高溫下摻氫燃氣層流燃燒速度和穩定性研究

朱源,姜根柱,王筱蓉,蘇傲成

(江蘇科技大學機械工程學院,江蘇 鎮江 212003)

傳統化石燃氣造成的環境污染、溫室效應和能源危機已引起全世界的廣泛關注。目前,人們正在積極尋找替代燃氣并開展可再生燃氣的研究。氫氣和乙醇作為具有優良性能的替代燃氣受到了廣泛關注。氫燃氣可以代替化石燃氣作為發動機燃氣。因為氫氣燃燒后的排放物是水,所以其對環境的污染幾乎為零;氫氣具有較高的自燃溫度,因此可更適用于作火花點火式發動機的燃氣;此外,氫氣還具有易于制備的優點。然而,隨著對氫氣的深入研究,氫氣的缺點也隨之顯現。其一,氫的爆炸極限低,屬于極易爆炸能源;其二,氫氣的燃燒過程相對不穩定,限制了其能成為替代燃氣的發展。與此同時,相關研究發現,通過嚴格控制工作溫度、壓力以及在氫氣中摻入一定量的低能量密度的燃氣,可以有效地改進氫氣燃燒過程中不穩定的情況。而與其他各種碳氫化合物(鏈烷烴、芳烴、烯烴、環烷烴)相比,乙醇可以更好地提升內燃機的輸出功率和熱效率,還可以減少有害污染物的排放[1]。因此,有必要對高溫下摻氫燃氣(氫氣-乙醇-空氣)的燃燒特性進行研究。

層流燃燒速度(LBV)是一種重要的熱化學性質,它表征了可燃燃料-空氣混合物,并提供了有關給定燃料及其混合物的反應性、擴散性和放熱性的重要信息。目前,諸多學者已經開始對含乙醇混合氣的層流燃燒特性進行研究。

Zhang Zunhua等[2]考察了初始溫度為383 K,初始壓力為0.1 MPa,當量比為0.6～1.6下,0～80%氫氣含量的75%含水乙醇-氫氣-空氣混合氣的主要層流火焰特性,通過比較SRE燃料空氣火焰與乙醇火焰的層流燃燒速度、絕熱火焰溫度以及Markstein長度,發現促進SRE燃料高效燃燒的最適合的氫分數值為40%。Zhou等[3]在初始溫度為400 K,初始壓力為0.1～0.3 MPa,當量比為0.7～1.4下,研究了乙醇摻混10%～30%氫氣對LBV的影響,結果表明,層流燃燒速度與氫氣摻混量是正相關關系,增大壓力則會抑制其發展,氫氣的加入可以顯著提高乙醇-氫氣-空氣火焰的絕熱火焰溫度。Xu Cangsu等[4]研究了初始溫度為358 K,初始壓力為0.1 MPa,當量比為0.5～1.4下的氫氣(0%,4%,8%和12%)-乙酸乙酯混合燃料的層流燃燒特性,結果表明,乙酸乙酯的LBV隨著H2添加量的增加而增強,并且氫氣延長了當量比的可燃性的下限。Tian Zhi等[5]比較了不同醇氫(甲醇/氫氣,乙醇/氫氣以及丁醇/氫氣)混合物在TISI發動機中的性能,發現醇氫混合物可以用來降低HC,CO和CO2排放。張嘉瑋等[6]系統地研究了初始溫度400 K工況下,不同初始壓力(0.1 MPa,0.4 MPa),不同摻氫量(0%,10%,30%,50%,70%和90%)以及不同當量比(0.7～1.4)對乙醇層流燃燒特性的影響,試驗結果表明:提高摻氫量對于LBV有促進作用,升高初始壓力雖然對LBV有抑制作用,但提高了LBV的增長速率。Sven Eckart等[7]在恒定大氣壓、初始溫度為373 K、不同當量比(0.6～1.7)下,對二甲醚-氫氣混合物進行了全面分析,發現氫氣的加入改善了二甲醚-空氣混合物的整體燃燒特性,提高了火焰溫度、LBV以及燃燒效率。然而,目前對于高溫下乙醇摻氫混合燃氣的層流燃燒特性的相關研究甚少。

鑒于目前研究的不足,本研究利用定容燃燒彈對初始溫度為450 K,初始壓力為0.2 MPa,氫氣含量為50%,70%和80%,當量比為0.7～1.4時的氫氣-乙醇-空氣混合燃氣進行了試驗和數值研究。采用球形火焰擴散法研究了拉伸對火焰的影響,得到了Markstein長度和層流燃燒速度,并擬合出計算H2-C2H5OH-Air預混燃氣LBV的經驗公式。

1 試驗裝置和混合燃料

試驗裝置如圖1所示,主要由定容燃燒室、進氣和排氣系統、加熱裝置、高速紋影成像系統、點火系統和數據采集系統組成。

圖1 試驗裝置系統

圖2示出定容燃燒彈的實體,是似正方體結構,視窗直徑為90 mm,容積為2.067 L。試驗前要檢查裝置的氣密性。K型熱電偶與溫度顯示器結合用于監測溫度,為保證彈體內溫度的均勻與穩定,本研究采用的加熱方式為壁面電阻加熱。壓力傳感器用來實時監測容器內的壓力。點火裝置以15 mJ的點火能量對處于容器中心的兩根鉑絲電極進行電火花點火,引燃燃氣。數字脈沖發生器與高速攝像機和示波器相連,高速攝像機以12 800 幀/s的拍攝速度和1 024×1 024像素的分辨率來記錄0.1 s內完成的火焰燃燒過程,示波器用于記錄信號,試驗過程中要保證點火裝置、高速攝像機以及示波器同步觸發。

圖2 定容燃燒彈外廓

表1列出氫氣與乙醇的基本屬性。由于本次設定的試驗溫度是450 K,超過乙醇的沸點,所以在將乙醇注射到定容彈后,可以由液態轉為氣態,故在該溫度下進行的試驗是有效的。

表1 氫氣與乙醇的基本屬性

由于本試驗所用的燃料是由H2,C2H5OH和空氣嚴格按比例混合而成,所以它們反應的化學表達式可表示為

(1)

本試驗的燃氣和工況如表2所示。根據當量比的變化,將φ<1規定為貧燃狀態,φ=1規定為化學計量比,φ>1規定為富燃狀態。

表2 試驗的燃氣和工況

為了簡潔表示,依據氫氣與乙醇的體積分數將本試驗使用的3組預混燃氣分別定義為Xh=50,Xh=70以及Xh=80。

2 層流燃燒特性參數計算

1) 火焰半徑

利用圖像分析軟件獲取火焰等效半徑[8]Rf:

(2)

式中:Nf為火焰前沿面的像素;Nb為光學窗口的像素;Rb為光學窗口的實際半徑。

2) 拉伸火焰傳播速度與拉伸率

拉伸火焰傳播速度(Sb)由下式計算[9]:

(3)

式中:t為火焰半徑Rf對應的時間。

對于球形膨脹火焰,拉伸率α已在參考文獻[10]中明確定義:

(4)

式中:A為火焰前沿的面積。

3) Markstein長度

常使用Markstein長度(Lb)來表征火焰對拉伸的敏感程度。Lb為正表示層流燃燒速度隨拉伸率的增大而減小,火焰傳播過程中火焰前鋒面的突起會受到抑制,火焰處在穩定狀態;而Lb為負表示火焰的不穩定性增強。Markstein長度可通過線性外推法計算[11]:

(5)

但在實際試驗過程中,火焰傳播速度的變化是非線性的,Kelley等[12]非線性擬合出計算Markstein長度的更精確的公式:

(6)

無拉伸火焰傳播速度計算公式如下:

(7)

式中:ρb和ρu分別為已燃氣和未燃氣的密度。ρb通過Chemkin中的熱平衡模型計算獲得,ρu由燃氣的初始參數計算。

火焰厚度(δ)和火焰膨脹率(σ)是與流體動力學不穩定性相關的兩個主要參數:

(8)

式中:Tb和Tu分別是燃燒的和未燃燒的氣體的溫度;(dT/dx)max是最大溫度梯度。

(9)

σ越小,流體動力學不穩定性越弱。

在假設準穩態和準平面的情況下,利用燃氣燃燒過程中的火焰密度變化和無拉伸火焰傳播速度[13],層流燃燒速度基于質量守恒定律,使用式(10)計算:

(10)

考慮到火焰厚度的影響,Bradely等[9]提出LBV的另外兩種定義,一是um,為燃氣的消耗速率,二是umr,為燃燒氣體的生成速率,計算公式如下:

(11)

(12)

其中,S為火焰速度因子,其與火焰半徑和兩區密度比有關[14],計算公式如下:

(13)

其中δL=v/uL,v是未燃氣體混合物的運動黏度系數。

3 試驗結果與分析

3.1 火焰半徑隨時間的變化規律

選取φ=0.7、φ=1.0和φ=1.4分別代表貧燃、化學計量比和富燃狀態。圖3示出Xh分別為50,70和80時在當量比變化下的球形火焰半徑隨時間的變化規律。隨著時間的增加,火焰半徑增大,Xh為80時的火焰半徑增長速度大于Xh為70和50時。這是因為混合氣中氫氣比例的提高,會減少燃燒時間。

圖3 不同比例的混合氣在當量比變化下的球形火焰半徑變化

3.2 拉伸火焰傳播速度與Markstein長度

選擇穩定燃燒階段(即火焰半徑選取范圍是8～25 mm)的拉伸火焰傳播速度來分析火焰穩定性并計算層流燃燒速度。圖4示出的是Xh=50的拉伸火焰傳播速度隨火焰半徑變化關系。當Xh=50,φ=0.7時,火焰傳播速率基本不隨半徑變化;當量比為0.8～1.3時,火焰傳播速度隨火焰半徑的增加而增大,而當φ=1.4時變化趨勢正好相反。

圖4 Xh=50的拉伸火焰傳播速度隨火焰半徑的變化

圖5示出貧燃、化學計量比和富燃狀態下,拉伸火焰傳播速度與火焰半徑的變化。φ=1.4時拉伸火焰傳播速度大于φ=1和φ=0.7時的拉伸火焰傳播速度,這表明提高當量比可以加快火焰傳播速度,這與圖3結果對應。將圖5縱向對比可以發現,化學計量比下,拉伸火焰傳播速度與摻氫比之間呈正相關關系。通過擴大氫氣在總燃氣中的占比,由于氫氣燃燒更迅速,會促進燃氣的燃燒,進而會提高燃氣的拉伸火焰傳播速度。

圖5 貧燃、化學計量比和富燃狀態下,拉伸火焰傳播速度與火焰半徑變化曲線

圖6示出不同當量比和摻氫比下拉伸火焰傳播速率與拉伸率的關系。當Xh=50,φ為0.7和1.0時,直線的斜率均為負,對應了正Lb,說明此時火焰穩定;而在φ=1.4時,雖然火焰傳播速度最大,但火焰的不穩定性增加,如圖6a所示。在化學計量比下,不同摻氫比的預混燃氣均呈現為穩定狀態,如圖6d所示。

圖6 不同當量比和摻氫比下拉伸火焰傳播速率與拉伸率的關系

圖7 無拉伸火焰傳播速度隨當量比的變化關系

圖8示出不同摻氫比下Markstein長度與當量比的關系?？梢园l現,隨著當量比的增加,Lb逐漸減小,在當量比為1.4左右變成負值,火焰的穩定性削弱。這表明,摻氫比和當量比兩者都對預混火焰的穩定性有顯著影響。

圖8 不同摻氫比下Markstein長度與當量比的關系

3.3 層流燃燒速度

不同當量比和摻氫比下,拉伸率對火焰燃燒速度的影響如圖9所示。從圖中可以看出,隨著摻氫量的增加,um與umr的差值在緩慢增大,說明火焰厚度對燃燒速度的影響也在增加,且火焰厚度對燃燒速度產生最明顯的影響是在當量比為1.4時。這是由于摻入氫氣增加了可燃物濃度和火焰厚度,減小了擴散限制,提高了燃燒速度,并且在當量比為1.4時,燃氣達到了最佳配比,使火焰厚度對燃燒速度的影響最為顯著。

圖9 不同當量比和摻氫比下拉伸火焰燃燒速度隨拉伸率的變化

圖10示出了在化學計量比、不同摻氫比下拉伸率對燃燒速度的影響?？梢钥闯?對于不同摻氫比的混合氣,um和umr都隨拉伸率的增加而減小。隨著拉伸率的逐漸增加,um和umr的差值逐步擴大,可以看出燃燒速度受到了火焰厚度影響。結合拉伸率的定義可以得出,當拉伸率趨于零時,火焰厚度的影響可以忽略不計,這時無論火焰燃燒速度定義在火焰鋒面的哪一側,它們都應接近于層流燃燒速度uL,即圖10中對應為擬合直線在Y軸上的截距。

圖10 化學計量比下拉伸率對燃燒速度的影響

圖11示出氫氣-乙醇-空氣混合氣在不同摻氫比和當量比下的層流燃燒速度。

圖11 氫氣-乙醇-空氣混合氣在不同摻氫比和不同當量比下的層流燃燒速度

把LBV擬合成關于當量比的三階多項式的形式,本研究中LBV的擬合結果為

uL1=2 132.885 64-9 082.528 28φ+12 169.860 08φ2-4 487.261 3φ3,

(14)

uL2=1 766.794 5-7 052.389 11φ+10 076.016 82φ2-3 775.555 33φ3,

(15)

uL3=1 103.046 11-4 374.451 38φ+8 212.322 26φ2-3 423.004 1φ3。

(16)

式中:uL1,uL2,uL3分別對應Xh=50,Xh=70和Xh=80的層流燃燒速度。

對于3組預混燃氣,層流燃燒速度隨當量比的增加均呈現出先升高后降低的趨勢。這是由于在貧燃階段,隨著當量比增加,燃燒會釋放更多的能量,使LBV提高;而在富燃階段,空氣逐漸減少,導致反應速率以及燃燒效率降低,進而抑制了預混燃氣的LBV,因此,層流燃燒速度在達到峰值后會隨著當量比的提高逐漸降低。

將本研究與Z. Han等[14]、Nathan Hinton等[15]、Zhongwei Meng等[16]以及Ziyu Wang等[17]的研究進行了比較,用來印證本試驗研究的有效性,結果見圖12。發現在相同的初始壓力、幾乎相同的初始溫度下,在LBV增長趨勢上,本研究所得結果與4組文獻數據近似,可以得出結論,本研究中獲得的數據是有效的,具有分析價值。

圖12 不同燃氣的層流燃燒速度對比

層流燃燒速度增長率定義為(uφ=x-umin)/(umax-umin),uφ=x是當量比為x時預混燃氣的層流燃燒速度,umax,umin為同一工況下的最大和最小層流燃燒速度。圖13示出了初始溫度為450 K、初始壓力為0.2 MPa時,不同摻氫比下,預混燃氣的層流燃燒速度增長率受當量比影響曲線。以摻氫比作擬合可以發現:當φ<1.3時,燃燒速度增長迅速;當φ=1.3時,層流燃燒速度增長率均達最大值,并與最大層流燃燒速度對應;當φ>1.3時,層流燃燒速度增長率呈下降趨勢。結果表明:摻氫比、當量比的變化均能影響預混燃氣的層流燃燒速度增長速率。將層流燃燒速度增長率進行擬合,得出:

圖13 不同摻氫比下層流燃燒速度增長率與當量比的變化關系

(17)

由式(14)至式(17)就可以求出不同摻氫比(Xh為50,70,80)和不同當量比(0.7～1.4)下混合氣的近似層流燃燒速度。

4 結論

a) 擴大氫氣在總燃氣中的占比能加速火焰的傳播,但提高燃氣中氫氣的含量也會削弱火焰的穩定性,隨著摻氫比的提高,火焰的不穩定性增強;

b) 隨著拉伸率的增大,混合氣消耗速率與產物生成速率的差值逐漸擴大,當拉伸率趨于0時,um和umr都趨于LBV;層流燃燒速度增長率最大值出現在當量比為1.3時,這與最大層流燃燒速度相對應;

c) 本研究中3種預混燃氣的LBV均呈現出先升高后降低的趨勢,其峰值(1 022.11 mm/s,1 313.275 mm/s,1 773.129 mm/s)均出現在當量比為1.3時。