[科普中国]-低速过滤燃烧

低速过滤燃烧具有不稳定性传播特性，这些非稳定性包括火焰面倾斜、火焰面破裂、热斑以及一些新的不稳定性现象等等。许多学者通过理论、实验及数值模拟手段研究了低速过滤燃烧波传播过程中的不稳定性现象。

概念相关实验研究了高孔隙率的微细纤维堆积床内贫甲烷/空气过滤燃烧，实验发现燃烧波在传播过程中火焰面产生锚定效应和火焰面破裂现象，这些现象无法用传统的数值模型进行解释。郑成航等通过建立二维双温模型，数值研究了不同工况下多孔介质内火焰面倾斜现象，确认当量比、入口流速、多孔介质导热系数、燃烧器尺寸等参数对火焰面倾斜不稳定性产生的影响。史俊瑞等数值研究过滤燃烧火焰封面倾斜的演化，揭示倾斜火焰面的演化规律和影响因素，并通过实验结果验证了数值结果的有效性。研究证实，给定8°初始角，在一定的当量比、入口流速范围内，火焰面倾斜角逐渐增大，火焰面演化为S型火焰。1

低速过滤燃烧波逆向传播不稳定性研究顺流式(燃烧波传播方向与过滤流方向相同)或往复流低速过滤燃烧波不稳定传播研究较多，而逆流式(燃烧波传播方向与过滤流方向相反)低速过滤燃烧方面的研究文献报道很少，逆流式低速过滤燃烧传播过程中火焰面演变特性尚不清楚，现有的文献中仅报道了燃烧波传播速度与当量比之间存在V型曲线变化规律，逆流式燃烧波传播稳定性问题未见报道。因此，逆流式低速过滤过程中火焰面演变过程、燃烧波传播特点及其传播稳定性问题有待于进行深入研究。

通过实验研究贫氢气/空气低速过滤燃烧波逆向传播不稳定性特性。研究不同工况下燃烧波及温度波传播特点，当运行工况参数达到一定临界值时出现燃烧波传播不稳定现象，确定燃烧波稳定传播和不稳定传播的临界实验参数，分析燃烧波传播不稳定性发生和发展的特点及其动力学机理。

燃烧波跳跃式传播不稳定性通过在实验研究发现，当逆流式燃烧波传播不稳定性发生时，使用传统的体积平均处理数学模型来解释这种低速过滤燃烧不稳定性现象不再有效。此外，通过对比研究燃烧波跳跃式传播不稳定性发生的过滤速度临界值，对所有实验工况的结果进行分析比较确定逆流式燃烧波由稳定传播向不稳定传播转变的临界实验参数，从而在实际逆流式低速过滤燃烧应用中避免跳跃式传播不稳定性的发生提供一些参数依据。

燃烧波传播速度为了研究逆流式燃烧波传播的稳定性规律，将不同氢气浓度下逆向燃烧波传播速度随过滤速度的变化规律进行比较分析。逆流式燃烧波跳跃式不稳定性是非常剧烈的；在稳定传播阶段，逆向燃烧波传播随过滤速度的增长率较低。通过所有实验工况的逆向燃烧波传播速度进行分析，在燃烧波传播速度和过滤速度参数坐标中，可以将逆流式燃烧波传播稳定性划分成稳定传播和跳跃式传播两个参数区域，如图中虚线为临界线所示。

研究结论实验研究逆流式低速过滤燃烧波传播不稳定性，改变不同实验参数，观测逆流式燃烧波传播特点，通过对不同实验工况结果的比较与分析，总结如下几点：

（1）逆流式燃烧波在稳定传播过程中，火焰面变形不稳定性不会发生，几乎处于平整的火焰面状态进行传播；

（2）当氢气浓度保持不变，当过滤速度提高至某一临界参数时，逆流式燃烧波传播发生跳跃式传播不稳定性。氢气浓度 YH2=13%工况下，逆流式燃烧波跳跃式传播不稳定性发生的过滤速度临界值 ug,cr=0.9~1.0m·s-1；氢气浓度 YH2=14%、YH2=15%工况下，对应的过滤速度临界值分别为 ug,cr=0.8m·s-1、ug,cr=0.5m·s-1；

（3）在逆流燃烧波跳跃式传播不稳定性发生情况下，继续提高过滤速度，燃烧波跳跃空间距离加大，跳跃式传播不稳定性变得剧烈；

（4）通过比较不同氢气浓度下的逆向燃烧波传播速度随过滤速度的变化规律，在燃烧波传播速度和过滤速度参数坐标中，可以将逆流式燃烧波传播稳定性划分成稳定传播和跳跃式传播两个参数区域。2

低速过滤燃烧火焰面倾斜动力学因素数值预测多孔介质燃烧具有高热流密度、低污染物排放等优点。但是 ，多孔介质燃烧技术在实验及应用过程中常发生 一些燃烧波传播不稳定性现象，例如：火焰面破裂、火焰面倾斜、热斑等。火焰面不稳定性现象的发生会导致燃烧器运行不稳定，甚至熄灭，对于该技术的推广应用是非常不利的。因此，国内外研究人员做了大量的研究工作去探究导致这些不稳定性现象发生的动力学原因及其发展机理。

Dobrego等通过实验及数值模拟研究了低速过滤燃烧火焰面倾斜不稳定性现象。研究发现，倾斜角度变化与燃烧器长度、 无量纲火焰传播速度具有相关性，而且倾斜角变化率与火焰面传播速度、燃烧器尺寸成正比，与堆积小球直径成反比。郑成航等通过建立二维双温模型，数值预测了当量比、入口流速、多孔介质导热系数、燃烧器尺寸等参数对多孔介质内火焰面倾斜演变规律的影响。张俊春等数值研究了火焰面倾斜最终出现破裂的现象，分析了可能导致火焰面破裂的因素。史俊瑞等通过实验、数值模拟研究了过滤燃烧火焰面倾斜演变特征，揭示倾斜火焰面的演变规律及其影响因素。

然而，以上诸多研究中对多孔介质燃烧器内的火焰面发生倾斜机理尚没有完全阐明，实际中可能存在导致火焰面倾斜不稳定性发生的初始扰动因素，例如：多孔介质孔隙率结构随机性、初始预热不均匀性、燃烧器入口流速分布不均匀性等因素。在实验中很难定量判定这些扰动因素是导致火焰面倾斜不稳定性发生的动因，因此，研究采用数值手段来对甲烷/空气在多孔介质中燃烧的火焰面倾斜动力学因素进行数值预测。分析导致过滤燃烧火焰 面倾斜不稳定性发生的动力学扰动因素，确认多孔介质内局部孔隙率分布不均匀性、预热不均匀性等因素是诱发火焰面倾斜不稳定性发生的动因，分析这些因素对火焰面倾斜演变规律的影响。

初始预热段预热温度分布不均匀性被确认为导致火焰面倾斜不稳定性发生的动力学因素。预热区域温差越大，即预热段预热越不均匀，火焰面倾斜不稳定性发展越快。多孔介质燃烧器内孔隙率及入口过滤速度分布不均匀也被确认为导致火焰面倾斜不稳定性发生的动力学因素。孔隙率分布不均匀性对火焰面倾斜不稳定性的发生影响显著，多孔介质燃烧器内孔隙率分布越不均匀，火焰面倾斜不稳定性发展越快。入口速度分布不均匀性对火焰面产生的扰动有限。实际中火焰面倾斜不稳定性发生及发展是多动力学因素叠加扰动的结果。3

稀混合气低速过滤燃烧的数值模拟与理论分析研究进展预混合气在多孔介质中的低速过滤燃烧，与自由空间的燃烧机理有着极大的不同。传统的自由空间燃烧，由于气体极差的导热性能，化学反应集中在很薄的火焰区内完成，反应物达到着火温度需要的热量通过气体的导热来完成。而气体在多孔介质内燃烧时，在反应区存在着气固两相间强烈的热量交换，并形成自我维持的、向下游稳定传播的燃烧波。典型的低速过滤燃烧(low velocity regime，LVR)的燃烧波传播速度通常为 0.1mm/s。由于多孔介质远大于气体的热回流能力和良好的蓄热性能，预混合气得到了有效的预热。因此，预混合气在多孔介质中的燃烧速率明显增大，贫富可燃极限均可得到大大的拓展，火焰的稳定性也显著增强。

基于预混合气在多孔介质中燃烧的优良特性，国际上开展了大量的理论和实验研究，甚至开发出了多孔介质燃烧换热器。Zhandok等用热波与燃烧波耦合的思想，从实验和理论上研究了稀薄混合气在多孔介质中的过滤燃烧，在不考虑系统热损失的假设下，得出了过程控制参数的关系式。结果表明，反应区的最高温升是混合气的绝热燃烧温升、燃烧波波速和热波波速的函数。

首先，应用数值模拟研究燃烧波在多孔介质中的传播规律及其控制参数；量化当地的气体和固体能量方程中的各项，研究预混合气在多孔介质中燃烧的热回流特性；对完整的控制方程进行简化，将反应区域简化为无限薄，得出无量纲波速与反应区的最高温升的关系式。然后，借助层流预混火焰理论，将反应区简化为非无限薄但尺度很小的区域，新鲜混合物达到点火温度后，燃烧过程在接近于最高燃烧温度的很窄的反应区内完成，得到无量纲波速与反应区最高温升的另一个关系式，与第一个关系式相耦合，得到二者的封闭解。最后，讨论工况参数对燃烧波的影响，并通过实验验证了数值模拟和理论解的有效性。

模拟结果通过数值模拟研究了燃烧波的传播规律和控制参数，以及低速过滤燃烧的热回流特性。结果表明，在稀薄混合气的范围内，多孔介质的热容是影响燃烧波传播速度大小的最重要的控制参数，而对流换热是燃烧波稳定传播不可缺少的条件，但是对流换热的大小对燃烧波的影响较小。稀薄混合气在多孔介质中燃烧时，应尽可能减小系统的热损失。采用导热系统较小的多孔介质，有利于形成高温区，有利于扩展贫可燃极限。

将反应区域分别简化为无限薄和极其狭窄的区域，得出无量纲波速和反应区最高温度的两个方程，由此构成了封闭的理论解。数值模拟和理论解与实验结果取得了相同的趋势，吻合得较好。数值模拟结果和理论解对燃烧器的设计与优化具有普遍的指导意义。4

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所