吹截止极限附近火焰蔓延的连续转变的实验研究

摘要

利用膨胀的固体燃料管道使氧化剂的速度沿轴向分布，研究了在反相强制流动中，接近吹灭极限时火焰蔓延向稳定燃烧的连续过渡。稳定燃烧是一种扩散火焰，出现在轴向喷射端燃混合火箭中。火焰蔓延与稳定燃烧之间的边界尚未得到详细的研究。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)矩形管被用作燃料，气体氧被用作氧化剂。所有的点火试验都是在大气压下进行的。扩散火焰在逆流流场中行进，在逆流流场中氧化剂的速度不断增加。当氧化剂在火焰尖端的速度超过某一数值时，燃烧模式发生变化。本实验所用的氧化剂速度范围为0.6 ~ 32.8 m/s。实验结果表明，可以确定氧化速率的阈值。在本研究中，阈值速度为26.4 m/s。

1.介绍

通过各种研究人员研究了燃烧成可燃固体进入相反的氧化剂流程[1］.在相对的流动的流动中足够大的速度（例如，20m / s），由于在流动中的气体混合物的停留时间不足，因此在可燃平板上熄灭或不能点燃的扩散火焰。然而，在狭窄的燃料管道中，Hashimoto等人。[2]观察到当相对的氧化剂流速足够高时，扩散火焰不会熄灭，并且在加宽燃料的同时缓慢地朝向上游方向移动。这种燃烧模式称为稳定燃烧（图1）.在这种燃烧模式下，火焰传播速度(或火焰蔓延速度)是火焰通过消耗燃料而扩大管道的速度。因此，火焰蔓延速率(V._F)明显低于火焰蔓延燃烧，例如:V._F = 0.7 mm/s for stabilized combustion andV._F = 5.5 mm/s for flame spreading combustion under the conditions of atmospheric pressure, PMMA of the inner diameter of 2 mm, and pure oxygen [2］.因此，可以通过火焰扩散速度和/或燃料回归形状来区分燃烧模式。

研究了扩散燃烧与稳定燃烧的边界。Hashimoto等研究表明，湍流时两种燃烧模式边界处的摩擦速度是恒定的[3.］.至于Laminar Flow，Matsuoka等人。[4.[展示边界处的摩擦速度是恒定的。它们还表明，恒定摩擦速度导致边界处的恒定临界达摩号（DA），因此，过渡到稳定燃烧的现象与吹扫现象的身体相同。

稳定的燃烧已用于新型的混合火箭。我们“一直”调查混合火箭，轴向注射末端燃烧的混合火箭（EBHR），其使用圆柱形燃料，其中许多沿轴向沿轴向运行的许多小端口阵列，通过该氧化剂气体流动[5.-7.］.稳定的燃烧保持在每个端口出口处。由于来自燃料端面的这些扩散火焰（端部燃烧）而导致的燃料回归。研究报告称，在某些情况下，由于稳定​​的燃烧模式突然变为火焰扩散燃烧模式，可能是由于端口精度的影响，因此终止燃烧可能不会持续。它被称为背击问题。因此，从EBHR的发展的角度来看，关于稳定燃烧过渡的研究是重要的和有趣的。

通过导电在每个实验中进行燃烧实验，研究了每种燃烧模式上的端口中的氧化剂流速的影响，其中氧化剂流速在每个实验中恒定[2-4.］.因为出现稳定燃烧的条件集中于上述测试中，因为只能离散地研究了火焰扩散速率与氧化剂流速之间的关系，并且尚未详细研究从火焰扩散燃烧到稳定的燃烧模式的过渡．因此，在本研究中，我们专注于火焰蔓延的过渡在吹扫限制附近。为了观察从火焰扩散燃烧到稳定燃烧的过渡，使用流速连续增加的膨胀流管。

2。材料和方法

2.1。燃料（测试样品）

设计燃料管道以产生相对的流动构造，其中氧化剂速度在上游方向上连续增加。燃料形状如图所示2，其尺寸在表中指定1．燃料管的宽度在轴向上是均匀的，而高度以1度的角度增加，从而形成了合适的轴向氧化剂速度分布。由于管道的形状，氧化剂的流动速度随着它向下游流动而降低。由于火焰是在下游点燃的，随着上游的扩散，火焰尖端的氧化剂流速增加。通过将一个平板与另一个带有膨胀槽的平板粘接，形成了一个膨胀流道。以透明聚甲基丙烯酸甲酯为燃料，用数码相机测量火焰扩散速率。在本研究中，进行了热厚条件下，垂直预热长度的实验[8.]在固相中预测来自Fenandez-Pello等人进行的实验结果。[9.］.当燃料厚度大于L._SY.，燃料热厚。由于最大值L._SY.为1.0 mm时，我们采用的厚度至少为10 mm。在所有观察到的火焰传播速度(V._F）.

数字3.示意性地示出了测试样品。燃料连接到具有环氧树脂的不锈钢制成的气体入口部分。气体入口部分连接到气体供应管线。根据燃料形状和质量流量，可以通过基于连续性方程使用以下等式来计算管道中的氧化剂流速分布： 在哪里V._O.（m / s）是氧化剂流速，问：(m^3./ s）体积流量，一种(m²）是横截面积，（kg / s）是质量流量，R.（J / kg / k）是气体常数，T.（k）是温度，P.（PA）是压力，B.（m）是管道宽度，H_一世（m）是管道的初始高度，L.（m）是管道长度，X（m）是火焰尖端的位置。

2.2。实验装置

数字4.显示实验装置的示意图。它主要由氧气罐，氮罐和测试样品组成。使用纯氧作为氧化剂，使用氮气吹扫。有2条线来供应气态氧气和氮气。氧管线具有球阀，针阀和非静脉阀，用于流量/无流控制，控制气体流速和防止回波流动。氮气线仅具有用于流/无流控制的球阀。质量流量计测量氧气质量流量，压力传感器测量燃料管道上游的压力。测量数据被发送到记录器并存储。桌子2显示用于测量的仪器及其准确性。

通过针阀调节并堵塞氧化剂质量流量。在将氧气进入测试样品的同时，通过点燃的香或加热的镍铬丝下游点燃燃料管道。然后，火焰蔓延到燃料管道中。数码相机记录了燃料内部的火焰的进度。当火焰到达入口时，将氧气切换到氮气以吹扫。所有测试均在大气压下进行。

3.减少数据

3.1。火焰扩散速率和氧气速度

在烧制试验期间测量氧气质量流量和压力。通过追踪Virectj在视频中的火焰尖端的位置历史来计算火焰扩展速率。从火焰尖端位置的时间历史，质量流量和压力，通过等式计算火焰尖端处的氧气速度（1）.火焰尖端处的压力通过压力端口处的压力识别，因为从方程计算的管道出口的压力下降（2）小于0.5kPa（试验条件下约107kPa）。由于火焰在射击试验期间朝向上游移动，因此实际压降将小于0.5kPa。通过等式计算管道的电阻系数（3.）对于层流和方程（4.）对于湍流（Blasius抵抗公式）。

3.2。边界速度

评估边界，散装速度方程（1）给予雇用。已经研究了两种燃烧模式之间的边界条件[3.那4.］.燃烧模式取决于流动分离是否存在于火焰前沿。如果固体表面上的边界层从芯流量接收足够的动力，则流量与表面不分开，并且火焰不能掺入流动。因此，从芯流到边界层的湍流动量决定了火焰是否可以延伸到流动。由于这一发现，他们发现摩擦速度是决定模式是否是火焰扩散或稳定燃烧的重要指标。以下等式为湍流制度提供摩擦速度： 在哪里(米/秒),（PA），（kg / m^3.）， 和D.（m）是体速度，粘度，氧化剂密度和端口直径。无论其他条件如何，边界都是由摩擦速度的单个值表示的[3.］.请注意，用摩擦速度表示的边界与尺度无关。在本研究的转捩点附近，雷诺数超过10,000，意味着流动是紊流。利用摩擦速度，我们可以利用本文提供的结果来设计任何规模的EBHR。因此，关于管道内详细的速度分布的讨论是不必要的。因此，在本研究中，采用体积速度作为边界条件。

3.3。错误偏见

氧化剂速度的值有一些错误偏差由于仪器的准确性。在这项研究中，错误偏见由等式确定（6.）使用每个错误偏差仪器的总结在表格中3.．

4.结果和讨论

进行了几次射击测试以观察吹吹限附近的行为。数字5.显示火焰的典型图像。图像显示，火焰蔓延速度在25 s左右减慢;火焰缓慢移动，同时扩大管道。这意味着燃烧方式已由扩焰燃烧转变为稳定燃烧。据此，成功地观察到了燃烧模式之间的转变。

桌子4.和图6.总结射击测试的结果。在图中6.，横轴表示氧化剂流速，纵轴表示火焰扩散速率。随着氧化剂流速改变的变化，火焰扩散速率变化。火焰扩散速率随着流速而增加，随着气体速度的增加，开始减小。这种趋势与板上的燃烧进行了定性地对应了[9.］.对于高氧化剂速度区域（约26米/秒，近吹气极限），V._F-V._O.当氧化剂速度超过一定值时改变关系。这种速度是过渡速度。这V._F-V._O.吹灰限制附近的关系变得清晰。

数字7.显示了试验6中的压力和火焰扩散速率的时间历史。在点火后刚刚略微增加的压力，然后随着火焰扩散速率降低而降低。当火焰蔓延率快速时，火焰比其扩展燃烧体积快地增加燃烧区域，因此压力增加。然而，对于低火焰扩散速率，火焰扩展了比增加面积更快的体积，因此压力保持恒定。观察到过渡的试验4-6的压力具有相同的趋势。

数字8.是专注于图形中火焰扩散速度足够低的区域的图6.．当氧化剂流速超过约26m /s时，火焰蔓延速率大大低于流速超过速度前，几乎没有减速V._F = 0.6 mm/s. Therefore, the threshold oxidizer velocity of the transition can be determined. Figure9.显示每个测试的过渡速度，误差偏置。从这个图中，阈值速度是 ．

5。结论

利用膨胀燃料管首次观察到火焰蔓延燃烧向稳定燃烧的连续过渡。这V._F-v._O.禁止禁止限制附近的关系也澄清。从几次烧制测试，发现可以确定转变的阈值氧化剂速度。在这项研究中，阈值速度是 ．该结果预计可用于设计轴向注射端燃烧的混合火箭以防止背击问题。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据可根据要求可从相应的作者获得。

利益冲突

提交人声明有关本文的出版物没有利益冲突。

致谢

这项工作得到了Hattori Hokkokai Foundation 17-006的支持。

参考

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