小型實(shí)驗(yàn)艙采用模塊化設(shè)計(jì)，支持高溫、低溫、高壓、低壓、富氧、貧氧等多種極端環(huán)境模擬，內(nèi)置高精度傳感器與光學(xué)觀測系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)采集燃點(diǎn)、熱值、質(zhì)量損失率及氣體成分等關(guān)鍵參數(shù)。實(shí)驗(yàn)過程通過高速攝像與紅外熱成像全程記錄，結(jié)合多光譜分析技術(shù)，同步獲取火焰?zhèn)鞑?dòng)態(tài)、溫度場分布及燃燒產(chǎn)物數(shù)據(jù)，為復(fù)雜燃燒行為研究提供高分辨率實(shí)驗(yàn)支撐。

該裝置特別適用于封閉空間內(nèi)合成氣/空氣混合火焰的演化機(jī)制研究，可精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)火焰從爆燃傳播到郁金香形火焰（DTF）形成的全過程。通過調(diào)整障礙物布局與阻塞比，可量化分析火焰前鋒速度場、壓力場與渦流場的耦合作用，揭示二次尖點(diǎn)生成、火焰褶皺等特殊現(xiàn)象的流體力學(xué)成因，為清潔燃料安全應(yīng)用提供關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

研究聚焦合成氣這類低碳燃料在受限空間內(nèi)的燃燒特性，通過大渦模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，闡明障礙物對火焰形貌突變的影響規(guī)律。成果不僅有助于優(yōu)化合成氣儲運(yùn)系統(tǒng)的防爆設(shè)計(jì)，其揭示的"雙郁金香火焰"等新現(xiàn)象更為氫能、沼氣等清潔能源的安全利用提供了普適性研究方法，具有重要工程指導(dǎo)價(jià)值。

1.研究背景

化石燃料能源燃燒產(chǎn)生的排放物對環(huán)境造成嚴(yán)重?fù)p害。合成氣作為一種重要的清潔替代能源，受到了廣泛關(guān)注。合成氣主要由CO和H2組成，熱值高，污染小，可以通過多種方法生產(chǎn)。然而，在合成氣生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用的每個(gè)階段都可能出現(xiàn)安全問題。在實(shí)際情況中，合成氣/空氣爆燃火焰在傳播期間可能遇到障礙物。根據(jù)先前眾多研究，火焰通過障礙物后，會出現(xiàn)一種新的“郁金香”火焰。但是，由于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和方法的局限性，這一現(xiàn)象背后的根本原因尚未揭示。本研究旨在探索新觀察到的“郁金香”火焰發(fā)展模式的根本原因，可以為合成氣安全提供重要的科學(xué)指導(dǎo)，并為其他清潔能源的安全提供科學(xué)的方法指導(dǎo)。

2.模擬設(shè)置

如圖1所示，模型尺寸為100 mm × 100 mm × 1000 mm。在距離左端200 mm的上下壁布置了兩個(gè)阻塞比（BR）為0.5的障礙物。點(diǎn)火點(diǎn)在左端中心半徑為5 mm的半球形區(qū)域內(nèi)。在管道的上壁上，設(shè)置了一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)P，用于壓力收集。模擬的初始條件設(shè)定為大約0.1 MPa壓力和300 K溫度。

3.結(jié)果及討論

3.1火焰結(jié)構(gòu)演變

圖2-3分別比較了BR = 0和0.5時(shí)合成氣/空氣火焰結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)和模擬圖像。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的密切相關(guān)性證明了大渦模擬的準(zhǔn)確性。圖2顯示了在初始階段火焰是半球形的。之后，火焰逐漸變?yōu)橹笭睿╰ = 7.00 ms）。在此期間，火焰表面積快速增長。然后，在t = 9.00 ms時(shí)，火焰裙部接觸側(cè)壁，并且火焰表面積減小直到t = 13.00 ms，此時(shí)火焰發(fā)展成平面形狀。隨后，火焰中心向燃燒區(qū)彎曲，表現(xiàn)為“郁金香”火焰。當(dāng)“郁金香”火焰完全形成時(shí)，經(jīng)歷了明顯的扭曲，在“郁金香”火焰的上唇和下唇上都出現(xiàn)了小的、尖的凹陷，從而產(chǎn)生了新的“郁金香”火焰。這種火焰命名為扭曲的“郁金香”火焰（DTF）。此后，火焰繼續(xù)以DTF結(jié)構(gòu)傳播，直到到達(dá)管道端部。

圖2 BR = 0.05時(shí)，實(shí)驗(yàn)火焰和大渦模擬火焰演化結(jié)構(gòu)的比較

圖3說明了火焰形狀在越過障礙物之前（t = 7.00 ms）從半球形到指形的轉(zhuǎn)變。然后，火焰隨著其接近障礙物而被拉長，并且其通過障礙物開口噴射，形成噴射火焰（t = 8.75 ms）。然后，噴流火焰向側(cè)壁移動(dòng)，并向障礙物前進(jìn)，以消耗障礙物下游的未燃燒混合物（t = 9.50 ms）。隨后，觀察到準(zhǔn)指狀和準(zhǔn)平面火焰（t = 11.50-12.50 ms）。隨后，出現(xiàn)“郁金香形”火焰（t = 13.50-15.50 ms）BR = 0.5時(shí)的“郁金香”火焰與BR = 0時(shí)的火焰不同。當(dāng)BR = 0時(shí)，“郁金香”火焰形成后，火焰唇和尖點(diǎn)均向右移動(dòng)。當(dāng)BR = 0.5時(shí)，“郁金香”形火焰唇和尖角開始向左移動(dòng)到燃燒區(qū)（t = 13.50-14.00 ms）。此后，“郁金香”火焰唇向右移動(dòng)，而尖瓣繼續(xù)向左移動(dòng)。隨著火焰的傳播，火焰唇與尖點(diǎn)之間的距離增加，而唇之間的距離減?。╰ = 15.50 ms）。最終，火焰唇在中心線處融合在一起，并且“郁金香”火焰坍縮成準(zhǔn)平面形狀（t = 18.50 ms）?；鹧嬷饾u發(fā)展，在2D視圖中形成雙“郁金香”火焰（t = 19.00 ms）。

圖3 BR = 0.5時(shí)，實(shí)驗(yàn)和大渦模擬火焰演化結(jié)構(gòu)的比較

3.2火焰動(dòng)力學(xué)及壓力場、速度場和流場對火焰前鋒的耦合作用

圖4-5顯示了當(dāng)BR = 0時(shí)，在郁金香形火焰和扭曲郁金香形火焰（DTF）產(chǎn)生過程中的速度場和壓力場變化。白色箭頭表示矢量速度方向，紅線表示火焰前沿。氣體向右傳播被認(rèn)為是正方向。如圖4中t = 7.00 ms時(shí)所示，火焰呈指狀，火焰前沿附近為正壓梯度。之后，出現(xiàn)了一個(gè)逆壓力梯度?；鹧媲把刂行牡乃俣葓鰷p小，而靠近側(cè)壁的火焰前緣速度場增大?；旌蠚庵械牧鲌鍪钦?，而燃燒氣體中的流場主要是負(fù)的。這有助于產(chǎn)生平面火焰（圖4中t = 12.00 ms時(shí)）。此時(shí)，在靠近側(cè)壁的火焰前沿后面產(chǎn)生渦流。由于斜壓效應(yīng)，燃燒區(qū)內(nèi)的氣流固有地呈漩渦狀。然后，在渦流的對流作用下，火焰前沿向燃燒區(qū)推進(jìn)，形成一個(gè)原始的后尖點(diǎn)（圖4中t = 18.00 ms處）。其它研究表明，當(dāng)存在平面火焰時(shí)，會在火焰前沿附近形成明顯的逆壓梯度。此外，燃燒氣體中的上、下渦流分別為順時(shí)針和逆時(shí)針。然后火焰演變成經(jīng)典的“郁金香”火焰。

圖4 BR = 0時(shí)，郁金香火焰產(chǎn)生時(shí)的速度場和壓力場

在此之后，火焰前沿前混合物中的速度場較大，導(dǎo)致火焰前沿向右移動(dòng)。原始尖瓣被逆流拖向左側(cè)（圖5中t = 22.00 ms）。然后，火焰唇前面的壓力場明顯大于周圍區(qū)域的壓力場（圖5中t = 25.00 ms）。此時(shí)，在火焰前沿附近，負(fù)流源自火焰唇，并被引向燃燒區(qū)域和側(cè)壁。該流型與Zheng等人先前對火焰?zhèn)鞑ミM(jìn)行的研究相似。在他們的研究中，這種流動(dòng)模式導(dǎo)致“郁金香”火焰的邊緣顯著減速，導(dǎo)致形成二次尖端并產(chǎn)生扭曲的“郁金香”火焰。在本文中，負(fù)速度場是更大的區(qū)域，火焰唇靠近側(cè)壁。這可能導(dǎo)致火焰唇更顯著的減速，從而導(dǎo)致在其上形成兩個(gè)次級尖點(diǎn)。這表明DTF的形成。DTF建立后（圖5中t = 33.00 ms），次級尖持續(xù)向原始尖推進(jìn)，水平唇尖距離增加。

圖5 當(dāng)BR = 0時(shí)，扭曲的“郁金香”火焰產(chǎn)生后的速度和壓力場

圖6-7顯示了當(dāng)BR = 0.5時(shí)，火焰接近和通過障礙物時(shí)，火焰前沿附近的速度場和壓力場。與BR = 0時(shí)類似，點(diǎn)火后壓力梯度為正（t = 5.00-8.00 ms，如圖6所示）。之后，火焰從障礙物噴出，導(dǎo)致火焰速度和過壓的快速激增（在t = 8.00-8.50 ms）。此時(shí)，障礙物下游出現(xiàn)一對壓力稀疏區(qū)域，并伴隨著渦流的形成（圖6中t = 8.75 ms）。在通過障礙物時(shí)，火焰裙被卷入渦流中?；鹧娉尸F(xiàn)蘑菇狀結(jié)構(gòu)，伴隨著火焰速度的降低。隨后，障礙物下游的殘余混合物被消耗，并且燃燒產(chǎn)物的膨脹推動(dòng)火焰以更高的速度向右傳播。

圖6 當(dāng)BR = 0.5時(shí)，火焰接近障礙物時(shí)的速度場和壓力場

圖7 當(dāng)BR = 0.5時(shí)，火焰通過障礙物時(shí)的速度場和壓力場

圖8說明了從“郁金香”火焰到雙“郁金香”火焰整個(gè)發(fā)展過程中速度場和壓力場的變化。如圖8中t = 18.00 ms處所示，壓力梯度和流場主要為負(fù)，而火焰唇之間的流場為正。因此，火焰唇的移動(dòng)向左移動(dòng)，而尖點(diǎn)向右移動(dòng)，導(dǎo)致火焰唇彼此更靠近。最后，上火焰唇和下火焰唇幾乎合并在一起，如圖8中t = 18.50 ms處所示。在這一點(diǎn)上，流場是正向的，在所有的區(qū)域，除了在側(cè)壁附近的燃燒氣體中的渦流。燃燒區(qū)內(nèi)的速度場分布不均勻。之后，隨著壓力梯度的變化，出現(xiàn)了雙“郁金香”火焰（圖8中t = 19.00 ms）。

圖8 當(dāng)BR=0.5時(shí)，“郁金香”火焰發(fā)展為雙“郁金香”焰的速度場和壓力場

圖9說明了從雙“郁金香”火焰到多頭火焰整個(gè)發(fā)展過程中速度場和壓力場的變化。一旦雙“郁金香”火焰形成，火焰嘴唇之間的壓力就會超過火焰嘴唇內(nèi)的壓力。火焰嘴唇內(nèi)的流場為正，而火焰嘴唇之間的流場為負(fù)（圖8中t=19.00 ms）。由于壓力場和流場的耦合作用，火焰嘴唇向右移動(dòng)，火焰尖端向左延伸。最終，對于雙“郁金香”火焰（圖9中t=19.50 ms），水平唇尖距離變長。在整個(gè)過程中，火焰嘴唇相互靠近，導(dǎo)致它們之間的距離減小，最終坍塌（圖9中t=20.50 ms）。在此之后，壓力梯度變?yōu)檎??；鹧娉识囝^形狀。在這一時(shí)期，速度場和流場表現(xiàn)出更加復(fù)雜的分布。在燃燒區(qū)域內(nèi)，正向流場從兩個(gè)中心火焰頭向前推進(jìn)，并在接近未燃燒區(qū)域時(shí)向上、下兩個(gè)區(qū)域偏轉(zhuǎn)。因此，三個(gè)尖點(diǎn)附近的流場變?yōu)樨?fù)值。在三個(gè)尖點(diǎn)中，中心尖點(diǎn)處的速度場最大，這可能與兩個(gè)中心頭處的正流場偏轉(zhuǎn)的共同影響有關(guān)。因此，在三個(gè)火焰尖中，中間的一個(gè)進(jìn)一步向左延伸。當(dāng)火焰從郁金香形狀演變?yōu)槎囝^形狀時(shí)，火焰結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化。

圖9 當(dāng)BR=0.5時(shí)，雙“郁金香”火焰發(fā)展為多頭火焰的速度場和壓力場

4.結(jié)論

采用大渦模擬方法研究了封閉管道內(nèi)合成氣/空氣預(yù)混火焰的演化過程。研究的主要結(jié)果如下所示。

(1)在沒有障礙物的情況下，火焰經(jīng)歷了“郁金香”火焰的經(jīng)典演變，并可以發(fā)展成扭曲的郁金香形狀。然而，在具有障礙物的情況下，障礙物下游的火焰在顯示出郁金香形狀之后可演變成更復(fù)雜的形狀。

(2)“郁金香形”火焰的形成受到壓力、速度和流場的影響。“郁金香”火焰在有無障礙物和無障礙物存在時(shí)會呈現(xiàn)出不同的形狀，這主要受未燃區(qū)和已燃區(qū)的壓力場和流動(dòng)動(dòng)力學(xué)相互作用的影響。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.renene.2024.121431