不同挡板板通气孔直径对扩散火焰的实验研究

燃烧器小孔为何重要

从家庭采暖器到发电厂和船用发动机，许多装置通过燃气燃烧来产生热量。本研究考察了一个看似简单但能显著影响燃烧清洁度和效率的细节：位于燃烧器内部金属板（称为挡板板）上的小通气孔直径。研究人员在保持燃料供给不变的情况下，仅改变这些孔径，展示了火焰形态、温度、污染物和效率如何随之变化——这些见解可帮助设计更安全、更高效的燃气设备。

对常见燃气火焰的近距观察

团队关注的是“扩散火焰”，即燃料与空气在燃烧过程中相遇并混合，而不是预先充分混合的那类火焰。扩散火焰在工业中很常见，因为它们通常稳定可靠，但相比充分混合的火焰往往更费燃料且排放更多污染物。这里使用的燃料为液化石油气（LPG），一种常见的丁烷与丙烷混合物。研究人员搭建了一个金属试验舱——一个简单的圆柱形燃烧器，并在气体注入上游放置了一块带有八个圆形通气孔的平板挡板。通过测试从8到15毫米的五种孔径以及四个空燃比，他们在受控条件下观察到这一几何特征如何改变火焰的整体行为。

实验运行方式

空气由鼓风机送入燃烧室并经过精确计量；LPG 从加压钢瓶通过中心喷嘴供应。总燃料流保持不变，使热输入维持在32千瓦，接近中等规模工业燃烧器水平，而通过调节空气流量来达到不同的空燃比。团队测量了火焰稳定性——火焰点燃和吹脱的难易程度——以及燃烧室内的温度分布、峰值火焰温度、火焰长度和尾气中氧气、二氧化碳、一氧化碳与氧化氮的含量。他们还跟踪了热量的去向：进入冷却水、随热气体带走或通过金属壁散失，从而计算总体燃烧效率。

孔径变化对火焰的影响

孔径被证明是一个强有力的控制参数。较大的孔降低了进入气流射流的速度，并扩大了可维持稳态火焰的条件范围，给出更宽的“稳定窗口”。然而，较大的孔也使最热区域更靠近挡板板，并降低了峰值火焰温度和可见火焰长度。较小的孔产生更快的气流射流，在舱体中心更剧烈地混合燃料和空气，从而提高了最大火焰温度并将火焰延伸得更远，但代价是安全操作范围更窄。研究人员用一个简单的方程捕捉了这些趋势，该方程仅根据空燃比和孔径预测火焰长度，与实验测量值的吻合误差约为2.5%以内。

污染与效率的权衡

尾气中的气体显示出类似的权衡。较大的孔——冷却了火焰——倾向于降低温度敏感性污染物氧化氮（NO）的生成，但沿火焰长度增加了二氧化碳和一氧化碳的含量。较小的孔带来更热、更剧烈的火焰，会产生更多 NO，但能更充分地燃烧掉一氧化碳。当团队将所有热流合并为单一的燃烧效率值时发现，随着孔径增大，效率明显下降。例如，在某些空燃比条件下，将孔径从10毫米增大到15毫米会使效率下降约10%到11%，这主要是因为更多热量随废气被带走或散失到壁体，而未被有效回收利用。

对实际燃烧器的意义

对非专业读者来说，主要信息是：燃烧器内部的微小设计选择——例如简单金属板上通气孔的直径——可以在稳定性、效率和污染之间改变平衡。较小的孔可以从相同量的 LPG 中挤出更多有用热量，但需要更严格的控制以避免火焰问题并可能增加某些污染物；较大的孔让火焰更宽容，但会浪费更多燃料和热量。本研究给出的详细测量和简明设计规则，为工程师提供了实际指导，以便根据特定目标调优燃烧器硬件——无论是追求最高效率、更低排放，还是在紧凑加热与发电系统中实现稳健运行。

引用: Mohammed, E.S., Gad, H.M., Ibrahim, I.A. et al. Experimental investigation of diffusion flames with different baffle-plate air-hole diameters. Sci Rep 16, 7479 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38141-2

关键词: LPG 燃烧, 扩散火焰, 挡板板, 燃烧器效率, 火焰稳定性