高温富氧空气下燃料射流自点火及火焰抬升特性研究

刘贵军，钱文凯，李苏辉

(清华大学能源与动力工程系，北京 100084)

富氧燃烧能够极大地提高碳减排效率.近年来，国际上提出了应用富氧燃烧的燃气轮机循环[1]和超临界CO2燃气轮机循环[2-3]，通过提高燃烧室来流的CO2浓度，降低N2含量，在提高碳捕捉效率的同时，还可以降低NOx排放.但是富氧燃烧要求提高空气中的O2浓度以稳定火焰，这就使得燃料和富氧空气在燃烧室预混段混合时易发生自点火，进而引起回火或挂火，影响燃气轮机稳定运行[4].因此，研究燃料与富氧空气混合过程的自点火现象和火焰稳定机理有重要意义.

传统的自点火研究多在均匀组分场、均匀温度场等条件下开展[5-6]，侧重于着火的化学反应动力学过程.但燃料与空气混合过程中的自点火是受流动与化学反应耦合作用影响的，特别是在湍流条件下，湍流输运影响组分场和温度场，进而影响自点火的发生和后续火焰的传播与稳定[7].近年来，国际上逐渐开展了燃料混合过程中的自点火研究，在流动对自点火的作用机理、火焰抬升高度预测和火焰稳定机理等方面取得了一定进展.

Deng 等[8]采用数值模拟研究了二甲醚射流在协流空气中自点火火焰的稳定机理，发现当协流温度较高时，局部流动速度与火焰传播速度之间的平衡是主要的火焰稳定机理；而当协流温度较低时，自点火化学反应动力学是主要的火焰稳定机理.

在火焰传播稳定方面，Wu 等[9]发现对于湍流射流火焰，当火焰抬升高度变大时，火焰稳定机理更偏向于火焰传播.Cabra[10]通过实验指出，射流火焰抬升高度随射流速度和协流速度的增加而增加，并在较低协流速度下与Gautam[11]得出的预混火焰抬升高度关系式拟合良好.Bradley 等[12]通过实验建立了传统射流火焰高度和抬升高度的数据库，涵盖了6 种不同的燃料和流动状态，并通过数学建模定义了一个新的参数U，给出了火焰高度和抬升高度的关系.

在自点火动力学稳定方面，Chung 等[13-14]指出层流射流在高温空气中自点火形成的抬升火焰类似于MILD 燃烧，且抬升高度随射流速度与化学当量均匀混合物自点火延迟时间平方的乘积成正比.Reuter等[15]同样指出二甲醚射流在协流空气中自点火抬升高度与自点火时间有很大关系.Williams 等[16]发现，基于燃料射流-空气协流流动时间计算出的点火时间遵循Arrhenius 关系式，这说明自点火对火焰稳定起着重要作用.Masri 等[17]通过概率密度函数方法也证实了自点火的产生对火焰稳定机理的重要作用.

但Oldenhof 等[18]发现自点火抬升高度在不同Re 数下随射流速度呈不同的变化趋势，并指出湍流对自点火的产生具有重要作用.Markides 等[19]和Echekki 等[20]也通过实验验证了这一结论.因此，在湍流输运-自点火动力学耦合的情况下，上述两种火焰稳定机理都存在局限性.Li 等[21]进一步在湍流混合时间和自点火时间相当的情况下，基于湍流大尺度混合模型对自点火抬升火焰高度预测模型进行了修正，预测效果良好.

上述研究初步揭示了自点火非预混射流火焰的稳定机理，以及湍流混合、火焰传播以及自点火化学反应动力学对抬升高度的影响机制，但目前尚无在富氧条件下的相关研究报道.在富氧条件下，针对传统射流火焰的研究发现，氧气含量对火焰稳定性有重要影响，增加氧气含量可以提高火焰稳定性，降低火焰抬升高度[22-23].然而，这些研究都是针对传统射流火焰，自点火条件下富氧射流火焰的稳定机理还未被研究.因此，本文开展富氧条件下的自点火抬升火焰稳定机理研究，通过高温自点火实验系统，探究火焰抬升高度随射流速度的变化规律.

1 实验系统及测量方法

高温自点火实验系统由空气供应系统、燃料供应系统、尾气排放系统、数据采集与控制系统和双层石英管实验段组成，如图1 所示.

图1 高温自点火实验系统Fig.1 High temperature autoignition experimental system

燃料供应系统通过热式质量流量控制器(Bronkhost EL-flow)提供燃料和稀释气体的混合物，流量控制器最大流量为1 000 L/min，误差为0.1%FS.燃料为 C2H2(99.9%纯度)，稀释气体为 N2(99.9%纯度).数据采集与控制系统由NI 机箱和NI 板卡组成，可以采集热电偶温度信息、各控制器中质量流量信息，并通过模拟电流信号控制流量.

图2(a)展示了实验段部分的剖面图和实物图，该实验段由整流段和反应段组成.乙炔通过内径为4.93 mm、外径为6.35 mm 的燃料喷射管向上注入双层抽真空的石英管，石英管内部直径 25 mm，长0.6 m，可屏蔽外界对抬升火焰的影响.富氧空气从整流段底部进入，对燃料管加热后经扰流板产生湍流，在石英管中与燃料混合发生自点火.图2(b)是在无燃料通入、高温空气流速保持20 m/s 的工况下测量得到的石英管内部温度沿轴向的分布情况，在0～30 cm 的范围内管内温度下降不超过12 ℃.同时，为了防止热损失对自点火过程产生影响，实验段中除石英管外的区域都被包裹了保温材料，因此可以认为双层抽真空石英管近似绝热.

图2 实验段结构及温度分布Fig.2 Experimental setup and its temperature distribution

在本次实验中，通过热式质量流量控制器控制常规空气和氧气(99.9%纯度)的流量，使两种气体混合形成富氧空气，协流速度保持20 m/s 恒定，对应雷诺数为6 260，加热器处空气温度维持在570 ℃.在实验开始前，通过持续1 h 的热空气通入使得实验系统达到热平衡状态.随着氧气含量的增加，理论火焰温度的增幅逐渐减小，在氧气体积分数为26%～31%时，综合效益较高[4].因此，本实验中富氧空气中O2体积分数为25%.燃料稀释气体为N2，燃料摩尔分数及对应产生自点火的射流速度区间见表1.

表1 实验参数Tab.1 Experimental parameters

此外，本次实验采用数码相机在黑暗的条件下拍摄火焰照片，用来确定火焰类型和抬升高度.MATLAB 软件被用来对火焰照片进行后处理，通过寻找火焰轴线上亮度突变的位置，确定抬升火焰根部的位置，进而通过石英管旁刻度尺，可以确定燃料管口到火焰根部的距离，进而确定抬升高度.考虑相机拍摄像素畸变误差、直尺读数误差，该方法测得抬升高度的误差约为2%，可以接受.

2 结果与讨论

2.1 自点火火焰类型

当燃料进入热空气时会发生自点火，通过改变燃料射流速度和燃料稀释程度，常规空气和富氧空气中都会获得3 种火焰类型：附着火焰、带有间歇点火的抬升火焰和抬升火焰.由数码相机(佳能EOS 6D)拍摄到的火焰类型如图3 所示，光圈f/1.8，感光度ISO为6 400，附着火焰关头和带有间歇点火的抬升火焰的曝光时间为0.1 s，抬升火焰的曝光时间为1 s.

图3 自点火火焰类型Fig.3 Combustion modes of autoignition jet flame

固定燃料摩尔分数、固定氧气含量的工况下，附着火焰常发生在较低燃料射流速度区域，火焰附着在燃料管口，呈明亮的黄色；当燃料射流速度进一步增加时，火焰会发生抬升，由黄色变为蓝色，抬升火焰上方会随机出现间歇点火并伴有“噼里啪啦”的声音；继续增大燃料射流速度，间歇点火消失，转变为稳定的微蓝色抬升火焰.

2.2 自点火抬升高度

图4 展示了常规空气(氧气体积分数φO2＝21%)和富氧空气(氧气体积分数φO2＝25%)两种条件下发生自点火时形成的射流火焰的抬升高度HL随燃料射流速度Ujet的变化情况.

图4 自点火射流火焰抬升高度Fig.4 Lift-off height of autoignition jet flame

已知Ucoflow＝20 m/s，常规空气条件下不同燃料摩尔分数(Xf)的自点火抬升火焰在燃料射流速度大于10 m/s 时即可发生.但是，在富氧空气条件下，无论燃料摩尔分数取何值，只能在燃料射流速度大于20 m/s 的时候形成抬升火焰，低于此临界值火焰就会附着在燃料管出口.从火焰传播的角度来看，当氧气含量更高时，火焰传播速度随之增大，更容易在较低射流速度下向上游传播，形成附着火焰，因此需要更大的射流速度形成抬升火焰；从化学反应动力学的角度来看，火焰在高氧气浓度下反应速率更高[24]，进而缩短自点火延迟时间，容易在近管口处发生自点火，造成火焰附着.

根据图4 可知，抬升火焰的吹熄极限速度随燃料摩尔分数增大而提升.且富氧条件下3 组数据的抬升火焰吹熄极限速度均大于常规氧气条件.由此可知，在相同燃料摩尔分数和射流速度时，富氧条件下自点火火焰的抬升高度更低，火焰稳定性更好.这是因为，在富氧条件下，化学反应速率更快、反应强度更大，更能抵抗吹熄，因此自点火抬升火焰的稳定性更好[23].Merlo 等[22]针对传统富氧火焰的研究发现氧浓度的增加可以降低火焰抬升高度，降低火焰高度波动，提高火焰稳定性.

两种氧气浓度下火焰抬升高度均随射流速度的增加而增加，图4(a)中火焰抬升高度近似为线性增加，与文献[10，14]的结果一致，但图4(b)中火焰抬升高度在Ujet＝30 m/s 附近存在突增区域.为了更好地分析该区域形成的原因，本文将φO2＝25%，Xf＝0.36 工况下的火焰图像按其随射流速度的变化情况排列起来，如图5 所示.

图4(b)中的突增区域对应图5 中火焰类型由“间歇点火＋抬升”变为“抬升”的序列区间.图4(a)中Ujet处于10～15 m/s 的区间也存在一个较小的抬升高度突增区域，但该突增区域前的数据点更少，拍摄得到的火焰图像表明该较小突增之前的火焰类型也是“间歇点火＋抬升”，在突增之后火焰类型变为“抬升”.对于这种现象，Li 等[21]通过ICCD 相机拍摄的OH*化学荧光图像对“间歇点火＋抬升”火焰形成机理进行了分析，结果表明间歇点火和抬升火焰之间存在一段无OH*区域，该区域未能发生燃烧反应，而是在更下游的区域发生了间歇点火.其原因可能是当燃料射流速度与空气协流速度相差较小时，燃料和空气之间的剪切混合效应较差，没有充足的氧气与燃料混合使之燃烧完全，未燃尽的燃料在下游接触到新鲜的高温空气后被再次点燃.

图5 富氧条件下火焰随射流速度变化的图像Fig.5 Images of oxygen-enriched flames with different jet velocities

此外，富氧空气使得抬升火焰下游更容易形成间歇自点火，因此尽管燃料射流速度在不断增加，火焰仍能较长时间保持“间歇点火＋抬升”状态，因此火焰抬升高度在突增前缓慢增长.当燃料射流速度增大到一定程度，与空气速度之差足够大，燃料和空气可以充分混合，火焰类型进而转变为“抬升”，同时高氧气导致射流火焰传播速度较大，能够与较高的射流速度平衡.此外，脱离了“间歇点火＋抬升”状态后，射流速度提高时，射流的流动距离会明显增大.这两个因素共同作用，导致火焰抬升高度的突增.

2.3 自点火稳定机理

在了解富氧条件下自点火射流火焰的抬升特性后，尚需进一步了解其内在的稳定机理.由前言部分的论述可知，对于自点火形成的射流抬升火焰，目前主要有3 种稳定机理：化学反应动力学稳定[14-15]、火焰传播稳定[10-11]、湍流混合-化学反应耦合稳定[20-21].因此，本文通过将富氧条件下自点火抬升高度数据与以上3 种稳定机理对应的抬升高度预测模型拟合，对比分析得出影响富氧自点火抬升火焰稳定性的主要因素.

化学反应动力学稳定机理对应的抬升高度预测模型将反应物停留时间与化学反应时间相关联，认为火焰根部的稳定位置是反应物停留时间与自点火延迟时间平衡的结果.其表达式如方程(1)所示[15]，式中τign为化学当量的均匀混合物自点火延迟时间.忽略空气在管中流动时的热损失，绝热条件下化学当量自点火混合物延迟时间τign,ad可以代替τign，并采用一次方的形式，τign,ad可由CHEMKIN-PRO 软件中的均相反应器计算得到.

基于自点火化学反应动力学模型拟合得到的抬升高度如图6 所示.为便于对比，文中给出了实验数据的拟合线，可以看出，无论在何射流速度下，该模型中各数据点都距拟合线较远，故该模型整体拟合情况较差.通过计算可知，富氧条件下τign,ad相比常规空气条件下τign,ad的变化很小.而富氧条件下燃料射流速度较大，反应物停留时间大大缩短，无法与自点火时间平衡.且方程(1)的抬升高度模型是基于层流火焰自点火提出的，与本实验中湍流自点火射流火焰性质差异较大.因此，基于自点火延迟时间与流动时间平衡的化学反应动力学模型无法对非预混射流火焰的抬升高度做出准确预测.

图6 基于自点火化学反应动力学模型的抬升高度Fig.6 Lift-off height based on the autoignition-controlled model

由于燃料射流与空气协流之间存在湍流混合作用，较高的燃料射流速度使得燃料与空气间速度差变大，二者之间的剪切混合作用变大，故本文考虑采用预混火焰模型进行拟合.预混火焰模型认为当燃料射流与空气协流混合较好时，火焰传播速度与反应物的流动速度之间的平衡对火焰的稳定起到关键作用，决定了火焰根部的位置，即火焰抬升的高度.该模型表达式如方程(2)所示[11]，式中ρjet/ρcoflow为在初始温度(570 ℃)下燃料射流与空气协流的密度比，vjet为初始温度下燃料射流运动学黏度，SL，st表示化学当量下的层流火焰速度，由CHEMKIN-PRO 软件中一维层流预混火焰模型计算得到.

基于预混火焰模型拟合得到的抬升高度如图7所示.结合拟合直线可以看出，当燃料射流速度较低时，数据点的拟合比较分散，但随着燃料射流速度的增加，经过抬升高度突增区后，数据点的拟合情况变好.这说明预混火焰模型更适用于高速燃料射流工况.这是因为燃料射流速度较高时，燃料射流与空气协流之间的速度差增大，二者的剪切效应增强，促进了燃料与空气的混合，从而使得射流火焰表现出预混火焰的特性.此外，富氧条件下火焰传播速度变大，使得火焰传播速度与同样较大的局部流动速度形成平衡，从而实现射流火焰抬升高度的准确预测.

图7 基于预混火焰模型的抬升高度Fig.7 Lift-off height based on the premixed flame model

图6 和图7 表明，在高速射流时，燃料和空气湍流混合较好，火焰传播速度与局部流动速度的平衡决定了射流火焰的抬升高度和稳定；但在低速射流时，无论是自点火动力学模型还是预混火焰模型拟合效果都比较差.这说明在低速时，湍流混合作用较差，火焰的抬升高度不是由单一的自点火化学反应动力学或火焰传播主导，要想较好地预测火焰抬升高度，需要将湍流混合与化学反应耦合的作用考虑进来.

对于湍流混合-化学反应耦合稳定机理，其代表模型是Li 等基于湍流大尺度混合模型[25]提出的自点火-湍流大尺度混合模型[21].湍流大尺度混合模型常用于预测常规射流火焰的抬升高度，Li 等通过修正使其适用于预测自点火射流火焰的抬升高度.湍流大尺度混合模型的表达式如方程(3)所示[25]，Li 等将化学反应时间 τchem替换为绝热自点火延迟时间τign,ad，修正后的自点火-湍流大尺度混合模型的表达式如方程(4)所示[21].由方程(4)可知，该模型下火焰抬升高度与混合时间的倒数及绝热自点火延迟时间成正相关，即火焰抬升高度同时受自点火化学反应动力学和湍流混合两者的作用.

式中：dj为燃料喷口直径；αst为化学当量下燃料/空气混合物的热扩散系数；Yf,o是掺混燃料射流混合物中的燃料质量分数；Yf,st是掺混燃料射流混合物在化学当量下的燃料质量分数.其中，τchem用αst/(SL2,st)衡量，τmix用dj/Ujet衡量.

基于自点火-湍流大尺度混合模型的抬升高度情况如图8 所示.该模型燃料射流速度较低时，数据点拟合情况很好；但随着燃料射流速度的增加，抬升高度突增区域之后数据点的分布非常分散，拟合效果较差.这说明自点火-湍流大尺度混合模型适用于较低Ujet区域，此时湍流混合时间与自点火时间相近，湍流混合和化学反应耦合强度较高.而在较高Ujet区域，湍流混合时间很短，湍流混合和化学反应耦合强度较低，此时该模型的准确性较差.因此，当燃料射流速度较低时，湍流混合和自点火化学反应动力学共同决定射流火焰的抬升高度.

图8 基于自点火-湍流大尺度混合模型的抬升高度Fig.8 Lift-off height based on the modified large-scale mixing model of autoignition

上述分析表明，对于富氧条件下自点火形成的非预混射流火焰，自点火-湍流大尺度混合模型在燃料射流速度较低时能够较好地预测其抬升高度，而预混火焰模型在燃料射流速度较高时能够较好地预测其抬升高度.这说明，当燃料射流速度较低时，湍流混合与自点火化学反应动力学共同决定火焰稳定位置；当燃料射流速度较高时，火焰传播速度与局部流动速度的平衡是火焰稳定的决定因素.

3 结论

本文研究了燃料射流在高温富氧空气协流中发生自点火后形成的射流火焰的火焰特性、抬升高度和稳定机理.

(1) 相比于常规空气，在相同燃料摩尔分数、相同射流速度下，富氧空气中更容易形成自点火附着火焰，因此需要更高的射流速度才能形成抬升火焰，并且抬升高度更低，吹熄极限速度更大，火焰稳定性更好.这是因为富氧条件下氧含量的提高增大了燃烧速度.

(2) 随着燃料射流速度增加，火焰类型由“间歇点火＋抬升”转变为“抬升”时，富氧条件下自点火抬升高度会发生明显突增，突增变化量远大于常规空气条件.这是因为富氧空气使“间歇点火＋抬升”向“抬升”的转变过程发生延迟，而燃料射流速度的进一步增加使火焰类型发生转变，射流的流动距离增大，导致火焰抬升高度突增.

(3) 通过将实验数据与预混火焰模型、自点火化学反应动力学模型、湍流大尺度混合模型以及自点火-湍流大尺度混合模型进行拟合，结果表明，当燃料射流速度较低时，湍流混合与自点火化学反应动力学共同决定火焰稳定位置；当燃料射流速度较高时，火焰传播速度与局部流动速度的平衡是火焰稳定的决定因素.