“双碳”背景下火焰速度测量实验设计与教学改革

朱燕群， 朱润凡， 谷月玲， 管文洁

（浙江大学能源清洁利用国家重点实验室，杭州 310027）

0 引 言

从2021年3月全国学科评估数据显示，国内59所高校拥有动力工程及工程热物理一级学科，并开设了能源与环境系统工程或热能工程相关专业，为我国能源与动力拔尖创新人才的培养做出了重要贡献。实验教学质量是重要的评估指标之一，高质量的实验教学才能确保工科大学生的综合素质、创新思维能力、工程思维能力和实践技能的全方位提升［1］。

“双碳”背景下，我国将大力推进新能源、可再生能源、储能技术、碳学科等重要的战略性新兴产业的高速发展，碳中和领域高精尖人才培养是现阶段能源与动力专业教育事业的重要任务之一。

能源与环境实验是能源与环境系统工程专业的必修课，是提升大学生实践能力的重要环节，该实验课程始终坚持以学生为主体、以教师为主导、以问题为导向，秉承“夯实基础、注重素质、强化实践、培养工程能力及鼓励创造”的实践教学理念，针对专业实验课程的精品化、实验教材的高质量、实验教学内容的新颖化、突显双碳内涵等领域开展探索和实践，被认定为浙江省线上线下混合式一流课程，其中一个虚拟仿真实验也认定为校级一流课程。

为了更好地发挥实验教学的引领和示范作用，科教协同，自研自制了一套基于热流量法的燃烧火焰速度定量测量的实验教学装置，以精确测量氢气、氨气、甲烷、乙烷、丙烷等低碳、零碳气体燃料和液体燃料的绝热层流火焰速度为设计目标，8～10人的小班化教学，构建了学生自主设计实验方案、协同完成TBL（Team-Based Learning，小组合作学习）目标实验、以学生为主体、教师引导、多维互动的实践教学新模式，满足新时代工科生的实验教学需求，为全面提升学生的综合素质奠定基础。

1 火焰速度的测量

开发新型低碳气体燃料如煤基、生物质、有机废弃物的气化产生的合成气以及氢气、NH3等零碳能源的多元化利用是实现我国“碳中和”宏伟目标的关键。掌握火焰速度的测量方法，认识燃料的燃烧特性，具备扎实的燃烧理论知识，是实现我国能源产业结构变革与产业快速发展的关键［2］。

层流火焰速度［2］，亦称层流燃烧速度，是重要的基础燃烧参数，它是指预混可燃物的火焰前锋沿其法线方向相对于未燃混合气的推进速度，与火焰稳定性、火焰高度以及污染物排放密切相关，精确测量层流火焰速度是研究燃料燃烧特性的基础。

层流火焰速度的测量方法主要包括本生灯法、停滞流法、对冲火焰法、球形爆炸法、热流量法等，不同方法的优缺点各异。

本生灯火焰法由Bunsen在1855年提出，是最简单、最成熟的稳定预混燃烧方法，由于本生灯火焰能为多维燃烧场提供最简单的模型［3］。该方法是通过测量反应区域的锥形火焰前沿的表面积来间接计算层流火焰速度，由于把火焰前沿看作直角锥体而引入了误差，从而影响层流火焰速度的测量结果。

停滞流法是一种直接测量火焰速度的方法，改变来流未燃气体流速，通过外插法获得零拉伸层流火焰速度，但需要花费大量的时间进行试验测量。Khalil等［4］曾用本生灯法和停滞流法对稀薄预混H2／CO／CO2合成气的层流燃烧速度进行了测量与对比，认为停滞流法比本生灯法更精确。

对冲火焰法的测量原理跟停滞流法非常相似，都是先测量轴向速度分布，获得拉伸层流火焰速度，然后改变流速，计算不同的拉伸率和相应的拉伸火焰速度，通过外插法获得零拉伸层流火焰速度，但对冲火焰法在火焰速度高于150 cm／s时精度不高。

球形爆炸法由Nair等［5］在1974年提出，是指燃料与空气的混合气在燃烧器炉膛的中心由一个电火花点燃，然后膨胀燃烧向外扩散。通过纹影法可以拍到火焰前锋，能够实时反映火焰传播速度。

热流量法由De Goey等［6］在1993年最先提出，该方法利用一个多孔黄铜板作燃烧器，通过热补偿实现动态热平衡，从而获得绝热零拉伸一维平面火焰；通过改变来流气体的流速，测量亚绝热状态和过绝热状态下的燃烧速度，然后通过内插法直接计算获得绝热状态下的零拉伸层流火焰速度。可见，热流量法无需外插即可获得绝热状态下的零拉伸层流火焰速度，与其他方法相比具有明显的优势和先进性。为此，本实验将基于热流量法的层流火焰速度测量装置开展实验教学。

2 测量系统介绍

自主设计开发的基于热流量法的层流火焰速度测量系统如图1所示，主要包括给气系统、预混单元、燃烧系统和控制系统。

图1 基于热流量法的层流火焰速度测量系统

给气系统包括高纯气瓶、不锈钢管路、质量流量计和阀门。燃料和氧化剂由高纯气瓶提供，通过不锈钢管路连接预混单元的进口，管道上沿高纯气瓶出口至预混单元进口方向上设有质量流量计。预混单元为一根3 m左右的聚四氟乙烯管，预混单元出口与热流量炉底部的预混气体进口相连接。

燃烧系统包括热流量炉、恒温水浴锅和恒温油浴锅。热流量炉由炉膛、炉头和炉盘3部分组成，其结构如图2所示。炉膛为一夹层结构，夹层外通水并连接一个恒温水浴锅控制水温，用以保证预混气体的温度恒定。沿着炉膛内壁四周（离底部约1／8处）焊接了一块布风板，可在一定速度范围内使来流在出口处达到均匀分布。炉头为一渐缩结构，炉头下部通过一个橡胶环与炉膛密封连接，炉头上部与炉盘相连，两者之间装有陶瓷环用以阻断热传递。炉头顶部四周设有一圈加热槽，加热槽中的加热油外连一个恒温油浴锅，以加热炉盘使其温度维持稳定。炉盘为一厚2 mm、直径30 mm的带孔黄铜圆盘［见图3（a）］，小孔以六面晶格的方式均匀排列，8只热电偶嵌入距炉盘中心不同半径处的8个小孔内［见图3（b）］，小孔直径为0.3 mm，孔间距为0.4 mm，用以测量盘片的温度分布，热电偶的尾端接入数据采集仪。

图2 热流量炉实物

图3 炉盘实物

控制系统包括电脑和数据采集仪，质量流量计和数据采集仪则由自行编写的LabVIEW程序控制，实现流量控制、温度数据读取、危险情况急停等操作。

若开展实验的燃料是液体燃料（如正庚烷、异辛烷、甲醇、乙醇等）时，在气体燃料火焰速度测量系统基础上需前置一个液体蒸发装置，液体燃料在混合器装置与惰性气体（一般为氮气）碰撞，破碎成小液滴，由氮气携带气溶胶至加热单元（200℃）将液体燃料完全气化后再通入热流量炉进行测量。

3 热流量法的测量原理

热流量法测量的基本原理是当一维平面火焰稳定在盘片上，来流气体通过炉盘获得的热量Q2与火焰向炉盘的传热Q1之间达到平衡，即火焰对外的传热全部来加热未燃气体时，即可获得绝热稳定平面火焰。测试原理如图4所示，未燃预混气体从底部进入炉腔，炉腔周围由一圈循环冷水准确控制未燃物温度Tu；未燃气体继续向上流动至多孔黄铜片；因小孔的节流作用，火焰在距炉盘δa处达到稳定的平面状态。若以盘片为参考对象，其接受来自火焰的热流Q1，并把热流Q2传递给未燃气体。因为火焰对黄铜盘片的传热远大于其向周围环境的散热，因此若Q1＝Q2，则相当于稳定火焰所需要的热损失和未燃气体从炉盘获得的热量之间达到平衡时，即认为火焰达到了绝热状态。

图4 热流量法原理示意图

炉盘的热传导状态可以由炉盘上的温度分布直接反映。根据理论分析，盘片温度分布服从抛物线关系，可用公式来表达：

式中：T（r）为在盘片半径r处的温度；T（0）为盘片中心的温度；C为二次项系数。在实验中，改变来流气体速度u会导致C随之改变，当读取的二次项系数C＝0时，其来流速度即为无拉伸的绝热层流火焰速度。

4 实验步骤

（1）根据各个仪器装置，检查管路，保证试验系统密闭性。

（2）根据试验工况，按照实验所需初始温度来设置恒温水浴锅的温度，一般设置为25℃，若实验初始温度大于100℃，则需要将水浴锅内的介质水替换为二甲基硅油，最高工作温度为300℃；恒温油浴锅的设定温度一般比水浴锅设定温度高50℃以上。

（3）打开惰性载气、氧化剂气体和燃料气体气瓶的阀门开关，根据试验工况，在自行编写的LabVIEW程序的前面板中输入对应工况的当量比、燃料掺混比、未燃气的来流速度，通过LabVIEW软件来控制质量流量计的输入值，保证燃料、氧化剂和惰性载气按给定的比例混合。

（4）各支路的气态原料进入预混器进行充分混合后，预混未燃物被送至热流量炉的底部进口，由布风板分散均匀后依次通过炉膛、炉头和炉盘，最终在盘片上方被点火装置点燃，形成一维平面火焰。

（5）通过嵌入热流量炉盘片不同半径距离的多只热电偶，测量得到炉盘的温度分布Ti（i＝1，2，…，n），对炉盘温度分布进行二次多项式拟合：Tr＝T0＋Cr2。其中：Tr为在盘片半径r处的温度；T0为炉盘中心的温度；r为盘片上目标点到炉盘中心的径向距离。经计算得到二次项系数C。

（6）调节预混未燃物的流速，重复步骤（5）得到不同流速下的二次项系数C。

（7）对二次项系数C随未燃物流速的变化情况进行线性拟合，得到C＝0处的流速大小，即为燃料的层流火焰速度值SL。

（8）通过计算热电偶测温波动导致的误差ΔSTLC和流量计控制流量波动导致的误差ΔSMLFC，计算得到实验测量的层流火焰速度误差ΔSL（ΔSL＝ΔSTLC＋ΔSMLFC）。

5 实验结果与分析

图5所示为3种燃料在Tu＝298 K（T0u）下的层流火焰速度实验测量和模拟结果，同时引用了文献中的实验结果用以对比。这些文献结果分别使用平面火焰法［7-8］、对冲火焰法［9-10］、本生灯法［11-12］、球形爆炸法［13］以及热流量法［14］。经计算，本实验装置的测量误差ΔSL均在±1 cm／s内。3种燃料的测量数据与文献数据几乎重叠，证明本实验装置可以有效测定气体燃料的层流火焰速度，满足本科实验的教学需求。

图5 298 K下甲烷、乙烷、丙烷＋空气的层流火焰速度

实验过程中深度耦合了直观演示式教学法和任务驱动式教学法，基于TBL任务性实验，学生严格按照实验步骤，通过LabVIEW程序界面改变燃料组合（甲烷、氨气、一氧化碳、氢气）、给气速度、燃料掺混比（0%～100%）、当量比（0.7～1.6）、未燃物初始温度（25～80℃）等参数。根据试验工况计算得到不同气体的流量值并进行输入，根据预设的给气速度调整未燃物给气速度，记录每次试验结果，直到找到C＝0时所对应的未燃物的流速。因为，C＝0时所对应的未燃物的流速，即为该燃料掺混比、当量比、初始温度值条件下的燃料的层流火焰速度值。待该实验工况结束后，根据实验步骤进入下一个实验工况，直至所有实验工况完成为止。

6 结 语

在新形势下，对人才培养的实验教学环节提出了新的要求，秉承“夯实基础、注重素质、培养能力、鼓励创造”的实践教学理念，专业实验融入了“双碳”内涵。基于TBL任务性实验，开展低碳气体层流火焰速度测量，学生不仅发现燃料的层流火焰速度与燃料的组分、当量比、给气速度密切相关，而且掌握了火焰燃烧速度测量的原理及方法，既加深学生对燃烧理论知识的理解，又显著提升了学生的实践动手能力和工程素养。为此，本科生的实验教学质量得到了明显改善。