基于的狭长受限空间油气爆炸中间基团浓度分布(3)
可以看出,在起爆阶段OH 基集中分布在半球形火焰锋面上,已燃区域OH 浓度相对较低,可以以OH 基团集中分布区作为已燃区域和未燃区域交界面。根据图5(a)~(d)中OH 所示的火焰结构,发现油气在点燃后,火焰面沿径向和轴向以均衡速度传播,形成了图5(a)所示的半球形火焰;而后火焰在化学反应的作用下沿轴向和径向加速传播,其中越靠近中轴线和火焰尾部,加速现象越明显,因而形成了图5(b)所示的上窄下宽的尖锥形火焰;由于受到管壁的限制,火焰在径向上传播受阻,径向速度逐渐减至很小,此时火焰主要沿轴向进行拉伸,OH基集中于火焰前沿锋面,形成了图5(c)所示的火焰结构。随着火焰进一步传播,径向火焰面与管壁之间形成了一条“隔离带”,图中流场各点的径向传播速度基本相同,径向火焰锋面上的OH 基浓度较之前有所增加,形成了图5(d)所示的平行火焰结构。
对图5(c)~(d)的变化过程进行分析。火焰的传播能够造成未燃气体沿火焰锋面法线方向运动,火焰锋面前方未燃气体受到压缩,油气浓度升高。火焰在径向上也存在这种运动,因此火焰上下边缘与管道壁面之间的未燃气体被压缩,油气浓度变大,油气分子热解氧化后产生的OH 基浓度增多,并集中在火焰锋面处。但与此同时当浓度高于一定限度时,油气-空气混合气燃烧变得很慢。由于火焰锋面前方未燃区的油气浓度逐渐增大,未燃区与已燃区的物质输运强度增大,未燃油气在浓度梯度作用下逐渐反向扩散进入已燃区,当油气浓度降低之后,径向火焰前端继续维持燃烧,大量油气分子分解,OH 基浓度增大。径向火焰的这种传播性质造成图5(d)中的火焰径向传播速度变得很慢。最终不同流场区域的径向火焰锋面达到同一水平,导致锋面与壁面间“隔离带”的形成。需要提到的一点是,“隔离带”会随着燃烧的进行逐渐变窄直至消失。
图6 不同时刻片状激光区域内OH基平均荧光强度的变化Fig.6 Variation of average LIF intensity of OH radical in the laser sheet region at different time
图6 是观察区域内不同时刻OH 基荧光强度的变化规律。油气点燃时刻,大量油气分子热解、氧化,生成的OH 基数量相对较多,且分布较为集中;随后火焰沿管道轴向和径向向外扩散,由于受到传热传质效应的影响,火焰与未燃气体进行热交换和物质输运,并向外辐射能量,造成火焰温度降低,油气燃烧强度减弱,OH 基浓度减小,荧光强度减弱(3 ms),但燃烧面积增大;然而随着火焰的传播,越来越多的未燃气体进行燃烧反应,释放的热量逐渐累积增大,在链反应的作用下更多活化基团产生,在此基础上,油气燃烧反应又逐渐变得剧烈,OH 基产量增加,因此其荧光强度逐渐增大(3~8 ms)。随后在化学动力学的驱动下,更多OH 基经化学反应产生,其荧光强度也更强(12 ms)。
2.2 不同位置的OH基浓度分布
狭长受限空间的油气爆炸是一个动态发展的燃烧过程,由于受到燃烧反应的影响,火焰结构也不断变化,从而导致不同空间位置处燃烧区域的火焰特征出现较明显的差异。在火焰传播过程中,火焰结构的演变特征同时受燃烧反应和流动瞬变的耦合影响,而先前研究者们着重分析了流动瞬变对火焰结构的影响规律,针对燃烧反应过程的分析相对欠缺,尤其是缺乏化学反应进程的空间分布特征分析;因此本文通过对狭长封闭管道内不同流场位置的火焰中OH 基团的分布进行测量,获取了化学反应的空间分布特征。在燃烧过程中,由于裂解而生成的氢、含氢的自由基及分子和氧所起的大部分反应都能生成OH基,并释放出大量的热[31]。
图7 流场内不同位置的火焰中OH基的分布Fig.7 Distribution of OH radical in flames at different positions in flow field
图7 是火焰传播到管道前部、中部和后部三处石英玻璃观察窗时的OH 基分布状态,观察窗中心位置分别距点火端5 cm、50 cm、95 cm,每个图中的上下红色界线为壁面。图7(c)是爆燃初期管道前部观察窗内火焰中的OH 基分布特征,OH 基主要集中在弧形的火焰锋面上,说明氢、含氢的自由基及分子的氧化反应主要发生在火焰外侧的区域;图7(b)是爆燃中期管道中部观察窗内火焰出现“Tulip”形状时OH 基的分布特征,此时OH 不再仅仅集中在火焰锋面上,而是分布在火焰前端各个区域,且越靠近管道壁面浓度越大,这说明氢或者含氢的分子的氧化反应发生在整个火焰前端,壁面处的化学反应更为强烈,且此时火焰与壁面之间也不存在“隔离带”;图7(a)是管道末端观察窗内爆燃后期火焰中的OH 分布特征,此时OH 主要分布在火焰前端靠两侧区域,从中间向上下两侧方向,OH 基分布范围越来越广,氢、含氢的自由基及分子的氧化反应在整个火焰前端区域都在进行。
文章来源:《爆炸与冲击》 网址: http://www.bzycjzz.cn/qikandaodu/2021/0411/801.html
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