《Combustion and Flame》：Study of solid fuel diffusion flames in a crossflow burner
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通過(guò)小型光學(xué)可訪(fǎng)問(wèn)橫流燃燒器，研究He、N?、Ar三種惰性稀釋劑對(duì)PMMA燃料燃燒速率的影響，發(fā)現(xiàn)熱力學(xué)性質(zhì)（如熱擴(kuò)散率與絕熱火焰溫度）主導(dǎo)燃燒速率，其中He混合物燃燒速率最高，N?最低。燃燒器采用flush和rearward facing step兩種幾何配置，結(jié)合OH*化學(xué)發(fā)光、PLIF及彩虹schlieren技術(shù)可視化流動(dòng)場(chǎng)，揭示稀釋劑分子量與二次流動(dòng)共同影響燃燒過(guò)程。
Youri Prokesch | Rory Underwood | Gregory Young
Kevin T. Crofton
航空航天與海洋工程系，弗吉尼亞理工學(xué)院暨州立大學(xué)，布萊克斯堡，VA 24060，美國(guó)
摘要
本研究使用了一種小型的、可進(jìn)行光學(xué)觀測(cè)的橫流燃燒器，來(lái)探究惰性稀釋劑/氧化劑混合物的熱力學(xué)性質(zhì)對(duì)固體燃料燃燒的影響。實(shí)驗(yàn)中使用了三種氧化劑混合物，每種混合物都包含氧氣（O?）和一種惰性稀釋劑（摩爾比為60%），分別為氦氣（He）、氮?dú)猓∟?）和氬氣（Ar）。實(shí)驗(yàn)對(duì)象為聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），研究了兩種不同的幾何配置：一種是平齊布置的燃燒器，另一種是燃燒器后部帶有臺(tái)階結(jié)構(gòu)。每種配置下都設(shè)置了兩種流動(dòng)條件，分別基于恒定的雷諾數(shù)（Reynolds number）和恒定的入口速度（Vp）。光學(xué)觀測(cè)技術(shù)使得能夠利用OH*化學(xué)發(fā)光、平面激光誘導(dǎo)熒光（PLIF）和彩虹干涉法（rainbow schlieren）來(lái)可視化流場(chǎng)。在平齊布置的燃燒器中，當(dāng)入口速度（Vp）保持恒定時(shí)，氦氣混合物形成的反應(yīng)區(qū)域?yàn)閷恿鳡顟B(tài)，且隨著混合物分子量的增加，流動(dòng)的不穩(wěn)定性也隨之增強(qiáng)。在帶有臺(tái)階結(jié)構(gòu)的燃燒器中，除了最低速的氦氣混合物外，所有情況下都觀察到了穩(wěn)定的反應(yīng)區(qū)域，該混合物的燃燒過(guò)程更接近于擴(kuò)散控制模式。實(shí)驗(yàn)中獲得了回歸率（regression rate）數(shù)據(jù)，并將其與稀釋劑混合物的熱擴(kuò)散系數(shù)和絕熱火焰溫度進(jìn)行了關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氦氣混合物的回歸率最高，而氮?dú)饣旌衔锏幕貧w率最低。在兩種幾何配置之間，氮?dú)猓∟?）和氬氣（Ar）的回歸率沒(méi)有顯著差異；而氦氣混合物在臺(tái)階結(jié)構(gòu)下的回歸率有所下降，這是由于反應(yīng)區(qū)域與擴(kuò)散控制過(guò)程的距離增加所致。研究結(jié)果表明，與湍流等次要流場(chǎng)因素相比，熱力學(xué)性質(zhì)是影響回歸率的主要因素。
引言
近年來(lái)，人們對(duì)固體燃料燃燒的興趣重新興起，尤其是在混合火箭、固體燃料沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)（SFRJ）和固體燃料超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)（SFSJ）等應(yīng)用領(lǐng)域。這得益于固體燃料系統(tǒng)的諸多優(yōu)勢(shì)，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、能量密度更高、存儲(chǔ)性能更好以及安全性更強(qiáng)。盡管這些發(fā)動(dòng)機(jī)的工作條件和相關(guān)流場(chǎng)存在顯著差異，但它們的固體燃料燃燒過(guò)程本質(zhì)上是相似的。主要過(guò)程包括燃料的熱解、燃料與氧化劑的氣相混合以及熱量從火焰區(qū)域向燃料表面的傳遞。根據(jù)經(jīng)典混合火箭燃燒理論，驅(qū)動(dòng)燃料熱解所需的熱量主要由燃料表面上方湍流擴(kuò)散火焰的對(duì)流熱傳遞提供[[1], [2], [3]]。對(duì)于液化燃料而言，這一理論還需考慮通過(guò)剪切作用實(shí)現(xiàn)的質(zhì)量傳遞過(guò)程[[4,5]]。由于工作條件范圍廣泛，不同應(yīng)用中的主導(dǎo)或限制過(guò)程可能有所不同。因此，固體燃料燃燒的研究面臨著作為多相問(wèn)題的獨(dú)特挑戰(zhàn)。
為了全面描述這些環(huán)境下的固體燃料燃燒現(xiàn)象，需要更深入地理解氣相混合與燃燒、熱量傳遞以及凝聚相相互作用之間的相互關(guān)系。大規(guī)模的SFRJ和SFSJ實(shí)驗(yàn)已經(jīng)提供了關(guān)于可燃性、回歸率和流場(chǎng)行為的見(jiàn)解[[6], [7], [8], [9], [10]]。然而，由于測(cè)試設(shè)施、材料和人員的限制，進(jìn)行大規(guī)模發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試通常需要大量的資金和時(shí)間投入。當(dāng)引入復(fù)雜的診斷技術(shù)時(shí)，這些挑戰(zhàn)會(huì)更加突出。
利用一種簡(jiǎn)化、成本效益高且測(cè)試頻率高的實(shí)驗(yàn)裝置——固體燃料逆流燃燒器（也稱(chēng)為對(duì)流燃燒器[[11]]，已經(jīng)研究了固體燃料燃燒的基本特性。該燃燒器的設(shè)計(jì)使得能夠向固體燃料樣品提供可控的氣態(tài)氧化劑質(zhì)量流量（雖然氣體燃料與固體氧化劑的組合形式較少被研究[[12]]。在樣品上方形成了一個(gè)停滯區(qū)，其中燃燒火焰在適當(dāng)?shù)娜剂吓c氧化劑混合比例下保持穩(wěn)定。這種簡(jiǎn)單的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)便于研究基本的熱量和質(zhì)量傳遞過(guò)程；通過(guò)分析不同氧化劑質(zhì)量流量下的回歸率，可以嘗試預(yù)測(cè)實(shí)際應(yīng)用中的燃燒行為[[13]]。盡管這些研究提供了有價(jià)值的信息，但它們僅限于燃燒室內(nèi)流動(dòng)重新附著的特殊情況下形成的停滯區(qū)。
近年來(lái)，實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的橫流燃燒器變得越來(lái)越普遍。一些研究探討了這類(lèi)燃燒器的設(shè)計(jì)與測(cè)試，并測(cè)得了羥基封端聚丁二烯（HTPB）的回歸率[[14], [15], [16]]。還有一些研究利用低流速下的簡(jiǎn)單橫流燃燒器來(lái)驗(yàn)證混合火箭液化燃料理論的建模方法，并評(píng)估基于圖像的回歸率算法[[17], [18], [19], [20], [21]]。其中一些論文報(bào)告了實(shí)驗(yàn)得到的回歸率數(shù)據(jù)，但只有兩篇論文使用了額外的診斷技術(shù)。Budzinski等人[[18]]使用了雙色測(cè)溫技術(shù)來(lái)測(cè)量四種不同的質(zhì)量流量；Retfalvi等人[[21]]則通過(guò)頂部窗口在單一測(cè)試條件下獲得了類(lèi)似的數(shù)據(jù)，并結(jié)合了圖像測(cè)速技術(shù)。
本研究旨在通過(guò)使用小型、可進(jìn)行光學(xué)觀測(cè)的橫流燃燒器，填補(bǔ)基礎(chǔ)研究與實(shí)際應(yīng)用研究之間的空白，以明確受控橫流對(duì)固體燃料燃燒的影響。這種實(shí)驗(yàn)方式能夠在更貼近實(shí)際運(yùn)行條件的環(huán)境中研究固體燃料的燃燒行為，同時(shí)保留了小規(guī)模實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)。這些特點(diǎn)使其適用于支持大型發(fā)動(dòng)機(jī)的建模工作，并能夠在大型、資源密集型測(cè)試設(shè)施實(shí)施之前驗(yàn)證診斷方法的有效性。上述文獻(xiàn)普遍采用了具有光學(xué)觀測(cè)功能的燃燒器，以便使用非侵入式診斷技術(shù)。同樣，本研究也利用了三側(cè)光學(xué)觀測(cè)窗口，應(yīng)用了在橫流燃燒器中不常見(jiàn)的診斷技術(shù)，如彩虹干涉法、化學(xué)發(fā)光和平面激光誘導(dǎo)熒光（PLIF）。實(shí)驗(yàn)中使用了聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）燃料板，根據(jù)板厚不同設(shè)置了兩種流場(chǎng)配置：一種是燃料板與噴射器平齊布置，另一種是燃料板帶有臺(tái)階結(jié)構(gòu)。這有助于研究廣泛的流動(dòng)狀態(tài)。對(duì)于每種配置，均在室溫下使用了三種不同的氧化劑混合物，每種混合物都包含氧氣和一種惰性稀釋劑：氦氣（He）、氮?dú)猓∟?）和氬氣（Ar）。由于在固體燃料燃燒的計(jì)算建模方面投入了大量工作，該實(shí)驗(yàn)裝置為模型驗(yàn)證提供了良好的平臺(tái)。模型對(duì)邊界條件的敏感性和燃燒過(guò)程的復(fù)雜性要求在多種條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。通過(guò)改變稀釋劑的種類(lèi)，可以簡(jiǎn)單驗(yàn)證模型捕捉燃燒動(dòng)態(tài)變化的能力。
橫流燃燒器
本研究使用了一種矩形截面的燃燒器，其中只放置了一塊燃料板。所有燃燒實(shí)驗(yàn)都在大氣壓力下進(jìn)行。通過(guò)四個(gè)側(cè)面中的三個(gè)側(cè)面安裝了熔融石英窗口以實(shí)現(xiàn)光學(xué)觀測(cè)。實(shí)驗(yàn)中選擇的燃料是PMMA，因?yàn)樗谝酝难芯恐杏胸S富的文獻(xiàn)記載，并且實(shí)驗(yàn)表明其在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的煙塵沉積較少。PMMA由McMaster-Carr公司提供，形式為透明的丙烯酸棒材。
OH*化學(xué)發(fā)光
所有實(shí)驗(yàn)的錄制幀率為10,000幀/秒，增強(qiáng)器門(mén)時(shí)間設(shè)置為10微秒。這些相機(jī)設(shè)置有助于減少在這些流速下詳細(xì)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的模糊現(xiàn)象；然而，由于采用了路徑積分測(cè)量方法，結(jié)構(gòu)分辨率存在固有限制。所有實(shí)驗(yàn)都采用相同的設(shè)置進(jìn)行記錄。圖7展示了氮?dú)猓∟?）條件下的代表性瞬時(shí)幀圖像。為了保持特征對(duì)比度，圖7中的圖像均已歸一化到其最大值。
結(jié)論
本研究在一種可進(jìn)行光學(xué)觀測(cè)的橫流燃燒器中，探討了氧化劑混合物中不同稀釋劑對(duì)固體燃料燃燒過(guò)程的影響。使用惰性稀釋劑可以獨(dú)特地調(diào)節(jié)熱力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)流動(dòng)特性，同時(shí)保持其在燃燒反應(yīng)中的化學(xué)惰性。因此，研究了與多種耦合特性相關(guān)的復(fù)雜固體燃料燃燒過(guò)程。特別是對(duì)于模型驗(yàn)證而言，這些研究有助于捕捉各種變化對(duì)燃燒過(guò)程的影響。
CRediT作者貢獻(xiàn)聲明
Youri Prokesch： 起草初稿、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析與整理。
Rory Underwood： 文章修訂與編輯、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析與整理。
Gregory Young： 文章修訂與編輯、項(xiàng)目監(jiān)督、方法論設(shè)計(jì)、資金籌措、概念構(gòu)思。
