预混微火焰阵列的燃烧特性剖析与稳燃机理探究.docxVIP

预混微火焰阵列的燃烧特性剖析与稳燃机理探究

一、引言

1.1研究背景与意义

在当今社会，能源的高效利用和可持续发展已成为全球关注的焦点。能源作为推动社会进步和经济发展的重要基石，其利用效率的高低直接影响着人类的生产和生活方式。火焰加热作为一种传统且广泛应用的加热方式，在工业生产、日常生活等诸多领域发挥着关键作用，如在钢铁冶炼、玻璃制造、陶瓷烧制等工业过程中，火焰加热是实现材料高温处理的重要手段；在家庭烹饪、取暖等方面，火焰加热也占据着重要地位。

然而，传统的常规尺度火焰加热存在着一些固有的缺陷。一方面，常规尺度火焰的长度较长，这使得在加热过程中，温度场和组分场的均匀性难以有效控制。例如，在大型工业加热炉中，由于火焰长度的影响，加热对象不同部位所接收到的热量存在较大差异，导致加热不均匀，进而影响产品质量。另一方面，常规尺度火焰在燃烧过程中会产生较多的污染物，如氮氧化物（NOx）和碳烟等。这些污染物的排放不仅对环境造成了严重的污染，危害生态平衡和人类健康，还不符合当前环保和可持续发展的要求。据相关研究表明，工业领域中因常规火焰加热产生的NOx排放占总排放量的相当比例，对大气环境质量产生了显著的负面影响。

为了克服常规尺度火焰加热的不足，微火焰阵列作为一种新型的加热方式应运而生，展现出了巨大的潜力。单个微火焰呈现出球形形态，这种独特的形状使得微火焰向周围发射热量时具有更好的均匀性，能够为加热对象提供更为均匀的热环境。同时，微火焰具有蓝色透明、清洁的特点，在燃烧过程中不易产生碳烟等污染物，符合环保理念。更为重要的是，单个微火焰的最高发热率比常规尺度火焰大，这意味着在相同的燃料消耗下，微火焰能够提供更高的加热强度，有利于提高能源利用效率。

当将众多单个微火焰组成微火焰阵列时，其优势更加明显。微火焰阵列可以使火焰整体长度比常规尺度火焰降低1-2个数量级，这大大减小了火焰的空间占用，使得加热设备的结构更加紧凑。同时，通过合理设计微火焰阵列的布局和参数，可以在微喷嘴出口附近很小高度内形成一个稳定和均匀的温度场，从而实现对加热对象的均匀加热，提高加热质量。例如，在一些对温度均匀性要求极高的材料加工过程中，微火焰阵列能够满足其严格的工艺要求，生产出高质量的产品。此外，微火焰阵列还可以通过调节微火焰的数量和燃烧状态，灵活地适应不同的加热需求，具有很强的适应性和可控性。

对预混微火焰阵列燃烧特性与稳燃机理的研究具有至关重要的意义。深入了解预混微火焰阵列的燃烧特性，如火焰结构、燃烧速度、温度分布等，可以为微火焰阵列燃烧器的优化设计提供坚实的理论依据。通过优化燃烧器的结构和参数，可以进一步提高微火焰阵列的燃烧效率和能源利用率，减少燃料消耗，降低生产成本。同时，明确稳燃机理能够有效提高微火焰阵列的稳定性和可靠性，确保其在各种工况下都能稳定运行，避免出现熄火、回火等不稳定燃烧现象。这不仅对于工业生产中的加热过程具有重要意义，能够保证生产的连续性和稳定性，提高生产效率，而且对于推动能源的高效利用和可持续发展具有深远的影响，有助于缓解能源危机和减少环境污染，实现经济与环境的协调发展。

1.2国内外研究现状

国外在预混微火焰阵列的研究方面起步相对较早，取得了一系列具有重要价值的成果。Nakamura等学者率先对两个微喷嘴扩散火焰的相互影响和合并条件展开了探索性研究，通过实验观察和数据分析，初步揭示了扩散微火焰在相互作用过程中的一些基本规律，为后续的研究奠定了基础。随着研究的不断深入，更多的学者开始关注预混微火焰阵列的燃烧特性。他们运用先进的实验技术，如高速摄影、激光诱导荧光（LIF）等，对微火焰的结构、温度场、组分浓度分布等进行了详细的测量和分析。在数值模拟方面，国外学者也取得了显著进展，采用直接数值模拟（DNS）、大涡模拟（LES）等方法，对预混微火焰阵列的燃烧过程进行了模拟研究，深入探讨了燃烧过程中的化学反应动力学、流体动力学等复杂机制。

国内对预混微火焰阵列的研究虽然起步较晚，但发展迅速，众多科研团队在该领域投入了大量的研究力量，并取得了丰硕的成果。中国科学院广州能源研究所的研究团队对并列排列预混微火焰进行了深入的实验研究，以喷嘴内径为1mm的三个并列排列甲烷/空气预混微火焰为研究对象，通过ICCD加窄带滤波片的方式直接拍照记录火焰面形态特性，直观地展现了微火焰的形状和结构变化。同时，对比分析不同喷嘴间距、喷嘴混合气流速和当量比下火焰中OH和CH基团浓度变化，深入阐述了火焰相互作用特性。研究结果表明，并列火焰可分为独立、相互作用和完全合并三种形态，并且随着喷嘴间距的减小、喷嘴出口速度的增大以及当量比的增加，微火焰之间的相互作用明显增强，火焰燃烧强度增加，中间火焰顶部CH基团浓度分布变化能明显反映火焰相互作用的影响程