甲烷-正十二烷-空氣混合物預混層流燃燒特性的試驗分析

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063)

天然氣的燃點較高，在壓燃式發動機中不易被壓燃。通?？紤]向氣缸中噴入微量的柴油以引燃天然氣的方式來實現天然氣在船用壓燃式機的應用[1]。噴入氣缸的柴油蒸發后會與缸內的天然氣及空氣混合，其預混物的燃燒是天然氣-柴油雙燃料發動機燃燒過程中的重要燃燒階段之一[2]，對發動機的運行參數有一定的影響[3]。

甲烷作為天然氣的主要成分，是常見的天然氣燃燒特性研究的替代物,通常選用高碳烷烴作為其單組分替代物[4]。正十二烷(n-C12H26)的碳值、碳氫比、放熱率、熱解性等化學性質與柴油相近，且其蒸發與噴霧特性也與柴油相似[5-6]。因此,選擇甲烷-正十二烷作為天然氣-柴油研究的替代物燃料,通過試驗及模擬手段研究正十二烷的含量對甲烷-正十二烷-空氣混合物預混層流燃燒特性的影響。

1 試驗方法

1.1 試驗裝置及數據處理

試驗裝置主要由圓柱形定容燃燒彈、溫度控制系統、配氣供液系統、點火控制系統、高速攝像紋影系統和數據采集處理系統等組成。容彈的容積為12.8 L，側面開有直徑為120 mm的石英玻璃視窗孔，供高速攝像機拍攝記錄火焰傳播的紋影圖像。試驗相機拍攝幀率為10 000幀/s。

試驗初始溫度選擇為423 K以保證足夠的過熱度，使正十二烷在試驗條件下均能完全蒸發可作為理想氣體。初始壓力為0.1 MPa，當量比φ從0.7～1.4。研究中空氣為79%的氮氣與21%的氧氣的混合物，正十二烷含量指正十二烷在甲烷-正十二烷混合燃料中的摩爾分數，其值在0%～100%的范圍內變動。

試驗開始前，先通過加熱系統將容彈內溫度加熱并保持在設定溫度[7]。容彈被加熱到設定溫度后容彈內徑向距離上的溫度分布見圖1，其中橫坐標中0點為容彈中心。

圖1 定容燃燒彈內沿重力軸向不同位置的溫度分布

由圖1可知，彈內溫度沿著重力相反方向略有上升，在本試驗裝置的觀察視窗范圍(±60 mm)內溫差在±2 K以內。

在將各組分氣液按比例充入容彈后，為保證彈內氣體均勻混合，需靜置等待至少10 min。之后通過點火裝置點燃容彈內的可燃混合物，同時觸發高速相機記錄下火焰的傳播過程。為保證試驗結果的準確性和可重復性，每組試驗進行至少3次，將試驗結果的平均值作為最終結果[8]。

利用軟件對高速相機拍攝的球形傳播火焰過程紋影圖進行處理，獲得火焰半徑R隨時間t的變化規律，拉伸火焰傳播速度Sn可由求導Sn=dR/dt獲得。將球形火焰表面上一個無限小面積的數值對時間的求導可得到球形傳播火焰的拉升率α[21]，即α=2Sn/R。通過對Sn和α的關系進行擬合后可推算出α為0時的無拉伸火焰傳播速度Sl，非線性關系式可以更好地與試驗數據點擬合[9]。

(Sn/Sl)2ln(Sn/Sl)2=-2Lbα/Sl

(1)

式中:Lb為馬克斯坦長度，用于評價球形火焰傳播的不穩定性。

0.1 MPa、423 K條件下正十二烷-空氣混合物的拉伸火焰傳播速度隨拉伸率變化的非線性擬合結果見圖2。

圖2 不同當量比下正十二烷-空氣混合物拉伸火焰傳播速度與拉升率的關系

可見擬合線與試驗結果貼合較好，因此，后續工況的數據處理均采用非線性擬合。層流燃燒速度如下。

ul=Slρb/ρu

(2)

式中：ρu為未燃氣體的密度，由理想氣體的初始條件確定；ρb是已燃氣體的密度，其比值可以通過化學平衡法計算求得。

1.2 模擬方法及機理選擇

通過CHEMKIN PRO[10]軟件模擬甲烷-正十二烷-空氣的一維平面層流預混火焰，可以獲得其層流燃燒速度和火焰結構等參數。模擬設置數值解梯度為0.03，曲率為0.03，網格點數在600以上，確保模擬計算有足夠的精度。

采用You等[11]提出的正十二烷的詳細化學動力學機理(簡稱You機理)，該機理是在USC-Mech II[12]的基礎上添加了正十二烷等高碳烷烴的熱解機理所得，包含了171個組分和1 306步反應。USC-Mech II是用于計算C1—C4低碳烷烴及合成氣燃燒的反應機理，包含了甲烷燃燒詳細的基礎反應，所選機理能較好地預測甲烷的層流燃燒速度。

1.3 試驗裝置及機理驗證

將試驗所測得的甲烷及正十二烷的層流燃燒速度與現有文獻的試驗結果及You機理的模擬結果進行對比，結果見圖3?？梢姡囼炑b置所獲得的數據與文獻中試驗數據重合性較好。此外，You機理的預測結果與本文試驗結果也具有較好的一致性。

圖3 正十二烷-空氣混合物及甲烷-空氣混合物層流燃燒速度的試驗及模擬結果的對比

2 結果與討論

2.1 試驗結果

2.1.1 層流燃燒速度

甲烷-正十二烷-空氣火焰的層流燃燒速度在正十二烷含量較小時變化比較明顯[13]，因此設置正十二烷含量步長在0%～30%的范圍內取5%，在正十二烷含量較大時選取較大步長。在423 K、0.1 MPa，當量比φ為0.8、1.0、1.3條件下甲烷-正十二烷-空氣混合物的層流燃燒速度隨正十二烷含量變化的試驗及模擬值見圖4。

圖4 不同當量比下甲烷-正十二烷-空氣混合物的層流燃燒速度隨正十二烷含量的變化

由圖4可知，在當量比φ=1.0時，純甲烷與純正十二烷的層流燃燒速度相近，隨著正十二烷含量的增加，甲烷-正十二烷-空氣的層流燃燒速度提升甚微。而在當量比為0.8和1.3的條件下，甲烷-正十二烷-空氣的層流燃燒速度隨著正十二烷含量的增加表現出了明顯的非線性增長，其增長幅度隨著正十二烷含量的增加而減少；當正十二烷含量達到25%后，混合物層流燃燒速度的增長趨于平緩。此外，還可以看出，You機理模擬結果所顯現的混合物層流燃燒速度變化趨勢與試驗值基本保持一致，表明其可以較好地預測甲烷-正十二烷混合物的層流燃燒速度。

2.1.2 馬克斯坦長度

用馬克斯坦長度評價火焰的不穩定性。在當量比φ為0.8、1.0和1.3的情況下，隨著正十二烷含量的增加，甲烷-正十二烷-空氣火焰的馬克斯坦長度的變化見圖5。

圖5 不同當量比下甲烷-正十二烷-空氣混合物火焰的馬克斯坦長度隨正十二烷含量的變化

在φ=1.0時，馬克斯坦長度隨正十二烷含量的增加而有略微的增加；在φ=0.8時，隨著正十二烷含量的增加，馬克斯坦長度在初期表現了出了較大幅度的增長，表明其火焰的不穩定性減弱，拉伸對火焰的傳播的抑制作用增強；當含量超過約25%后，其增加幅度在慢慢變小并逐漸趨于穩定；在φ=1.3時，甲烷-正十二烷-空氣火焰的馬克斯坦長度隨正十二烷含量的變化趨勢與φ=0.8時的趨勢相反。在φ為0.8和1.3條件下火焰的馬克斯坦長度均在正十二烷含量較小的條件下有大幅度的變化，在正十二烷含量達到約為25%后趨于穩定。

2.2 化學動力學分析

2.2.1 層流燃燒速度的敏感性分析

選取φ=0.8，正十二烷含量分別為0%、25%、50%及100%的情況進行層流燃燒速度的敏感性分析。計算獲得正敏感性系數最大的10個基元反應及負敏感性系數[14]最小的10個基元反應，結果見圖6。

圖6 甲烷-正十二烷-空氣混合物層流燃燒速度的敏感性分析

由圖6可見，正十二烷含量從0%增加到25%后主要基元反應對層流燃燒速度的敏感性系數有了很大的變化，而正十二烷含量提升到50%后變化則不是很明顯。

2.2.2 自由基及基元反應速率分析

423 K、0.1 MPa下φ=0.8的甲烷-正十二烷-空氣混合物燃燒過程中五種自由基濃度的峰值與正十二烷含量的關系見圖7。

圖7 φ=0.8時甲烷-正十二烷-空氣火焰中主要自由基濃度峰值與正十二烷含量關系

隨著正十二烷含量的提高，HO2的濃度峰值沒有較大的變化，CH3有略微的下降，OH有略微的上升，而O與H的濃度峰值先有顯著的上升，而在正十二烷含量達到25%后趨于穩定。

自由基會影響基元反應進行，進而影響火焰的層流燃燒速度。從敏感性分析的結果得到主要影響混合物層流燃燒速度的基元反應，速率峰值與正十二烷含量的關系見圖8。

圖8 φ=0.8時甲烷-正十二烷-空氣火焰中重要反應的反應速率峰值與正十二烷含量的關系

可見具有正敏感性系數的基元反應(R1、R31、R40、R92)的反應速率峰值明顯遠高于具有負敏感性系數的反應(R88、R12、R35)，這保證了自由基濃度的持續增加。

對甲烷-正十二烷-空氣混合物燃燒過程影響較大的自由基H、O的濃度以及基元反應R1、R31的反應速率峰值都隨著正十二烷含量的提升而迅速上升，并在達到約25%以后開始趨于平緩，這也是導致甲烷-正十二烷-空氣混合物層流燃燒速度隨正十二烷含量而發生變化的內在原因。

2.2.3 甲烷反應路徑分析

使用CHEMKIN PRO軟件計算所得的正十二烷含量分別為0%、25%及50%時甲烷的反應路徑，見圖9。

圖9 不同正十二烷含量下甲烷的反應路徑

可以看出，正十二烷含量為25%時甲烷的反應路徑與正十二烷含量為0%時有很大的差別，而與正十二烷含量為50%時甲烷的反應路徑相差較小。隨著正十二烷含量的增加，甲烷形成碳數更高烷烴的反應占甲烷消耗路徑中的比重在增加，這與上述層流燃燒速度敏感性分析所獲得的與C2—C3相關的基元反應對層流燃燒速度的影響在加入正十二烷后逐漸增強的趨勢相符；此外，隨著正十二烷的添加，在CH4、CH3、C2H6等多數物質的脫氫反應中，消耗H的反應的比重在減少，消耗OH的反應的比重在增加，這促使了R1(H+O2=O+OH)往正反應方向的進行，從而增加了活性自由基的生成，提高了混合物的層流燃燒速度。

3 結論

1)隨著正十二烷含量的增加，甲烷-正十二烷-空氣混合物的層流燃燒速度和火焰的馬克斯坦長度快速變化并向正十二烷-空氣的層流燃燒特性接近，當正十二烷含量增加到約25%后變化趨于平緩。

2)化學動力學分析的結果顯示，混合物燃燒中主要的自由基H、O的濃度，以及對層流燃燒速度正敏感性系數最大的基元反應R1(H+O2=O+OH)、R31(CO+OH=CO2+H)的反應速率峰值隨著正十二烷含量的增加表現出了較大的升高，其提升量在正十二烷含量達到約25%后不再明顯。這也是混合物層流燃燒速度發生變化的內在原因。

3)對燃燒過程中甲烷的反應路徑分析結果表示，正十二烷的加入對甲烷自身的燃燒反應也有一定的促進作用。