碳酸二甲酯層流火焰特性的實驗和數值研究

于會賓,胡二江,楊柯,黃佐華

(西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室, 710049, 西安)

碳酸二甲酯層流火焰特性的實驗和數值研究

于會賓,胡二江,楊柯,黃佐華

(西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室, 710049, 西安)

在定容燃燒彈上,利用高速紋影攝像系統對碳酸二甲酯(DMC)的預混層流燃燒特性進行了研究,獲得了不同溫度、壓力和當量比下的層流燃燒速度、馬克斯坦長度和胞狀結構的臨界半徑,同時對火焰不穩定性進行了理論分析。研究表明:層流燃燒速度隨當量比的增加先提高后下降,在當量比為1.1時達到峰值;層流燃燒速度隨初始溫度的升高而提高,隨初始壓力的增加而降低;馬克斯坦長度、臨界火焰半徑隨當量比和壓力的增加而減小,表明火焰不穩定性隨初始壓力和當量比的增加而增強;臨界貝克來數Pe隨當量比的增加而減小。利用Chemkin軟件對預混層流燃燒速度進行了數值模擬,結果顯示,Glaude機理對DMC層流燃燒速度的模擬值與實驗測量值有較大偏差,表明該機理不能很好地預測DMC的層流燃燒速度。

碳酸二甲酯;層流燃燒速度;馬克斯坦長度;火焰不穩定性

全球能源的緊缺、環境污染的加劇和排放法規的日益嚴格使清潔代用燃料的研究獲得了越來越多的關注。對柴油機而言,NOx和顆粒物是主要的排放污染物,其中顆粒物排放近年來越來越受到重視。許多學者致力于提高柴油機的性能和降低柴油機的排放,然而同時降低顆粒物和NOx排放是十分困難的。研究表明,含氧燃料的添加可以顯著降低顆粒物排放,同時在一定程度上降低NOx排放[1-3]。碳酸二甲酯(DMC)具有含氧量較高(占總質量53.3%)、與柴油互溶性好等優點,因此可成為良好的柴油添加劑。Zhang等人研究了DMC添加劑對柴油機性能的影響,指出合適的噴油時刻可以在顯著降低顆粒物排放的同時降低NOx排放[4]。Cheung等人對柴油和DMC的混合物在歐V柴油機上的排放特性進行了研究,指出燃用該混合燃料顯著降低了顆粒物排放,同時對HC、NOx的排放影響非常小[5]。DMC基礎燃燒特性的研究對于其在發動機上的應用具有一定的指導意義,但是目前對DMC基礎燃燒特性的研究卻很少。

層流燃燒速度是燃料的一個重要的物性參數,也是研究湍流燃燒的基礎,還可以用來驗證化學反應機理和優化發動機設計[6]。Bilde等人開展了大氣壓下DMC與OH自由基反應速率常數的測量,指出該速率常數具有較弱的溫度依賴性,DMC與OH自由基反應緩慢[7]。Tundo等人對DMC的化學特性進行了研究,指出其反應性是可變的,363 K是反應性變化的一個分界點[8]。Sinha等人在大氣壓下利用對沖擴散火焰進行了組分和溫度的測量,指出DMC火焰主要的中間基是甲醛[9]。Glaude等人發展了DMC的動力學機理,且與對沖擴散火焰組分數據進行了對比,模擬數據與實驗數據吻合得很好[10]。現有文獻中并沒有DMC層流燃燒速度的實驗數據,本文采用定容燃燒彈和Chemkin軟件對DMC在不同溫度和壓力下的層流燃燒速度進行了實驗研究與數值模擬,以及混合氣系統狀態參數(當量比、溫度和初始壓力)對層流燃燒速度和火焰不穩定性的影響,以期為進一步加深對火焰傳播和火焰不穩定性的理解、DMC的清潔高效利用提供理論基礎。

1 實驗和計算方法

1.1 實驗裝置和方法

實驗裝置描述見文獻[11]。本文采用定容燃燒彈系統來測量層流燃燒速度,該系統由定容燃燒彈、點火系統、加熱系統、數據采集系統和高速紋影攝像系統組成。實驗中定容燃燒彈的內徑為180 mm,容積為5.5L。容彈體的兩個端面裝有直徑為80 mm的石英玻璃視窗,為紋影系統提供光學通路,容彈內的中心電極點燃混合氣。實驗中使用了美國Redlake公司生產的型號為HG-100K的高速攝像機,拍攝速度為1萬幅/s;使用加熱帶將容彈內溫度加熱到實驗工況并且保持穩定,容彈內的溫度由熱電偶測得,精度為±2 K。O2和N2根據相應分壓進氣,混合氣保持5min(混合均勻)后點火。為確保實驗數據的可靠性,每種工況重復3次。

實驗中DMC液體燃料由微型計量器注入容彈,且在容彈內高溫條件下可迅速氣化。實驗所用的DMC純度為無水級,質量分數≥99%;空氣由純度(質量分數)為99.99%的N2和純度為99.99%的O2根據79∶21的比例配制。定容燃燒彈實驗工況:當量比φ為0.7～1.6,初始溫度Tu為373～473 K,初始壓力Pu為0.1～0.5MPa。

1.2 計算方法和化學反應機理

利用化學反應動力學軟件Chemkin中的Premix模塊對DMC進行了層流燃燒特性的模擬和分析,計算層流燃燒速度所用的化學反應機理為Glaude[10]等人發展的機理(以下簡稱Glaude機理),該機理包括102個物種和442個反應,已用擴散燃燒的組分數據進行了驗證。

2 實驗結果與分析

2.1 系統驗證

圖1給出了異辛烷-空氣在初始壓力為0.1 MPa、初始溫度為373 K時的層流燃燒速度及其與Varea等人[16]、Galmiche等人[17]實驗數據的對比。從圖中可以看出,本實驗結果與前人實驗數據在較寬范圍的當量比φ下吻合很好,從而證明了本實驗系統的可靠性。

圖1 異辛烷-空氣的層流燃燒速度

2.2 層流燃燒速度及數值模擬

圖2給出不同初始溫度和壓力下DMC-空氣混合氣在當量比為1.0時的火焰半徑隨時間的變化。從圖中可以看出,火焰半徑與時間呈線性關系。火焰傳播速度隨初始溫度的增加而增加,隨初始壓力的增加而減小。

(a)不同的初始溫度下

(b)不同的初始壓力下

圖3給出了不同初始溫度和壓力下拉伸火焰傳播速率隨拉伸率的變化。從圖中可以看出,拉伸火焰傳播速率與拉伸率之間呈線性關系。拉伸率隨火焰半徑的增加而減小,火焰半徑趨向于無窮大時,拉伸率趨向于0。拉伸火焰傳播速率外推至拉伸率為0時可獲得無拉伸火焰傳播速率。

(a)不同的初始溫度下

(b)不同的初始壓力下

圖4給出了不同初始溫度和壓力下層流燃燒速度的測量值和模擬值隨當量比的變化。從圖中可以看出,模擬值與測量值之間存在較大的偏差,說明Glaude機理不能很好地預測DMC的層流燃燒速度,因此該機理有待于進一步修正。從圖中還可看出,在不同初始壓力和溫度下,層流燃燒速度均在當量比為1.1時到達峰值。此外,隨著初始壓力的增加,層流燃燒速度的下降幅度減小。

研究表明,絕熱火焰溫度是影響層流燃燒速度的主導因素[18]。圖5給出了不同初始溫度和壓力下絕熱火焰溫度隨當量比的變化。從圖中可以看出,絕熱火焰溫度隨初始溫度和壓力的增加而增加。此外,相對于初始壓力的變化,絕熱火焰溫度對初始溫度的變化較敏感。

(a)不同的初始溫度下

(b)不同的初始壓力下

(a)不同的初始壓力下

(b)不同的初始溫度下

圖6給出了當量比為1.0時3種初始壓力和溫度下的敏感性分析。從圖中可以看出,主要的鏈分支反應和鏈終止反應對于初始溫度和壓力的變化比較敏感。Glaude機理于2005年提出,其中一些基元反應的動力學參數是類比其他燃料機理獲得的,其對DMC層流燃燒速度的模擬值與實驗值存在較大偏差的原因,可能是基元反應的動力學參數不夠準確。

2.3 火焰不穩定性分析

影響火焰不穩定性的因素在3個方面,即熱擴散不穩定性、流體動力學不穩定性、浮力不穩定性。在實驗工況下,DMC的浮力不穩定性影響很小,因此以下僅討論熱擴散不穩定性和流體動力學不穩定性。

火焰前鋒面的密度變化會造成流體動力學不穩定,在高壓時更為顯著,可以通過火焰厚度δ和密度比σ來分析流體動力學不穩定性[19],δ=(λ/cP)/(ρuul),σ=ρu/ρb。火焰厚度的減小和密度比的增大都會增強流體動力學不穩定性。

熱擴散不穩定性是由熱量與質量的不等擴散引起的,可通過Lewis數Le(熱擴散系數與質量擴散系數的比值)來表征[20]。一般而言,當Le>1時火焰前鋒面胞狀結構受到抑制,Le<1時火焰前鋒面趨向于不穩定。

馬克斯坦長度Lb可表征火焰拉伸對火焰傳播的影響,也是反映火焰不穩定性的重要參數之一。馬克斯坦長度為負值時對應不穩定的火焰前鋒面結構,為正值時對應穩定的火焰前鋒面結構。在火焰發展過程中,馬克斯坦長度越大,火焰穩定性越好。

圖7給出了3種初始壓力下馬克斯坦長度隨當量比的變化。從圖中可以看出,馬克斯坦長度隨當量比和初始壓力的增加而減小,表明火焰不穩定性隨當量比和初始壓力的增加而增強。

圖7 馬克斯坦長度隨當量比的變化

表1給出了部分工況下的Le。由表1可以看出,隨著初始壓力的增加,Le基本不變,表明熱擴散不穩定性對初始壓力的變化不敏感。

表1φ=1.2、Tu=423 K時的壓力紋影

圖8和圖9分別給出了3種壓力下密度比和火焰厚度隨當量比的變化。從圖中可以看出:密度比隨初始壓力的增加而增加,但是增加量非常小;火焰厚度隨初始壓力的增加而減小,且變化趨勢非常明顯。這表明隨著初始壓力的增加,火焰流體動力學不穩定性增強。綜合對Le的分析可以得出,初始壓力的增加導致火焰流體動力學不穩定性增強的主要原因是火焰厚度減小。從圖中還可以看出:密度比與火焰厚度隨當量比的變化呈相反的趨勢,密度比隨當量比的增加先增大后減小,在φ=1.1時達到最大;火焰厚度隨當量比的增加先減小后增大,在φ=1.1時最小。

圖8 密度比隨當量比的變化

圖9 火焰厚度隨當量比的變化

圖10給出了初始壓力為0.3、0.5MPa時胞狀不穩定性的臨界火焰半徑Rcr和臨界Peclet數Pe隨當量比的變化。在本文中采用Bradley等人的第二種定義方法[21]獲得Rcr,即小于分支裂紋的胞狀結構自發、均勻地遍布火焰表面。臨界Pe或Rcr與δ的比值也可以反映火焰不穩定性。從圖中可以看出,Rcr隨當量比和初始壓力的增加而減小,表明火焰胞狀結構提前出現,即火焰胞狀不穩定性增強。對于稀混合氣,熱擴散不穩定性受到抑制(Le>1),火焰很難發展成胞狀結構。與臨界半徑一樣,臨界Pe隨當量比的增加而減小,表明火焰不穩定性增強。

(a)隨臨界半徑的變化

(b)隨臨界Pe的變化

3 結 論

利用定容燃燒彈和Chemkin軟件開展了DMC層流燃燒速度的實驗與數值研究,同時結合火焰紋影圖片開展了火焰不穩定性的研究,獲得的主要結論如下。

(1)通過實驗獲得了高溫、高壓條件下DMC的層流燃燒速度,DMC的層流燃燒速度隨當量比的增加先增加后減小,在φ=1.1時達到峰值。DMC的層流燃燒速度隨初始溫度的增加而增加,隨初始壓力的增加而減小。

(2)Glaude機理對DMC層流燃燒速度的模擬值與實驗測量值有較大偏差,說明該機理不能很好地預測DMC的層流燃燒速度,有待于進一步修正。

(3)馬克斯坦長度隨當量比和初始壓力的增加而減小,表明火焰不穩定性隨初始壓力和當量比的增加而增強。

(4)臨界火焰半徑隨當量比和初始壓力的增加而減小,表明火焰胞狀不穩定性增強。臨界Pe隨當量比的增加而減小,進一步表明火焰胞狀不穩定性增強。

[1] ZHU R, MIAO H, WANG X, et al.Effects of fuel constituents and injection timing on combustion and emission characteristics of a compression-ignition engine fueled with diesel-DMM blends [J].Proceedings of the Combustion Institute, 2013, 34(2): 3013-3020.

[2] RAKOPOULOS D C, RAKOPOULOS C D, GIAKOUMIS E G, et al.Characteristics of performance and emissions in high-speed direct injection diesel engine fueled with diethyl ether/diesel fuel blends [J].Energy, 2012, 43(1): 214-224.

[3] CHEN Z, LIU J, HAN Z, et al.Study on performance and emissions of a passenger-car diesel engine fueled with butanol-diesel blends [J].Energy, 2013, 55: 638-646

[4] ZHANG G, LIU H, XIA X, et al.Effects of dimethyl carbonate fuel additive on diesel engine performances [J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers: Part D Journal of Automobile Engineering, 2005, 219(7): 897-903.

[5] CHEUNG C, ZHU R, HUANG Z.Investigation on the gaseous and particulate emissions of a compression ignition engine fueled with diesel-dimethyl carbonate blends [J].Science of the Total Environment, 2011, 409(3): 523-529.

[6] AUNG K T, HASSAN M I, FAETH G M.Flame stretch interactions of laminar premixed hydrogen/air flames at normal temperature and pressure [J].Combustion and Flame, 1997, 109(1/2): 1-24.

[7] BILDE M, M?GELBERG T, SEHESTED J, et al.Atmospheric chemistry of dimethyl carbonate: reaction with OH radicals, UV spectra of CH3OC (O) OCH2and CH3OC (O) OCH2O2radicals, reactions of CH3OC (O) OCH2O2with NO and NO2, and fate of CH3OC (O) OCH2O radicals [J].The Journal of Physical Chemistry: A, 1997, 101(19): 3514-3525.

[8] TUNDO P, SELVA M.The chemistry of dimethyl carbonate [J].Accounts of Chemical Research, 2002, 35(9): 706-716.

[9] SINHA A, THOMSON M J.The chemical structures of opposed flow diffusion flames of C3 oxygenated hydrocarbons (isopropanol, dimethoxy methane, and dimethyl carbonate) and their mixtures [J].Combustion and Flame, 2004, 136(4): 548-556.

[10]GLAUDE P A, PITZ W J, THOMSON M J.Chemical kinetic modeling of dimethyl carbonate in an opposed-flow diffusion flame [J].Proceedings of the Combustion Institute, 2005, 30(1): 1111-1118.

[11]TANG C, HE J, HUANG Z, et al.Measurements of laminar burning velocities and Markstein lengths of propane-hydrogen-air mixtures at elevated pressures and temperatures [J].International Journal of Hydrogen Energy, 2008, 33(23): 7274-7285.

[12]LAMOUREUX N, DJEBAILI-CHAUMEIX N, PAILLARD C E.Laminar flame velocity determination for H2-air-He-CO2mixtures using the spherical bomb method [J].Experimental Thermal and Fluid Science, 2003, 27(4): 385-393.

[13]BRADLEY D, LAWES M, LIU K, et al.Laminar burning velocities of lean hydrogen-air mixtures at pressures up to 1.0 MPa [J].Combustion and Flame, 2007, 149(1): 162-172.

[14]BRADLEY D, GASKELL P, GU X.Burning velocities, Markstein lengths, and flame quenching for spherical methane-air flames: a computational study [J].Combustion and Flame, 1996, 104(1/2): 176-198.

[15]CHEN Z, BURKE M P, JU Y.Effects of compression and stretch on the determination of laminar flame speeds using propagating spherical flames [J].Combustion Theory and Modelling, 2009, 13(2): 343-364.

[16]VAREA E, MODICA V, VANDEL A, et al.Meas-urement of laminar burning velocity and Markstein length relative to fresh gases using a new postprocessing procedure: application to laminar spherical flames for methane, ethanol and isooctane/air mixtures [J].Combustion and Flame, 2012, 159(2): 577-590.

[17]GALMICHE B, HALTER F, FOUCHER F.Effects of high pressure, high temperature and dilution on laminar burning velocities and Markstein lengths of iso-octane/air mixtures [J].Combustion and Flame, 2012, 159(11): 3286-3299.

[18]LAW C K.Combustion physics [M].Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2006.

[19]LANDAU L.On the theory of slow combustion [M]∥Dynamics of curved fronts.San Diego, USA: Academic Press, 1988: 403-411.

[20]LAW C K, SUNG C J.Structure, aerodynamics, and geometry of premixed flamelets [J].Progress in Energy and Combustion Science, 2000, 26(4/5/6): 459-505.

[21]BRADLEY D, SHEPPART C G W, WOOLLEY R, et al.The development and structure of flame instabilities and cellularity at low Markstein numbers in explosions [J].Combustion and Flame, 2000, 122(1/2): 195-209.

(編輯 苗凌)

ExperimentalandNumericalResearchonLaminarBurningCharacteristicsofPremixedDimethylCarbonate/AirFlames

YU Huibin,HU Erjiang,YANG Ke,HUANG Zuohua

(State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Experiment was conducted in a constant volume combustion chamber by high-speed schlieren photograph system.The unstretched laminar burning velocity, Markstein length and cellular critical radius of dimethyl carbonate (DMC) were obtained under different conditions of temperatures, pressures and equivalence ratios.Flame instabilities was also analyzed.The results show that the unstretched laminar burning velocity increases firstly then decreases with the increasing equivalence ratio and gets the peak at the equivalence ratio of 1.1; it also increases with the increasing initial temperatures and decreases with the increase of initial pressures.The Markstein length and cellular critical radius decrease with the increasing equivalence ratio and pressures to indicate that flame instabilities are enhanced with the increasing equivalence ratio and pressures, and the critical Peclet number decreases with the increasing equivalence ratio.The numerical simulation by Glaude mechanism and Chemkin program reveals that the mechanism is unable to predict the unstretched laminar burning velocity very well.

dimethyl carbonate; unstreched laminar burning velocity; Markstein length; flame instabilities

2014-03-29。

于會賓(1988—),男,博士生;胡二江(通信作者),男,副教授。

國家自然科學基金資助項目(51306144);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目。

時間:2014-09-01

10.7652/xjtuxb201411005

TK16

:A

:0253-987X(2014)11-0025-07

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140901.1109.010.html