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本实验是基于小尺度扩散射流火焰稳定燃烧而提出的。随着微动力源研究领域的不断发展,学者们越来越多参与关于微小火焰的研究。微小尺度火焰的研究是研发高效、安全的微燃烧器必需的基础。目前国内外对在微小尺度条件下火焰燃烧特性的基础研究比较少。
本文设计了一实验台对扩散射流小火焰进行实验研究。实验采用无水酒精作液体燃料,选取陶瓷管作为燃烧器,内径分别为0.4mm、0.6mm和1.0mm三种规格。设计了适合微小液体流量测量的简易装置。用体视显微镜配以数字摄像头及计算机观测火焰,红外热像仪配以热电偶进行测温。用高压直流电源提供强电场。
在此基础上我们对液体燃料小型扩散射流火焰的结构、火焰特征、燃烧器及火焰的温度场、火焰的淬熄与脱熄、强电场对火焰的影响等进行了实验研究。实验结果表明,火焰的无量纲特征高度与燃料流量基本成线性关系,火焰形状随着燃料蒸气Re数的增大由清晰的弯月形变为半球形,最后变混浊、拉长、析碳。火焰的最高温度处于火焰边缘高亮可见光处,且随着燃料蒸气Re数的增大而升高;燃烧器温度场呈现从管口由上而下、由高至低的指数变化趋势,火焰与陶瓷管自然对流换热主要取决于陶瓷管口温度T<,w>与火焰温度T<,f>的比值,其值越高,Nu数越小。陶瓷管无量纲管径d/D越大,淬熄前其Nu数越大,传热效果越好,越难产生淬熄现象;火焰脱熄是各种扰动综合影响的结果,包括流量调节、环境微风、雷诺数过大、点火过热等等,管径较小的火焰比较容易脱熄。火焰淬熄和脱熄时瓷管温度场无太大区别,熄灭的根本原因都是由于热平衡被破坏。
基于强电场的实验是本实验最主要的内容。实验分别对不同电极方向、电极距、燃烧器进行研究。正电极对扩散射流小火焰的影响较有规律,本文实验均采用正电极。实验采用三种规格的电极距:3cm、5cm和7cm进行研究,结果显示,在电压较低的时候,Re数随电压的增大而增大。在电极距较小的情况下,高电压反而使Re数降低,而电极距较大时,Re数出现不稳定变化,同时实验现象也显示,火焰出现跳跃现象。故在需要使用电压来调节燃料Re数的时候,选择恰当的电极距比选择高电压来得合适。实验所选取的燃烧器管径对强电场的实验影响程度不高,其规律较难把握。火焰较小时,电场对火焰的作用不明显。实验还研究了强电场对减少火焰析碳的作用,这对微小空间燃烧过程抑制C颗粒的形成以及强化传热都是很具现实意义的。本文的实验结论是进行下一步实验的基础。