)布于：07-13

實(shí)驗(yàn)分析本文中，當(dāng)量比5定義為5=實(shí)際燃料空氣比/化學(xué)當(dāng)量比實(shí)驗(yàn)中采用的氫氣當(dāng)量比5=0.24～2.0.火焰?zhèn)鞑サ募铀贆C(jī)制燃?xì)饬鲌F(tuán)燃燒時(shí)，因體積膨脹而對(duì)周圍介質(zhì)作功，在火焰前方形成壓縮波，誘導(dǎo)并加速前方質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)。



如果在火焰所到之處預(yù)先重復(fù)設(shè)置障礙物，這種流動(dòng)將在障礙物附近形成高梯度的粘性邊界層，導(dǎo)致湍流，火焰陣面發(fā)生畸變，使火焰加速，加速火焰又增強(qiáng)湍流，因此這是一種正反饋的過程。這種畸變火焰引起體積燃燒速率的升高，也增大了有效燃燒速度，而較高的燃燒速度又賦予火焰前面氣體更大的位移速度，最終形成一個(gè)極其扭曲的火焰陣面，不僅增大了火焰面積，也增大了能量釋放速率，導(dǎo)致壓力波進(jìn)一步增強(qiáng)。隨著火焰陣面的向前推移，由于這種火焰燃燒速率和氣體動(dòng)力學(xué)流動(dòng)結(jié)構(gòu)之間的正反饋機(jī)制，同時(shí)考慮到火焰與壁面的摩擦及管道的散熱損失，在火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x足夠長時(shí)，火焰加速的結(jié)果，將趨于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)傳播，此時(shí)火焰速度達(dá)到最大值，。



火焰速度沿著管道的變化從中可以看出，火焰的傳播在經(jīng)過1.2～2.0m（15～25D）的加速距離后達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)，火焰以勻速傳播。隨著氫氣當(dāng)量比的上升，火焰到達(dá)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)傳播所需的距離越來越短。不同氫氣濃度下的最大火焰速度。當(dāng)5從0.33上升至0.34時(shí)，最大火焰速度從272m/s猛然上升到536m/s.這種躍變與化學(xué)反應(yīng)機(jī)制的變化有關(guān)，氫與氧的反應(yīng)主要由反應(yīng)Ⅰ：H+O2+O和反應(yīng)Ⅱ：H+O2+M→HO2+M控制，其中反應(yīng)Ⅱ在溫度低于～1350K時(shí)起主導(dǎo)作用。在氫氣當(dāng)量比5=0.34時(shí)，火焰溫度約為1400K，此時(shí)，反應(yīng)Ⅰ取代反應(yīng)Ⅱ占主導(dǎo)地位，混合物中OH急劇增加，最大火焰速度發(fā)生躍變。當(dāng)氫氣當(dāng)量比上升至0.69時(shí)，火焰經(jīng)過一段連續(xù)加速傳播后，到達(dá)一臨界速度，在此速度下，化學(xué)反應(yīng)傳播機(jī)理突然產(chǎn)生躍變，從擴(kuò)散、輸運(yùn)模式轉(zhuǎn)變?yōu)闆_擊加熱自著火模式，反應(yīng)陣面和沖擊波陣面合二為一，火焰?zhèn)鞑顟B(tài)由爆
燃轉(zhuǎn)為爆轟，最大火焰速度從860m/s突然躍升到1786m/s，此時(shí)，障礙物間的激波反射強(qiáng)烈影響其傳播機(jī)制。



障礙物對(duì)爆燃轉(zhuǎn)爆轟的影響當(dāng)火焰穿過障礙物時(shí)，由于障礙物引起的湍流擾動(dòng)，火焰沿著管道逐漸加速，并最終到達(dá)一穩(wěn)態(tài)速度。在這種情況下，火焰?zhèn)鞑タ煽醋魇枪艿乐械臏?zhǔn)穩(wěn)態(tài)的一維可壓縮流動(dòng)。根據(jù)可壓縮流體理論，摩擦和反應(yīng)放熱將驅(qū)動(dòng)流體最終以聲速流動(dòng)。由此可以推斷，如果火焰不熄滅，則其最終的火焰速度應(yīng)等于燃燒產(chǎn)物的聲速，這種狀態(tài)稱之為“壅塞態(tài)”。實(shí)際上，由于障礙物引起的動(dòng)量損耗和管道壁面的熱損失，火焰速度將小于燃燒產(chǎn)物的聲速。從可以明顯看出，在壅塞態(tài)，實(shí)測(cè)的火焰速度比相應(yīng)的等壓聲速小100m/s左右，且作為混合物當(dāng)量比的函數(shù)，和等壓聲速線的趨勢(shì)基本一致。同時(shí)，火焰速度基本上不隨障礙物阻塞比的變化而變化，這和壅塞狀態(tài)下的流動(dòng)特性相吻合。當(dāng)氫氣當(dāng)量比進(jìn)一步提高時(shí)，火焰?zhèn)鞑ビ杀嫁D(zhuǎn)變?yōu)楸Z。由于障礙物引起的動(dòng)量損失，導(dǎo)致爆轟速度低于C-J爆轟值，且不同障礙物阻塞比下的爆轟速度各不相同，如，當(dāng)BR=0.609時(shí)，爆轟速度只有Chapman-Jouguet值的80%左右，這樣一種火焰?zhèn)鞑顟B(tài)稱之為“準(zhǔn)爆轟態(tài)”。



另一特點(diǎn)是，盡管阻塞比不同，但發(fā)生爆轟前三者的火焰速度差別很小，分別為860m/s，880m/s，890m/s，這說明只有在火焰加速達(dá)到足以彌補(bǔ)熱耗散效應(yīng)的臨界值時(shí)，火焰?zhèn)鞑ゲ拍馨l(fā)生爆燃轉(zhuǎn)爆轟現(xiàn)象。隨著阻塞比的增大，火焰穿過阻塞板時(shí)，壓力損失增大，導(dǎo)致爆轟速度降低，如在5=1.02時(shí)，對(duì)應(yīng)于BR=0.315，0.438，0.609的爆轟速度分別為1900m/s，1800m/s，1480m/s，降幅達(dá)420m/s之多。同時(shí)，爆轟的范圍也相應(yīng)縮小。如，在BR=0.609時(shí)，當(dāng)氫氣當(dāng)量比5≥1.2時(shí)，爆轟又被抑制，在這種工況下，爆燃轉(zhuǎn)爆轟只在0.98≤5≤1.2很窄的范圍發(fā)生。



障礙物的擾動(dòng)對(duì)管內(nèi)壓力的影響在貧燃料區(qū)，隨著氫氣當(dāng)量比的增大，反應(yīng)放熱增加，引起局部壓力上升。顯示了距點(diǎn)火源2.1m處的壓力。表明，在當(dāng)量比5=0.34處，壓力發(fā)生了躍變。但當(dāng)火焰從爆燃轉(zhuǎn)為爆轟時(shí)，壓力只略有上升，小于C-J爆壓值。如，在5=0.9時(shí)，對(duì)應(yīng)于BR為0.315和0.438的爆轟壓力分別為0.91MPa和0.95MPa，而相應(yīng)的C-J爆轟值pC-J=1.44MPa.文獻(xiàn)指出，當(dāng)爆轟速度達(dá)到99%的C-J值時(shí)，此時(shí)的波后爆壓僅達(dá)到3/4的C-J爆壓。在此之后，爆轟波還要傳播一段相當(dāng)長的距離之后，壓力才達(dá)到C-J值，此過程稱為爆轟增長過程。同時(shí)，障礙物阻塞比和壓力的關(guān)系并不呈現(xiàn)單調(diào)規(guī)律，且阻塞比對(duì)壓力的變化影響不大。當(dāng)阻塞比足夠大時(shí)（中BR=0.438），由于火焰穿過障礙物時(shí)壓力損失很大，對(duì)壅塞態(tài)和準(zhǔn)爆轟態(tài)而言，二者的壓力差別很小（中未顯示BR=0.609時(shí)相應(yīng)于爆轟的壓力）。



結(jié)論1）氫/空氣混合物被點(diǎn)燃后，由于障礙物的擾動(dòng)，火焰在管道中不斷加速傳播，最終到達(dá)一準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)傳播。2）在氫氣當(dāng)量比0.34附近，化學(xué)反應(yīng)機(jī)制發(fā)生變化，導(dǎo)致最大火焰速度發(fā)生躍變，由272m/s猛然上升至536m/s，火焰?zhèn)鞑ミM(jìn)入壅塞態(tài)。3）火焰?zhèn)鞑ビ杀枷虮Z轉(zhuǎn)變時(shí)，爆轟前火焰速度必須滿足一最小臨界值，在本實(shí)驗(yàn)中，該臨界值為860m/s；且不同阻塞比下發(fā)生爆轟時(shí)氫氣當(dāng)量比的范圍不同，阻塞比增大，當(dāng)量比的范圍減??；在本實(shí)驗(yàn)中，爆燃轉(zhuǎn)爆轟的臨界條件是d/K≥2.6.