甘云华 宋景东 杨泽亮 矫明伦 郑昊

(1.华南理工大学电力学院，广东广州510640;2.东北电力大学研究生部，吉林吉林132012)

近年来，微电子机械系统(MEMS)得到了广泛的研究和高速的发展.Wen［1］对MEMS领域的发展趋势和前沿问题进行了较为全面的综述，认为以微燃烧为基础的微能源系统的研究是MEMS中极有前途的一个领域.微燃烧系统所能提供的能量密度约为常规电池的20～75倍，具有无可比拟的优越性［2］.

许多学者对微尺度燃烧特性进行了大量的研究.Cao等［3］对不锈钢环形燃烧室中氢气－空气的预混燃烧进行了实验，对壁面温度和排气温度进行了测量，计算了不同热功率下的热损失.Maruta等［4］采用内径为2mm的石英圆管作为燃烧室，对甲烷－空气或丙烷－空气的预混燃烧进行了实验.李军伟等［5］采用内径2mm和1.4mm的微细不锈钢管和陶瓷管进行氧气和甲烷气体的燃烧实验.Sunderland等［6-8］以甲烷、乙烷和丙烷等为燃料，对微小尺度层流扩散火焰进行了实验，并分析了微重力和超重力下的变化规律.Matta等［9］对丙烷的微射流扩散火焰结构进行了可视化测量.Cheng等［10］采用紫外雷曼散射结合激光诱导荧光技术对氢气小火焰特性进行了实验.蒋利桥等［11］对用不同直径的微/小尺度圆管对甲烷在空气中的扩散火焰燃烧进行了实验，分析了火焰结构，探讨了熄灭特性.

Fernandez-Pello［12］指出，采用液体碳氢化合物燃料的微燃烧系统具有广阔的发展空间，与气体微燃烧系统相比具有体积小、持续时间长等优点.目前关于直接采用液体燃料来进行的微燃烧系统的研究非常少.Chen等［13］采用液体乙醇为燃料，进行了小尺度的扩散燃烧实验研究，分析了燃烧过程中火焰结构及乙醇汽液界面的变化规律.Yang等［14-15］考察了在不同的流量下，液体乙醇扩散小火焰结构的变化规律，并分析了外加电场对小火焰结构的影响.

分析火焰结构的变化规律是了解微尺度燃烧特性的一个重要途经.鉴于此，文中采用液体乙醇为燃料，对小尺度自由空间和受限空间下的射流扩散火焰结构特性进行对比分析，以期为微燃烧系统的研制提供一定的参考依据.

1 实验系统

所采用的实验系统如图1所示.液体乙醇由注射泵经连接管输送到陶瓷管中，以陶瓷管作为燃烧器，乙醇经陶瓷管出口垂直向上喷出，经点火后燃烧.若陶瓷管外没有放置玻璃管则形成自由射流扩散火焰;若放置玻璃管则形成受限射流扩散火焰.陶瓷管由铜制底座来支撑和固定，陶瓷管伸出底座的长度可以预先调整.进入陶瓷管内的乙醇流量由TS2-60型注射泵精确控制(误差在±1.0%以内).火焰图像由数字式CCD摄像头(型号为ProgRes C12plus)结合显微镜来测量，图像分辨率可达2580×1944.火焰图像经拍摄后可实时传送至电脑储存和处理.

放置透明玻璃管的目的，主要是为了形成受限空间，另外也便于透过玻璃管来拍摄火焰图像.研究中所采用的受限空间结构尺寸如图1所示.陶瓷管内径为1.0mm，外径为2.0mm，总长为30mm;玻璃管内径为8.8mm，外径为12mm，总长为102mm.陶瓷管伸出底座长度为10 mm.玻璃管下端与底座出口端平齐.燃料乙醇射流经点燃后，将受到玻璃管内壁的限制，形成受限射流扩散火焰.

图1 实验系统Fig.1 Experimental system

在本实验范围内，稳定燃烧时产生的典型层流射流扩散火焰结构如图2所示.液体乙醇经受热汽化并经点燃后，会形成明显的火焰面.火焰底部通常会离开陶瓷管口一定的距离.研究中定义火焰长度L为自陶瓷管口到火焰顶部的距离，火焰宽度W为火焰在水平方向最大距离，如图2所示.实验所拍摄的火焰图像，由软件Origin7.5进行后处理，由于已知陶瓷管外径为2.0mm，根据相应的比例可得出火焰长度及宽度.

图2 火焰结构Fig.2 Flame structure

2 数据处理

液体乙醇的体积流量Ql由注射泵设定并精确控制，则液体乙醇的流速uL为:

式中:A为陶瓷管出口截面积;d为陶瓷管内径.

乙醇经受热气化后的气态流量可由质量守恒方程求出:

式中:ρL、ρV、uV分别为乙醇的液态密度、气态密度和气态下的流速.

乙醇蒸气的雷诺数和弗劳德数分别定义如下:

式中:μV、g分别为乙醇蒸气的动力黏度和重力加速度.

上述各式中，液态时的物性参数均取室温20℃下的物性，气态时的物性参数取沸点78.29℃下的物性.根据文献［16］中相关公式计算得出，乙醇液态密度ρL为789.3kg/m3，液态动力黏度μL为1.17× 10－3Pa·s，蒸气的密度ρV为1.590 kg/m3，蒸气的动力黏度μV为10.40×10－6Pa·s.实验所采用的乙醇为分析纯，纯度达99.5%以上.

3 实验结果与讨论

3.1 火焰图像

文中实验是在保持其它条件不变的前提下，通过改变液体乙醇的流量来获取不同工况下的火焰图像.笔者所在课题组前期的研究结果表明:当流量很小时会出现接近于熄灭时的燃烧火焰，呈扁平的半月状;当流量较大时会出现不稳定的振荡燃烧火焰;而当流量适中时会出现稳定燃烧火焰，呈球状或半球状［17］.本研究的主要目的是比较自由射流与受限射流下的火焰结构，因此选取处于稳定燃烧阶段的工况来进行对比分析.

文中在相同的液体乙醇流量下进行了13组对比实验，各工况下的流量 QL分别为1.80、1.85、1.90、1.95、2.00、2.05、2.10、2.15、2.20、2.25、2.30、2.35和2.40mL/h.图3给出了液体乙醇流量为2.25 mL/h时的火焰图像.实验过程中先进行自由射流燃烧实验，然后慢慢放置玻璃管进行受限射流燃烧实验.图3(a)给出了自由射流扩散火焰图像，呈典型的椭球状，火焰呈淡蓝色，火焰面十分明亮，火焰底部至陶瓷管口的距离较小.图3(b)给出了受限射流扩散火焰图像，呈圆锥状，平面轮廓近似成三角形，火焰呈淡蓝色，火焰面清晰，火焰底部至陶瓷管口的距离较大，火焰的长度和宽度都较自由射流扩散火焰小.而且图3(b)中陶瓷管出口处可观察到明显的气液相变界面.在受限射流情况下，空气从受限空间下方进入燃烧区域，燃烧后从玻璃管上方流出，这种流场有助于预热空气，提高燃烧温度，促进液体乙醇在靠近管口附近汽化，使得气液界面提升到管口上方，从而使火焰呈略向内收敛的形态.其它流量下的工况所得出的火焰图像的结构特征基本相似，篇幅所限这里不一一列出.

图3 液体乙醇流量为2.25mL/h时的火焰图像Fig.3 Flame images at a liquid ethanol flowrate of 2.25mL/h

3.2 火焰长度

火焰结构，特别是火焰长度，是层流射流扩散火焰的一项最基本的特性，得到了许多学者的广泛关注［6-8，11，13-15］.参照文献中的惯例，将火焰长度进行无量纲化，实验结果如图4所示.无论是自由射流火焰还是受限射流火焰，变化趋势较为相近，无量纲火焰长度L/d均随雷诺数的增大而增大，且近似按线性规律变化.为了考查浮升力的影响，图4还给出了无量纲火焰长度随弗劳德数的变化规律.

图4 无量纲火焰长度与雷诺数、弗劳德数的关系Fig.4 Dimensionless flame length varying with Reynolds number and Froude number

由各工况下的实验结果计算可知，在相同的雷诺数下受限射流扩散火焰长度要比自由射流火焰小26%～33%.由燃烧学的基本理论，可以推断在文中实验范围内，受限射流的燃料和空气的混合条件较好，因而火焰较短，相应的燃烧效率更高.

对于层流扩散火焰，其火焰长度主要受分子扩散、动量传递及浮升力3个方面作用的影响［18］.在文中实验条件下，每个工况均保持流速一致，相应的雷诺数也相同，无论是自由射流还是受限射流，动量传递的影响基本相同.而在受限射流的情况下，由于外加玻璃管，减少了火焰向外界的热损失，一方面加快了液体乙醇的蒸发，在管口形成明显的汽液界面;另一方面，增强了空气和乙醇蒸汽的热运动，分子扩散影响加剧.另外，由于受限射流火焰的热损失较小，使得受限空间内外空气的温差增大，浮升力的影响加剧，火焰长度缩小.

基于文中实验结果，给出了自由射流扩散火焰及受限射流扩散火焰长度的无量纲准则关联式如下:

式中:Lf、Lc分别为自由射流扩散火焰长度和受限射流扩散火焰长度.

对比式(5)和(6)，可以看出在文中实验范围内，在小尺度下，射流扩散火焰长度均受弗劳德数的影响，而且受限射流扩散火焰长度受弗劳德数的影响更大，这主要是由分子扩散和浮升力的影响加剧所致.

3.3 火焰宽度

火焰宽度也是表征射流扩散燃烧特性的一个重要参数.目前有关火焰宽度的实验关联式还相对较少［6］.图5给出了无量纲火焰宽度随雷诺数及弗劳德数的变化规律.基于文中实验数据，实验准则关联式如下:

式中:Wf、Wc分别为自由射流扩散火焰宽度和受限射流扩散火焰宽度.

图5 无量纲火焰宽度与雷诺数、弗劳德数的关系Fig.5 Dimensionless flame width varying with Reynolds number and Froude number

由各工况下的实验结果计算可知，无量纲火焰宽度随雷诺数的增大近似呈线性规律增大;在相同的雷诺数下，受限射流扩散火焰宽度要比自由射流扩散火焰的小7%～13%.

对于层流射流扩散火焰，通常可以划分成两种基本类型:主要受扩散机制支配的类型和主要受浮升力机制支配的类型.对于小尺度扩散火焰，通常认为是由对流－扩散机制所支配［18］.由此，可以推断受限射流扩散燃烧时燃料和空气的混合效果要好于自由射流扩散燃烧，从而火焰宽度较小.

本实验中弗劳德数在10～18的范围内变化，浮升力对两种情况下的火焰宽度均有一定的影响，特别是受限射流扩散火焰受浮升力的影响较大.

4 结语

文中以液体乙醇为燃料，采用内径为1.0mm的陶瓷管作为燃烧器，进行了小尺度自由射流及受限射流扩散燃烧对比实验研究，并对稳定燃烧情况下的火焰结构进行了光学可视化测量.在实验范围内，自由射流扩散火焰呈椭球状，受限射流扩散火焰呈圆锥状.在相同的乙醇流量下，受限射流扩散火焰的长度和宽度均小于自由射流扩散火焰.受限射流扩散燃烧时燃料和空气的混合效果要好于自由射流扩散燃烧，而且其火焰结构受浮升力的影响较大.下一步工作中，将进一步减小陶瓷管内径及受限空间尺寸进行实验，并结合数值计算进行对比研究.

［1］ Wen H K.Trends and frontiers of MEMS［J］.Sensors and Actuators A，2007，136(1):62-67.

［2］ Choi W，Kwon S，Shin H D.Combustion characteristics of hydrogen-air premixed gas in a sub-millimeter scale catalytic combustor［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2008，33(9):2400-2408.

［3］ Cao H L，Xu J L.Thermal performance of a micro-combustor for micro-gas turbine system［J］.Energy Conversion and Management，2007，48(5):1569-1578.

［4］ Maruta K，Kataoka T，Kim N I，et al.Characteristics of combustion in a narrow channel with a temperature gradient［J］.Proceedings of the Combustion Institute，2005，30(2):2429-2436.

［5］ 李军伟，钟北京.甲烷/氧气在微细直管内的燃烧和散热研究［J］.燃烧科学与技术，2008，14(3):199-204.Li Jun-wei，Zhong Bei-jing.Investigation on methane/oxygen combustion and heat loss in micro-tube［J］.Journal of Combustion Science and Technology，2008，14(3): 199-204.

［6］ Sunderland P B，Mendelson B J，Yuan Z G，et al.Shapes of buoyant and nonbuoyant laminar jet diffusion flames［J］.Combustion and Flame，1999，116(3):376-386.

［7］ Aalburg C，Diez F J，Faeth G M，et al.Shapes of nonbuoyant round hydrocarbon-fueled laminar-jet diffusion flames in still air［J］.Combustion and Flame，2005，142 (1-2):1-16.

［8］ Sunderland P B，Haylett J E，Urban D L，et al.Lengths of laminar jet diffusion flames under elevated gravity［J］.Combustion and Flame，2008，152(1/2):60-68.

［9］ Matta L M，Neumeier Y，Lemon B，et al.Characteristics of microscale diffusion flame［J］.Proceeding of the Combustion Institute，2002，29(1):933-939.

［10］ Cheng T S，Chao Y C，Wu C Y，et al.Experimental and numerical investigation of microscale hydrogen diffusion flames［J］.Proceeding of the Combustion Institute，2005，30(2):2489-2497.

［11］ 蒋利桥，赵黛青，汪小憨.微尺度甲烷扩散火焰及其熄灭特性［J］.燃烧科学与技术，2007，13(2):183-186.Jiang Li-qiao，Zhao Dai-qing，Wang Xiao-han.Structure and extinction characteristics of methane micro-diffusion flames［J］.Journal of Combustion Science and Technology，2007，13(2):183-186.

［12］ Fernandez-Pello C A.Micropower generation using combustion:issues and approaches［J］.Proceedings of the Combustion Institute，2002，29(1):883-899.

［13］ Chen J，Peng X F，Yang Z L，et al.Characteristics of liquid ethanol diffusion flames from mini tube nozzles［J］.Combustion and Flame，2009，156(2):460-466.

［14］ Yang Z L，Xu T，Gan Y H.Experimental study on the diffusion flame using liquid ethanol as fuel in mini-scale［C］∥Proceedings of the ASME Micro/Nanoscale Heat Transfer International Conference.New York:ASME，2008:853-858.

［15］ Yang Z L，Cheng J，Xu T，et al.Experimental study of small diffusion flame under strong electric field［C］∥Proceedings of the ASME Micro/Nanoscale Heat Transfer International Conference.New York:ASME，2008: 841-844.

［16］ Yaws C L，Chemical properties handbook［M］.New York:McGraw-Hill，1999.

［17］ 杨泽亮，程静，甘云华.小尺度乙醇扩散火焰及管壁温度场的实验研究［J］.热科学与技术，2009，8(1): 44-48.Yang Ze-liang，Cheng Jing，Gan Yun-hua.Experimental research on small diffusion flame of ethanol and wall temperature［J］.Journal of Thermal Science and Technology，2009，8(1):44-48.

［18］ Ban H，Venkatesh S，Saito K.Convection-diffusion controlled laminar micro flames［J］.Transactions of the ASME，1994，116(4):954-959.