摻氫對二甲醚預混層流燃燒特性的影響

陳朝陽,耿莉敏,鞏靜,湯成龍,張春化

(1.長安大學汽車學院,710064,西安; 2.西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安)

摻氫對二甲醚預混層流燃燒特性的影響

陳朝陽1,耿莉敏1,鞏靜2,湯成龍2,張春化1

(1.長安大學汽車學院,710064,西安; 2.西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安)

利用定容燃燒彈試驗和化學反應動力學數值模擬相結合的方法,研究了不同氫氣摻混比下的二甲醚-氫氣-空氣預混層流火焰特性,分析了氫氣摻混量(摻氫比)對二甲醚預混層流燃燒速度、絕熱火焰溫度以及火焰中主要活化自由基的影響。試驗結果顯示:隨摻氫比的增大,混合氣體的層流燃燒速度、絕熱火焰溫度逐漸增大,且在摻氫比小于80%時增大幅度較小,在摻氫比大于80%時,增大幅度較大;摻氫比較小時,混合燃料燃燒初期,火焰中會有一定量的氫氣生成,說明混合燃料燃燒過程中,二甲醚會被優先氧化分解,在摻氫比較小的混合燃料燃燒過程中二甲醚的氧化分解占主導地位;隨摻氫比的增大,火焰中自由基的濃度逐漸增大,大摻氫比時H自由基濃度增大幅度更為明顯,H自由基濃度隨摻氫比增大的劇增導致層流燃燒速度的劇增。

二甲醚;氫氣;預混層流;定容燃燒彈;數值模擬

石油供給問題的日益緊張和排放法規的日益嚴格,使清潔石油替代燃料的研究成為內燃機研究與發展中的熱點問題。二甲醚和氫氣被認為是目前最有發展前景的潔凈替代燃料。二甲醚可以從煤、天然氣、生物質等多種原料中大量制取,其十六烷值高,分子中不含C—C化學鍵,且本身含氧,是適用于壓燃式發動機的優良燃料[1]。發動機燃用二甲醚的優勢在于低噪音、低碳煙、低CO以及低NOx排放[2-4]。氫氣點火能量低,火焰傳播速度快,可燃極限寬,在燃燒時能釋放出OH、H、O等活性很高的自由基。氫氣與碳氫燃料摻混燃燒的研究結果表明,在天然氣中摻混少量氫氣,可以加快燃燒速度,擴展燃料燃燒極限,從而降低有害氣體的排放,提高熱效率[5-6]。

層流燃燒速度是表征混合氣燃燒特性的重要參數,在燃燒科學研究的諸多方面有重要的意義。準確的層流燃燒速度值不僅可以用來驗證化學反應動力學模型的有效性,也是發動機模擬中湍流燃燒模型的基本輸入參數。二甲醚氫氣混合氣的預混層流燃燒基礎研究表明,摻氫能明顯提高二甲醚的火焰傳播速度[7],但氫氣對二甲醚燃燒細節的影響尚不清楚,因此有必要將試驗和理論研究結合起來,從宏觀和微觀兩方面系統研究摻氫對二甲醚燃燒細節的影響,進而為二甲醚發動機的摻氫研究提供理論依據和數據支持。

1 試驗與數值模擬方法介紹

本文試驗部分是在西安交通大學動力工程多相流國家重點試驗室的定容燃燒彈上進行的。試驗系統包括定容燃燒彈、加熱裝置、點火裝置、壓力采集設備和紋影攝像系統,其中定容燃燒彈是一個內腔直徑為180mm、長210mm的圓柱體,容彈兩圓形底面裝有直徑為80mm的石英玻璃視窗,為燃燒可視化測量提供光學通路。試驗系統布置如圖1所示。

摻氫比φ(H2)定義為氫氣在二甲醚-氫氣混合燃料中的體積分數,即

φ(H2)=VH2/(VDME+VH2)

(1)

式中:VH2和VDME分別為氫氣和二甲醚在混合燃料中的分體積。當量比φ定義為單位體積混合燃料完全燃燒所需空氣量與實際供給空氣量的比值,本文中只討論了理論當量比下氫氣摻混對二甲醚燃燒的影響情況。

試驗中,首先依據摻氫比和燃空當量比計算出所需的氫氣、二甲醚及空氣的體積分數,然后根據分壓定律在容彈中依次注入氫氣、二甲醚和空氣,形成均勻混合氣。待混合氣靜止后利用電感放電式電極點燃混合氣,同時啟動數字采集系統同步采集燃燒壓力,并觸發高速攝像機對火焰進行拍照。本試驗采用美國Redlake公司生產的HG-100K型號高速攝像機,選取的拍攝速度為10000幅/s。

根據試驗所測的火焰發展照片,依據球形擴展火焰理論,用線性處理的方法得到無拉伸火焰傳播速度,再根據火焰前鋒面上的質量守恒,計算出混合氣的無拉伸層流燃燒速度,具體求解過程參見文獻[8]。用定容燃燒彈法測定可燃混合氣的層流燃燒速度時,假定未燃區氣體溫度和壓力變化很小,所以測量條件限定在火焰發展初期未燃區壓力變化很小的階段。同時為了避免點火能量對火核發展的影響,火焰半徑又不能取得太小。為避免點火能量的影響同時保證準定壓的測量條件,本文所取火焰半徑范圍限制在6～26 mm之間。

圖1 定容燃燒彈法試驗系統

模擬研究采用Zhao等人發展的用于二甲醚燃燒的化學反應動力學機理[9](該機理是計算二甲醚燃燒過程的優化機理,包括55種反應組分和290個基元反應),使用PREMIX CODE程序進行考慮熱擴散效應的一維層流火焰模擬,并將模擬結果與試驗值進行對比。

2 研究結果分析

絕熱火焰溫度是表征可燃混合氣熱力學特性的一個重要參數,它不僅體現了混合物的放熱性能,還對火焰熄滅、火焰傳播和著火極限等有著重要的影響。絕熱火焰溫度的大小在一定程度上可以間接反映化學反應速率的大小以及層流燃燒速度的快慢。本文中的絕熱火焰溫度利用CHEMKIN軟件中的熱平衡模塊通過熱平衡計算獲得。二甲醚-氫氣-空氣預混合氣在化學當量比條件下的絕熱火焰溫度及層流燃燒速度隨摻氫比的變化關系如圖2所示。從圖2可以看出,層流燃燒速度的模擬結果與試驗結果得到了很好的吻合。隨著摻氫比的增大,二甲醚-氫氣-空氣混合氣的絕熱火焰溫度和層流燃燒速度均呈指數增長。摻氫比較小時,絕熱火焰溫度和層流燃燒速度隨摻氫比增大的增長幅度較小,摻氫比較大時,增長幅度較大,尤其在摻氫比大于80%以后,混合氣的絕熱火焰溫度和層流燃燒速度均隨摻氫比的增大急劇增大。胡二江等人在甲烷摻氫的研究中也發現了相同的規律[10]。

圖2 絕熱火焰溫度和層流燃燒速度隨摻氫比的變化

二甲醚分子中的C—H鍵鍵能比氫氣分子中的H—H鍵鍵能小,二甲醚分子的脫氫反應比氫氣分子的脫氫反應容易進行,混合燃料燃燒過程中會優先氧化二甲醚。同時,氫氣也是二甲醚燃燒分解過程的主要產物之一。圖3給出了數值模擬計算得到的二甲醚-氫氣-空氣火焰中氫氣的摩爾分數x(H2)的分布情況。由圖3可以看出,摻氫比較小(φ(H2)<40%)時,氫氣的摩爾分數先逐漸增大,達到一定值后又逐漸減小,最終達到一個穩定值保持不變,說明在摻氫比較小的混合氣燃燒初期,火焰中有一定量的氫氣生成,這也充分說明在摻氫比較小的混合燃料燃燒過程中,二甲醚的氧化分解占主導地位,氫氣參與化學反應的機會很少。隨著摻氫比的增大,火焰中二甲醚的濃度逐漸減小,在氫氣的排擠作用下,二甲醚處于非常稀的燃燒條件,火焰中的二甲醚消耗完后仍有較多的氧氣存在,氫氣參與化學反應的機會也逐漸增多。由圖3也可以看出,摻氫比大于60%以后,火焰中氫氣的摩爾分數隨著火焰位置的增大在穩定一定距離后迅速減小,說明在摻氫比較大的混合氣燃燒過程中,氫氣參與燃燒的機會增大。一旦有氫氣參與化學反應,就會釋放出H、OH和O等活性很強的自由基,參與燃燒的氫氣越多,釋放出的自由基越多,層流燃燒速度也增長越快。

圖3 二甲醚-氫氣-空氣火焰中氫氣的摩爾分數空間分布

自由基具有不成對電子,因此具有很高的活性,由其引發的鏈傳播和鏈引反應是火焰傳播的動力,在火焰傳播和燃燒中起著重要的作用。火焰中總自由基的濃度一定程度上決定了化學反應速率的大小和火焰傳播速度的快慢。二甲醚-氫氣-空氣混合氣火焰中自由基的摩爾分數分布如圖4所示。由圖4可以看出,隨著摻氫比的增大,火焰中H、O及OH自由基的摩爾分數逐漸增大,且其最大值位置朝火焰冷壁面方向移動。混合氣中二甲醚及氫氣的化學反應路徑影響了火焰中自由基濃度的變化規律。

(a)H自由基摩爾分數

(b)O自由基摩爾分數

(c)OH自由基摩爾分數

二甲醚分子中C—O鍵鍵能比氫氣分子中H—H鍵鍵能大,因此混合燃料燃燒過程中二甲醚會優先參與反應。火焰中的二甲醚主要通過脫氫反應消耗,其主要的脫氫反應都是消耗自由基的反應,如式(2)～式(4)所示的R240、R241和R243反應

(2)

(3)

(4)

這些反應與氫氣的主要消耗反應(R2和R3)及主要鏈支化反應(R1)競爭自由基,反應式如下

(5)

(6)

(7)

在純二甲醚火焰及摻氫比較小的二甲醚-氫氣混合燃料火焰發展初期,二甲醚的脫氫反應消耗了火焰中大量的自由基,使得火焰發展初期自由基的濃度較小,隨著二甲醚逐漸被消耗,火焰中的自由基濃度逐漸上升。隨摻氫比的增大,火焰中二甲醚的濃度逐漸減小,二甲醚脫氫反應所消耗的自由基的數量也逐漸減小,氫氣的主要消耗反應及主要鏈支化反應的反應速率逐漸增大,自由基濃度也逐漸增大。隨著摻氫比增大,火焰厚度逐漸減小,自由基濃度峰值的相位也逐漸向火焰前端移動。

圖5給出了二甲醚-氫氣-空氣混合氣火焰中自由基的最大摩爾分數。從圖5可以看出,火焰中自由基的濃度隨摻氫比的增大逐漸增大。從自由基摩爾分數的增大程度來看,大摻氫比時增大幅度更大,且H自由基的增大幅度要比O和OH自由基的增長幅度要大。H自由基不僅化學反應活性很高,又具有很強的擴散能力,大摻氫比下,由于H自由基濃度隨摻氫比的急劇增大導致了混合氣的層流燃燒速度隨摻氫比的增大急劇增大。

圖5 二甲醚-氫氣-空氣火焰中自由基的最大摩爾分數

3 結 論

本文對不同摻氫比下的二甲醚-氫氣-空氣層流預混火焰進行了試驗和數值模擬研究,著重分析了摻氫對混合氣的層流燃燒速度、絕熱火焰溫度及火焰中主要活化自由基的影響。研究結果表明:

(1)混合氣的層流燃燒速度和絕熱火焰溫度都隨摻氫比的增大按指數規律增大;

(2)摻氫比較小時,混合燃料燃燒初期,火焰中會有一定量的氫氣生成,說明混合燃料燃燒過程中,二甲醚會被優先氧化分解,在摻氫比較小的混合燃料燃燒過程中二甲醚的氧化分解占主導地位;

(3)隨摻氫比增大,火焰中自由基的濃度逐漸增大,大摻氫比時H自由基濃度增大幅度更為明顯,H自由基濃度隨摻氫比增大的劇增導致層流燃燒速度的劇增。

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(編輯 劉楊 荊樹蓉)

InfluenceofHydrogenAdditiononCombustionCharacteristicsofPremixedLaminarDimethylEtherFlames

CHEN Zhaoyang1,GENG Limin1,GONG Jing2,TANG Chenglong2,ZHANG Chunhua1

(1.School of Automobile,Chang’an University,Xi’an 710064,China;2.School of Energy and Power Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China)

Premixed laminar dimethyl ether-hydrogen-air flames with different hydrogen addition ratios are investigated experimentally and numerically to reveal the influences of hydrogen addition on dimethyl ether combustion,including laminar flame rate,adiabatic flame temperature and free radicals in flame.The results show that with the increasing hydrogen addition ratio,laminar flame rate and adiabatic flame temperature of mixtures rise,the rising scope is smaller for hydrogen addition ratio lower than 80%,and greater for the ratio higher than 80%; a little amount of hydrogen is produced at the initial combustion stage for low hydrogen addition ratio,which means that dimethyl ether is oxidized previously in blended mixtures and the oxidization of dimethyl ether plays a dominant role in combustion; the fractions of free radicals increase with increasing hydrogen addition,and obviously increasing of H fraction significantly accelerates laminar flame rate for high hydrogen addition ratio.

Dimethyl ether; Hydrogen; premixed laminar; constant volume combustion bomb; numerical simulation

2013-11-25。

陳朝陽(1982—),女,博士,講師。

陜西省自然科學基金資助項目(2012JQ7031);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(CHD2012JC049)。

時間:2014-03-19

10.7652/xjtuxb201406021

TK16

:A

:0253-987X(2014)06-0122-05

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140319.1749.005.html