CN115654497B - 一种超高温稳定层流燃烧环境构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高温稳定层流燃烧环境构建方法，为燃烧器的炉面提供水冷环境；将甲烷、氧气和氮气I通入集气腔中，得到预混气；将氮气II通入伴流环中；使预混气经集气腔进入炉面、点火燃烧；同时使氮气II经伴流环进入炉面、在火焰外形成环形伴流；调节甲烷、氧气、氮气I和氮气II的流量，得到所需火焰温度。本发明提供一种超高温稳定层流燃烧环境构建方法，以解决现有技术中难以实现2100K～2500K超高温稳定燃烧实验环境的问题，实现搭建实验室量级的超高温稳定燃烧环境，为抗高温材料的定量考核、超高温温度测量技术的校准与验证、超高温燃烧机理的研究等提供环境支持的目的。

Description

一种超高温稳定层流燃烧环境构建方法

技术领域

本发明涉及超高温燃烧领域，具体涉及一种超高温稳定层流燃烧环境构建方法。

背景技术

2100K以上的超高温环境是先进的内燃机和航空航天发动机常见的工作状态，稳定的超高温实验环境可用于抗高温材料的定量考核、超高温温度测量技术的校准与验证、超高温燃烧机理的研究。

基于气态预混火焰燃烧器和甲烷/空气体系，现有技术已经实现了最高2110K燃烧环境的搭建，并且使用了相干反斯托克斯拉曼散射温度测量技术对所搭建的环境温度进行了评估。但是，目前实验室用于制造研究型燃烧试验器的材料多选用304不锈钢等金属，该类材料的熔点均低于2000K；并且，以空气作为氧化剂、小分子碳氢燃料作为燃料的燃烧体系由于空气中不参与反应的氮气占比很高，其极限燃烧环境难以突破2100K。

综上，温度为2100K～2500K的超高温燃烧环境，多出现于先进的航空航天发动机燃烧室内部，而这些燃烧环境所对应的实验设备均做了较为复杂的热管理和热防护设计，这样的环境有两个明显的缺陷：一是实现起来成本和难度很大；二是燃烧流动十分复杂，不利于超高温环境衍生技术发展。因此，现有技术中未见到有实验室量级的，稳定性高、工作时间长、实现方式便捷、温度可超过2100K的超高温实验环境，不利于超高温燃烧环境下的科学研究和相关实验的开展。

发明内容

本发明提供一种超高温稳定层流燃烧环境构建方法，以解决现有技术中难以实现2100K～2500K超高温稳定燃烧实验环境的问题，实现搭建实验室量级的超高温稳定燃烧环境，为抗高温材料的定量考核、超高温温度测量技术的校准与验证、超高温燃烧机理的研究等提供环境支持的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

一种超高温稳定层流燃烧环境构建方法，包括：

为燃烧器的炉面提供水冷环境；

将甲烷、氧气和氮气I通入集气腔中，得到预混气；将氮气II通入伴流环中；

使预混气经集气腔进入炉面、点火燃烧；同时使氮气II经伴流环进入炉面、在火焰外形成环形伴流；

调节甲烷、氧气、氮气I和氮气II的流量，得到所需火焰温度。

针对现有技术中难以实现2100K～2500K超高温稳定燃烧实验环境的问题，本发明提出一种超高温稳定层流燃烧环境构建方法，本方法首先为燃烧器的炉面提供水冷环境，之后以甲烷作为燃气，使甲烷、氧气和氮气I通入集气腔中混合，得到预混气，并使预混气经集气腔进入燃烧器的炉面内；同时，使氮气II通入伴流环中，并经伴流环进入炉面。在炉面内将预混气点火燃烧，并使经伴流环流出的氮气II在燃烧火焰外形成环形伴流层。之后调节甲烷、氧气、氮气I和氮气II的流量，直至得到所需火焰温度。

本方法中可通过水冷设备为燃烧器的炉面提供水冷环境。本方法中的伴流环，顾名思义为在炉面入口处设置的环状的集气结构，氮气II经过伴流环后可形成环形气流进入炉面内。

本方法通过匹配环状的伴流氮气，可明显降低火焰回传和火焰边界剪切卷吸的现象，使其能够稳定燃烧，从而得到所需的2100K以上的超高温燃烧环境。

进一步的，通过如下方法为燃烧器的炉面提供水冷环境：在炉面内预埋水冷通道，往所述水冷通道中通入冷却水。

本方案通过预埋水冷通道这种内嵌式的、完全接触的水冷布置方式，及时地带走燃烧器炉体上由火焰传递而来的热量，进而保证了实验器在安全的温度范围内工作。

进一步的，所述水冷通道为铜管，且所述水冷通道预埋在炉面的下半层，可保证炉面上侧的气流均匀，进而有利于形成更为稳定的层流燃烧环境。

进一步的，使用三只气瓶分别装承甲烷、氧气、氮气；

甲烷、氧气从气瓶依次经减压器、流量控制器通入集气腔；

氮气从气瓶经减压器后分流为氮气I、氮气II两路气流，并分别通过流量控制器后通入集气腔、伴流环。

本方案中，甲烷、氧气分别装承在一个气瓶内，经气瓶出口的减压器减压后，由对应的流量控制器控制进入集气腔的流量。而装承氮气的气瓶同时为氮气I、氮气II两路气流提供气源，氮气经该气瓶出口的减压器减压后，采用任意现有分流方式分流为两路气流，分别定义为本申请中的氮气I、氮气II，然后各自经对应的流量控制器后向下游供气。可以看出，本方案中由于对氮气进行了分流，将部分氮气作为了伴流气，因此实质上降低了预混气中氮气的占比，从而有利于实现能量聚集，进而保证超高温燃气环境的实现。

进一步的，在点火燃烧前，依次打开氮气II、氮气I、氧气、甲烷的流量控制器；并在打开甲烷的流量控制器时同步点火，以防止甲烷外泄至空气中。

进一步的，在调节甲烷、氧气、氮气I和氮气II的流量过程中：

基于所需火焰温度，计算得到燃气理论流速；

基于燃气理论流速，计算得到氮气II的流量。

本方案中，假设燃气的流动路径是以炉面为横截面的等直柱体路径、伴流氮气的流动路径是以伴流环为横截面的等直路径，由于燃烧反应前后气体的总物质的量没有发生变化，因此可以认为预混气的总体积流量与燃气的总体积流量一致，那么根据理想气体状态方程，在常压下燃烧时，预混气反应后总体积的变化只跟温度相关，即燃气理论流速只跟温度相关，因此可以通过所需火焰温度计算得到燃气理论流速。此外，由于需要防止燃气与伴流氮气之间发生剪切造成燃烧不稳定，因此应该保持伴流氮气与燃气之间无速度梯度，即伴流氮气流速应该等于燃气流速，所以还可通过燃气理论流速计算得到伴流氮气的所需流量。

需要说明的是，本方案中所述的“燃气”，是指经集气腔进入炉面的甲烷、氧气和氮气I的混合气流。

进一步的，所述燃气理论流速通过如下公式计算：

式中，为预混气总流量；U_gas为燃气流速；d₁为炉面的截面直径；C_T为温度系数；Tad为所需火焰温度；T₀为室温。

其中，预混气总流量即是甲烷、氧气和氮气I的流量之和。

进一步的，所述氮气II的流量通过如下公式计算：

式中，为氮气II的流量；U_gas为燃气流速；d₃为伴流环出口外径；d₂为伴流环出口内径。通过本方案的计算过程，可以匹配伴流氮气流量与预混气总流量、火焰传播速度之间的关系，更加避免火焰回传和火焰边界剪切卷吸的现象，保证其能够形成稳定的超高温燃烧场。

进一步的，调节氮气II的流量从开始逐渐减小，并实时观察火焰动态，直至火焰形貌稳定。

由于预混气在燃烧过程中不可能完全燃烧，火焰温度也会有一定程度的热损失，因此上式中的温度系数在实际过程中会偏小，所以为了保证伴流氮气的流量匹配，本方案在超高温燃烧环境的实验过程中应该在理论计算结果的基础上逐渐减小伴流氮气流量，同时实时观察火焰的动态特性，直至火焰形貌稳定为止。

进一步的，当不再需要超高温稳定层流燃烧环境时：

停止甲烷、氧气的通入；

将氮气I、氮气II的流量调至最大，吹线；

待火焰熄灭至少30秒后，停止氮气I、氮气II的通入；

待炉面温度降低至40℃以下时，关闭水冷。

本方案中所记载的不再需要超高温稳定层流燃烧环境，是指利用所构建的超高温燃烧环境完成了相关实验之后。本方案给出了解除所构建的超高温燃烧环境的具体方法，保证了安全关停超高温燃烧环境、提高了实验后的安全性。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种超高温稳定层流燃烧环境构建方法，通过匹配环状的伴流氮气与预混气总流量、火焰传播速度之间的关系，可避免火焰回传和火焰边界剪切卷吸的现象，使其能够稳定燃烧，从而得到所需的2100K以上的超高温燃烧环境。

2、本发明一种超高温稳定层流燃烧环境构建方法，对氮气进行了分流、将部分氮气作为了伴流气，降低了预混气中氮气的占比，从而有利于实现能量聚集，进而保证超高温燃气环境的实现。

3、本发明一种超高温稳定层流燃烧环境构建方法，通过预埋水冷通道这种内嵌式的完全接触的水冷布置方式，及时地带走燃烧器炉体上由火焰传递而来的热量，进而保证了实验器在安全的温度范围内工作。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例中的燃烧器示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-集气腔，2-伴流环，3-水冷通道，4-炉面，5-环形伴流边界，6-燃气边界。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

实施例1：

一种超高温稳定层流燃烧环境构建方法，包括：

在炉面内预埋水冷通道，往所述水冷通道中通入冷却水，为燃烧器的炉面提供水冷环境；

将甲烷、氧气和氮气I通入集气腔中，得到预混气；将氮气II通入伴流环中；

使预混气经集气腔进入炉面、点火燃烧；同时使氮气II经伴流环进入炉面、在火焰外形成环形伴流；

调节甲烷、氧气、氮气I和氮气II的流量，得到所需火焰温度。

在调节甲烷、氧气、氮气I和氮气II的流量过程中：首先基于所需火焰温度，计算得到燃气理论流速；再基于燃气理论流速，计算得到氮气II的流量。具体的：

所述燃气理论流速通过如下公式计算：式中，/>为预混气总流量；U_gas为燃气流速；d₁为炉面的截面直径；C_T为温度系数；Tad为所需火焰温度；T₀为室温。

所述氮气II的流量通过如下公式计算：式中，/>为氮气II的流量；U_gas为燃气流速；d₃为伴流环出口外径；d₂为伴流环出口内径。

之后，调节氮气II的流量从开始逐渐减小，并实时观察火焰动态，直至火焰形貌稳定。

经过上述步骤，即可搭建超高温稳定层流燃烧环境，该燃烧环境可用于抗高温材料的定量考核、超高温温度测量技术的校准与验证、超高温燃烧机理的研究等诸多科研实验。

实施例2：

一种超高温稳定层流燃烧环境搭建装置，用于执行如实施例1所述的搭建方法，该装置采用如图1所示的燃烧器，在炉面入口处设置集气腔1，集气腔1外套设伴流环2，水冷通道3为预埋在中心炉面4内的铜管。为保证炉面上侧气流均匀，铜管预埋在下半层。炉面4与集气腔之间采用过盈配合，伴流环2与集气腔1之间采用锥面配合。

本实施例中，炉面4和伴流环2为铜粉末多孔烧结板，集气腔1为304不锈钢材质；炉面横截面直径为60mm、厚度20mm；伴流环内径为62mm、外径为72mm、厚度15mm；铜管内径3mm，外径5mm。伴流环2与集气腔1之间的配合锥面为3°。

通过本装置搭建超高温稳定层流燃烧环境的具体方法步骤包括：

(1)准备容量为40L的标准气瓶3只，分别装承甲烷、氧气、氮气，初始压力为通行标准10MPa；

(2)准备3只减压器安装在3只气瓶出口，将出口压力降低至0.3MPa～0.5MPa；

(3)准备4个气体体积流量控制器，其中2个氮气流量计控制器、1个氧气流量计控制器、1个甲烷流量计控制器，量程应为30L/min左右，通过内径为6mm或8mm的软管与减压器出口连接，氮气从减压器出口一分为二，接入2个氮气流量计，其余2个流量计与对应的甲烷、氧气减压器连接；

(4)通过软管将氧气、甲烷和1路氮气汇集于一路，并在其下游安装单向阀防止气体回流；

(5)通过软管将预混气接入集气腔内部，将另一路氮气路接入伴流环入口；

(6)选择合适软管连接冷却通道，实验前先打开冷却水；

(7)按照先后顺序，依次打开伴流氮气、氮气、氧气和甲烷的流量控制器，初始流量均不高于3L/min，打开甲烷的同时，实验器端应点火，防止甲烷外泄至空气中；

(8)为了得到准确的流场环境参数，按照相应的燃烧边界条件将4路气体的流量调整至响应状态；

(9)由于火焰温度沿流向有小幅度变化，燃气膨胀程度和气流速度也有些许差异，因此，为了匹配燃气速度，伴流氮气应沿正向或负向做小幅度调整，同时观察火焰动态过程，直至火焰形貌基本稳定；

(10)实验完成后，先后关闭甲烷和氧气流量控制器；

(11)将氮气流量控制器调整至最大开度，对实验器进行吹除；

(12)火焰熄灭30秒后，关闭两路氮气的流量控制器；

(13)待实验器温度降至40℃以下时，关闭冷却水，实验结束。

其中，通过CARS测温技术可以确定不同高度火焰温度；所需绝热火焰温度和火焰传播速度可基于美国Sandia国家实验室的Chemkin计算程序，使用21组分/151步甲烷反应机理计算所得。

本实施例给出了四种工况下的边界条件及对应绝热火焰温度，如表1所示：

表1

本实施例采用了前述方法成功搭建了表1中5种工况下的超高温稳定层流燃烧环境，实测温度如表2所示：

表2距离炉面不同高度温度测量结果

工况	1	2	3	4	5
						T_CARS_05mm(K)	2101	2195	2221	2385	2512
T_CARS_10mm(K)	2254	2321	2364	2388	2530
						T_CARS_15mm(K)	2246	2351	2342	2383	2492
T_CARS_20mm(K)	2211	2230	2316	2340	2389

表2中，T_CARS_05mm(K)表示距炉面高度5mm处的CARS测温结果，T_CARS_10mm(K)表示距炉面高度10mm处的CARS测温结果，以此类推。

实验结果证明，本实施例：①所设计的5个工况均可提供2100K以上、高温区域不小于15mm的超高温环境；②工况3、工况4、工况5均可提供2300K以上，高温区域不小于10mm的超高温环境；③避免了火焰回火；④火焰型面稳定；⑤未出现炉体高温；⑥安全工作时间不小于200s。

可以看出，本实施例能够解决现有技术中难以实现2100K～2500K超高温稳定燃烧实验环境的问题，成功搭建了实验室量级的超高温稳定燃烧环境，可以为抗高温材料的定量考核、超高温温度测量技术的校准与验证、超高温燃烧机理的研究等提供环境支持。

当然，本实施例只是示例性的给出了5种工况，这并不代表除了这5种工况的其余工况无法实现超高温要求；除了本实施例所给出的5个工况之外，本领域技术人员根据本申请中记载的调节甲烷、氧气、氮气I和氮气II流量的方法所得到的其余工况，同样应包含在本发明的保护范围之内。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如I、II等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体，意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

Claims (7)

1.一种超高温稳定层流燃烧环境构建方法，其特征在于，所述超高温为2100K～2500K，包括：

为燃烧器的炉面提供水冷环境；

将甲烷、氧气和氮气I通入集气腔中，得到预混气；将氮气II通入伴流环中；

使预混气经集气腔进入炉面、点火燃烧；同时使氮气II经伴流环进入炉面、在火焰外形成环形伴流；

调节甲烷、氧气、氮气I和氮气II的流量，得到所需火焰温度；

在调节甲烷、氧气、氮气I和氮气II的流量过程中：

基于所需火焰温度，计算得到燃气理论流速；

基于燃气理论流速，计算得到氮气II的流量；

所述燃气理论流速通过如下公式计算：

式中，为预混气总流量；U_gas为燃气流速；d₁为炉面的截面直径；C_T为温度系数；Tad为所需火焰温度；T₀为室温；

所述氮气II的流量通过如下公式计算：

式中，为氮气II的流量；U_gas为燃气流速；d₃为伴流环出口外径；d₂为伴流环出口内径。

2.根据权利要求1所述的一种超高温稳定层流燃烧环境构建方法，其特征在于，通过如下方法为燃烧器的炉面提供水冷环境：在炉面内预埋水冷通道，往所述水冷通道中通入冷却水。

3.根据权利要求2所述的一种超高温稳定层流燃烧环境构建方法，其特征在于，所述水冷通道为铜管，且所述水冷通道预埋在炉面的下半层。

4.根据权利要求1所述的一种超高温稳定层流燃烧环境构建方法，其特征在于，使用三只气瓶分别装承甲烷、氧气、氮气；

甲烷、氧气从气瓶依次经减压器、流量控制器通入集气腔；

氮气从气瓶经减压器后分流为氮气I、氮气II两路气流，并分别通过流量控制器后通入集气腔、伴流环。

5.根据权利要求4所述的一种超高温稳定层流燃烧环境构建方法，其特征在于，在点火燃烧前，依次打开氮气II、氮气I、氧气、甲烷的流量控制器；并在打开甲烷的流量控制器时同步点火。

6.根据权利要求1所述的一种超高温稳定层流燃烧环境构建方法，其特征在于，调节氮气II的流量从开始逐渐减小，并实时观察火焰动态，直至火焰形貌稳定。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的一种超高温稳定层流燃烧环境构建方法，其特征在于，当不再需要超高温稳定层流燃烧环境时：

停止甲烷、氧气的通入；

将氮气I、氮气II的流量调至最大，吹线；

待火焰熄灭至少30秒后，停止氮气I、氮气II的通入；

待炉面温度降低至40℃以下时，关闭水冷。