甲烷_空气混合物在微小型钝体燃烧器中的燃烧特性_沈文庆

可再生能源Renewable Energy Resources第30卷第10期2012年10月Vol.30No.10Oct.2012引言随着微加工技术的不断发展，各种微电子机械系统和设备大量出现。

驱动这些设备的化学电池，存在能量密度小、体积和重量大、充电时间长等缺点，而碳氢化合物燃料相对于化学电池来说有着高几十倍的能量密度。

因此，基于燃烧的微小型动力系统具有巨大的发展潜力[1],[2]。

微小型燃烧器是微小型动力系统的关键部件。

缩小后的燃烧室，其表面积与体积的比值大大增加，使壁面散热损失和自由基销毁速率大大收稿日期：2012-08-02。

基金项目：国家自然科学基金（51076054，51276073）；重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室开放课题资助项目。

作者简介：沈文庆（1992-），男，在读本科生，主要研究方向为传热与传质，太阳能利用及污染物控制技术。

E-mail ：wenqingshen_92@通讯作者：范爱武（1955-），男，博士，副教授，从事微尺度燃烧的研究工作。

E-mail ：faw@甲烷/空气混合物在微小型钝体燃烧器中的燃烧特性沈文庆，程哲，李长甫，方韬，范爱武，刘伟（华中科技大学能源与动力工程学院，湖北武汉430074）摘要：为了实现在淬熄距离以下的稳定燃烧，试验设计了两种带钝体的回热型燃烧器，研究预混甲烷在高度小于淬熄距离的燃烧室中的燃烧特性。

燃烧器的燃烧室高度为2mm ，长度为20mm ，进口处安装了边长为1mm 的等边三角形钝体或相同尺寸的“V ”形钝体，并在上下两侧设置了预热通道。

利用Fluent6.3软件对甲烷/空气在这两个燃烧器的预混燃烧做了数值模拟，确定了浓度极限和速度极限，并对稳燃机理进行了分析。

与三角形钝体燃烧器相比较，“V ”形钝体燃烧器的稳燃范围更大。

在所给出的稳定燃烧工况下两者的燃烧效率均在99%以上，甲烷/空气的混合气体能够完全燃烧。

但当进气速度较小同时当量比较大时会发生回火现象。

关键词：微尺度燃烧；甲烷/空气预混物；三角形钝体；“V ”形钝体；稳燃范围；回流区中图分类号：TK6；TK124文献标志码：A文章编号：1671-5292（2012）10-0089-04Combustion characteristics of methane/air mixture in micro-scale combustors with different bluff-bodiesSHEN Wen-qing,CHENG Zhe,LI Chang-fu,FANG Tao,FAN Ai-wu,LIU Wei（School of Energy and Power Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China ）Abstract ：Two kinds of combustors with a height less than the quenching distance were designed and the combustion characteristics were studied for stable combustion.The gap distance of the combustion chamber is 2mm,and the length is 20mm.An equilateral triangular bluff-body with a side length 1.0mm or a “V ”bluff-body of the same size is fitted near the entrance of the combus -tion chamber.There are two preheating channels on the upper and lower sides of the combustion chamber.Numerical simulation on methane/air premixed combustion in these combustors was per -formed and both velocity limits and concentration limits of the systems were pared with the combustor with a triangle bluff-body,the stable combustion ranges of the combustor with a “V ”bluff-body were enlarged.The combustion efficiencies all stayed above 99%.But when the inlet mixture velocity was too small and equivalence ratios were relatively high,flashback would happen.Key words ：micro-combustion;methane/air pre -mixture;triangle bluff-body;“V ”shape bluff-body;stable combustion range;recirculation zone增加，火焰稳定性变差[3]~[10]。

此外，燃烧室几何尺寸太小，气体停留时间过短，导致燃烧效率降低，吹熄极限和稳燃范围也大为缩小。

对于当量比为1的甲烷/空气预混气，其淬熄距离约为2.5mm 。

当平板距离小于淬熄距离时，燃烧不能稳定进行。

为了提高微小型燃烧器中火焰的稳定性和燃烧效率，研究者们主要采用热循环以及催化反应的办法。

然而，三维结构的“瑞士卷（Swiss-Roll ）”燃烧器结构很复杂，加工困难。

催化燃烧器中催化剂的效果也不能持久。

新加坡的研究小组开发了突扩型微小型燃烧器来稳定火焰，取得了一定的效果[11]，[12]。

范爱武通过加装钝体来稳定燃烧，使得微尺度下的燃烧特性得到了较好地改善[13],[14]。

本文对一种回热型平板微小燃烧器加装“V ”形和三角形的钝体，在燃烧室高度小于淬熄距离的情况下，通过数值模拟对甲烷/空气混合物在这两种回热型燃烧器内的燃烧特性进行了对比研究，确定了稳燃范围、燃烧效率，分析了钝体形状对燃烧效果的影响和稳燃机理。

1数值模拟方法图1(a)给出了带三角形钝体的微小燃烧器的纵剖面示意图。

燃烧室长20mm ，高2mm ，壁厚为0.5mm ；钝体为正三角形，边长为1mm ，其垂直边距离燃烧室入口2mm 。

燃烧通道的上下两侧对称布置高为1mm 的预热通道。

图1(b)给出了带“V ”形钝体的微小燃烧器的纵剖面示意图。

壁面和钝体均采用耐高温的石英材料，其密度、热容、导热系数和法向发射率分别为2650kg/m 3，750J/(kg ·K)，1.05W/(m 2·K)和0.92。

采用Fluent 6.3进行传热、传质和燃烧的数值模拟。

由于燃烧器的宽高比为10，因此可以采用二维模型进行模拟。

此外，因为混合气体的流速较低故采用层流模型。

化学反应采用甲烷/空气的一步总包反应机理。

进气口边界条件为速度进口，出口边界条件为压力出口。

外壁面考虑自然对流和辐射散热两种方式，即复合传热。

自然对流换热系数，根据文献[1]取其值为17W/(m 2·K)。

环境温度为300K 。

计算前对网格独立性进行了验证。

由于燃烧器一般在贫燃条件下运行，因此本文主要研究当量比≤0.9的情况下两种钝体燃烧器的燃烧极限，包括速度极限和浓度极限。

2结果与讨论2.1稳燃范围通过改变当量比和进气速度进行系统模拟后，得到了两种微小型钝体燃烧器的稳燃范围，分别如图2(a)和(b)所示。

在预热通道和钝体的双重稳燃作用下，燃烧可以稳定进行且有较大的燃烧极限。

从图2中可见，该燃烧器中存在四种基本的燃烧状态，分别为稳定火焰、回火、熄火和吹熄。

在合适的当量比和进气速度下，火焰将在钝体后面稳定燃烧。

同时可以看出，能够稳定燃烧的速度范围随着当量比的降低而逐渐减小，带三角形钝体的燃烧器最大吹熄极限可达2.5m/s比较图2可以看出，相比于三角形钝体燃烧器，“V ”形钝体燃烧器的稳燃范围被拓宽。

例如，可再生能源2012，30（10）图2微小型钝体燃烧器的稳燃范围：Fig.2Combustion stability diagram of the micro-combustorwith a bluff-body图1微小型钝体燃烧器的纵剖面示意图：Fig.1Schematic of vertical section of the micro-combustorwith a bluff-body(a)三角形钝体(b)“V ”形钝体当量比为0.9时，三角形钝体燃烧器的吹熄极限只有2.5m/s，而“V”形钝体燃烧器的吹熄极限则高达3.3m/s。

但是在当量比小于0.85时，两个燃烧器的稳燃范围差别不大。

故“V”形钝体燃烧器更适合于较高当量比下的稳燃，因为高当量比时进气速度较大，而“V”形钝体相对于三角形钝体回流区更大，能卷吸更多的气体，提供一个低速高温的稳定燃烧区域，“V”形钝体相对于三角形钝体有更大的稳燃优势。

而当量比较小时，极限速度较小，回流区的影响减小，故“V”形和三角形钝体的稳燃效果差别不大。

当量比为0.9时，进气速度较低火焰会退回到预热通道内燃烧（如图3）。

预混气体的回火燃烧是一种不安全的工况。

当进气速度很低时，由于燃烧放热量太少会导致熄火。

当进气速度太大时，钝体产生的回流区不足以稳定火焰时，火焰被吹出燃烧室。

2.2燃烧效率燃烧效率η的定义为η=Y f，in-Y f，outY f，in式中：Y f,in为燃烧室进口处燃料的质量分数；Y f,out 为出口处未燃烧燃料的平均质量分数。

当量比在0.6~0.9范围内且合适的进气速度时均可稳定燃烧，在图2所给出的稳定燃烧工况下，通过计算可知燃烧效率均在99%以上，基本实现了完全燃烧。

由此可见，在稳定燃烧工况下两种回热型微小钝体燃烧器有很好的燃烧效果。

2.3稳燃机理分析图4为当量比为0.8，进气速度为1.5m/s时，两个燃烧器的温度分布图。

从图4可以明显看出“V”形钝体后面的火焰高温区更宽，而三角形钝体后面的火焰高温区被吹离钝体更远，火焰也被拉长变细。

在相同工况下，“V”形钝体燃烧器的最高温度为2730K，而三角形钝体燃烧器的最高温度为2710K，前者比后者高，说明回流区的稳燃作用更明显，回流卷吸的气体在回流区形成低速高温的流场，使甲烷的反应时间增加，很好地解决了微尺度下燃烧反应时间过短的问题。