论文标题：Transient process of methane-oxygen diffusion flame-street establishment in a microchannel (微通道中甲烷-氧气扩散“火焰街”的动态建立过程)

期刊：Frontiers in Energy

作者：Xin KANG, Yu WANG

发表时间：13 Jul 2021

DOI：10.1007/s11708-021-0755-y

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研究亮点

1. 通过高保真数值模拟在国际上首次模拟研究了微通道内特殊“火焰街”现象的动态建立过程；

2. 发现了“火焰街”形成过程中其前沿火焰微团从快速传播阶段时的三叉结构转变到锚定在入口附近时的长条状扩散火焰；

3. 对火焰形态转变过程开展了化学视角上的深入剖析。

中文摘要

扩散“火焰街”是一个极为有趣的火焰行为：火焰在狭窄通道中以数个火焰微团的形式沿着混合层离散分布。之前关于该现象的文献研究大多以实验或者数值模拟方法聚焦此类火焰的稳态热-化学结构。本文中作者使用开源CFD框架OpenFOAM下开发的低马赫数反应流求解器数值模拟了甲烷-氧气扩散“火焰街”的动态建立过程。模拟中通过在通道出口附近施加一定的点火能量，使得一“反应核心”形成并开始分裂。随后，三个独立的火焰团依次从该核心生成并向通道上游传播，并最终达到稳定状态（整个物理过程在15 ms内完成）。有趣的一点是，三个火焰团在过程中展现出不同的传播特征：第一个前沿火焰经历了一个形态变化，从快速传播阶段时的三叉结构转变为锚定在入口附近时的长条状扩散火焰；第二个火焰以大幅降低的速度向上游传播，保持其不变的“双翼”结构（贫燃分支与富燃分支），最终大约在通道中部位置处稳定下来；第三个火焰在点火源关闭后略微向通道下游移动，最后呈现出与第二个火焰相似的双分支结构。此外，本工作对前沿火焰微团的预混与扩散分支的化学结构进行了剖析，重点关注火焰形态转变时对燃烧热释放起主导作用的基元反应的变迁。本论文在国际上首次讨论了“火焰街”的瞬态形成过程，以期为读者们提供针对这类特殊火焰现象的全面深入理解。

研究背景及意义

MEMS微机电系统的快速发展对其能量供应系统提出了更高的要求。具有高能量密度的微尺度燃烧（~mm级别）技术有望应用在将来的微型能量系统中。微尺度燃烧的基础研究将为该系统的设计提供理论上的指导。微小尺度下增强的气体-燃烧器壁面的热耦合作用使火焰呈现出常规尺度下未曾观测到的各种特殊现象。扩散“火焰街”（Flame-street）现象是其中一个非常有趣的例子：火焰在狭窄通道中以数个微团的形式沿着混合层独立存在，呈现出“长条”状或“弯勾”状形态。热膨胀效应作用下火焰微团的离散分布使得流场速度与流线周期性地增大/减小与发散/聚合，从某种意义上与“卡门涡街”的特征类似，这也是“火焰街”的命名由来。深入理解此类现象的物理机制对未来该类微型扩散燃烧器系统的设计开发具有重要理论指导意义。

图1 微通道中的扩散“火焰街”现象

研究内容及主要结论

文献中关于此类现象的研究大多以实验或者数值模拟方法探讨火焰的稳态热-化学结构。本工作中作者使用开源CFD框架OpenFOAM下开发的低马赫数反应流求解器数值模拟了甲烷-氧气扩散“火焰街”从点火到稳定的动态建立过程。得到了以下主要结论：

1. 整个物理过程在15个ms内完成，经历了一系列接连发生的重要“事件”：点火能量的施加与“反应内核”的形成→“反应内核”分裂→第一个火焰团向上游传播并经历形态转变→第二个火焰团生成并向上游传播→点火源的移除以及第三个火焰稳定。

2. 三个火焰团在过程中展现出不同的传播特征：第一个前沿火焰经历了一个形态变化，从快速传播阶段时的三叉结构转变为锚定在入口附近时的长条状扩散火焰；第二个火焰以大幅降低的速度向上游传播，保持其不变的“双翼”结构（贫燃分支与富燃分支），最终大约在通道中部位置处稳定下来；第三个火焰在点火源关闭后略微向通道下游移动，最后呈现出与第二个火焰相似的双分支结构。

3. 对前沿火焰微团在传播与形态转变时的预混与扩散分支的化学结构进行了剖析，结果表明预混分支在整个过程中对燃烧热释放起主导作用的基元反应基本保持一致，但对扩散分支而言则情况有所不同：在经历火焰形态转变后，次甲基自由基（CH）的碳原子抽提反应的反应速率大幅降低，而一些氢自由基和水分子的生成反应的速率得到了加强。

图2 “火焰街”从点火到建立的动态过程

图3 前沿火焰向上游传播过程中从三叉结构到长条状扩散火焰面的形态转变

原文信息

Transient process of methane-oxygen diffusion flame-street establishment in a microchannel

Xin KANG¹, Yu WANG²

作者单位：

1. School of Civil Engineering and Architecture, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China

2. School of Automotive Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China

Abstract：

“Flame-street” is an interesting diffusion flame behavior in which a series of flame-segments is separately distributed along the mixing layer in a narrow channel. This experimental phenomenon was experimentally and numerically investigated with the focus on the steady-state, thermo-chemical flame structures in previous literature. In the present paper, the dynamic formation process of a methane-oxygen diffusion flame-street structure was simulated with a reacting flow solver developed based on the open-source framework OpenFOAM. By imposing a certain amount of ignition-energy near the channel outlet, a reaction-kernel was formed and bifurcated. Subsequently, three separate flames were consecutively generated from this kernel and propagated within the channel. The whole process was completed within 15 ms and all the discrete flames were eventually in a steady-state. Interestingly, different propagation features were observed for the three flame segments: The leading flame experienced a flame shape/type change from a tribrachial structure in its fast-propagating phase to a long, trailing diffusion tail after being anchored to the inlet. The successive flame had a much lower propagation speed, keeping its two wing-like (fuel-lean premixed and fuel-rich premixed) structure while moving toward its stabilization location, which was approximately in the middle of the channel. The last flame, after the ignition source was turned-off, was immediately convected a bit downstream, and eventually featured a similar two-branch-like structure as the second one. Moreover, chemical insights for the premixed and diffusion branches of the leading flame were also provided with the change of significance of some key elementary reactions focused on, in order to attain a detailed profiling of the flame-type transition. This paper is a first-ever one discussing the transient formation of flame-streets in literature and is believed to be useful for obtaining a comprehensive understanding of this unique flame characteristics from a dynamic point of view.

Keywords:

micro-combustion, flame-street, diffusion flame, mixing layer, flame propagation speed

Cite this article

Xin KANG, Yu WANG. Transient process of methane-oxygen diffusion flame-street establishment in a microchannel. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-021-0755-y

通讯作者简介

康鑫，武汉理工大学土木工程与建筑学院副教授，硕士生导师。从事流体力学、工程热力学、新能源概论、MATLAB程序设计与应用、高等流体力学、高等传热学、计算传热学等本科与研究生课程的教学，主要研究方向：微尺度燃烧、层流燃烧不稳定性、反应流高精度数值模拟、相变材料储能等。

王宇，武汉理工大学先进燃烧实验室PI，汽车学院教授，博士生导师。从事发动机原理和流体力学等课程的教学，主要研究方向：清洁动力、碳烟生成机理、激光传感、生物燃料、机器学习、燃烧及流动等。

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