摻氫比對甲烷-氧氣爆轟特性的影響*

倪 靖，潘劍鋒，姜 超，陳 祥，張 順

（江蘇大學能源與動力工程學院，江蘇 鎮江 212013）

混合燃料具有優良的燃燒特性，特別是單一燃料摻氫所形成的混合燃料，可以很好地改善燃燒性能[1-3]。一些實驗和數值研究結果表明，對于天然氣燃料，隨著氫氣的摻入，燃料的點火性能和燃燒性能都會有極大的提高。其主要的原因是氫氣的火焰傳播速度遠高于天然氣等碳氫燃料。同樣，在內燃機中，甲烷和氫氣的二元混合燃料能夠改善燃料整體的稀薄燃燒特性，降低排放，彌補天然氣發動機的不足[4-6]。

在燃料摻氫方面，早期已經進行了一些相關研究。劉海全等[7]研究了不同摻氫比對天然氣發動機排放特性的影響，結果表明，摻氫后可以有效提高發動機的指示熱效率，改善稀燃效果。殷勇等[8]同樣進行了天然氣摻氫發動機的實驗研究，獲得了相似的結論，天然氣摻氫以后可以拓寬燃料的稀燃極限，且隨著摻氫比的增大，相同功率的稀燃極限加大。尉慶國等[9]在定容燃燒彈內進行了甲烷/氫氣/空氣混合氣燃燒實驗，結果表明，混合氣在較低初始壓力和較高初始溫度下，燃燒速率較大，隨著摻氫比的升高，燃燒壓力峰值增大。陽旭峰等[10]研究了氫氣體積分數對甲烷/氫氣預混氣爆炸特性的影響，發現預混火焰傳播速度隨著氫氣體積分數的增大而上升，最大爆炸超壓隨著氫氣體積分數的增大而增高。

目前，多是研究摻氫燃料的緩燃、爆燃特性，爆轟特性卻少有研究。隨著爆轟理論和研究的不斷發展，摻氫燃料的爆轟特性研究漸漸進入人們的視野。Chaumeixa 等[11]實驗研究了甲烷濃度對甲烷/氫氣/氧氣預混合氣爆轟特性的影響，結果表明甲烷濃度的升高對混合物的爆轟有很大的抑制作用。Rudy 等[12]對化學當量比下的甲烷/氫氣/空氣預混氣進行了相關研究，以爆轟胞格尺寸作為衡量爆轟敏感性標準，發現隨著氫氣的摻入，爆轟胞格尺寸降低且更加不規則，爆轟敏感性增強。Porowski 等[13]在長為6 m、放有擾流器的管道中對化學當量比的甲烷/空氣/氫氣混合物進行了相關實驗，他們認為隨著氫氣濃度的提高，混合物的爆轟敏感性增強。白橋棟等[14]研究了摻氫對爆轟參數的影響，發現當初始壓力為一個大氣壓時，摻氫后爆轟波的峰值壓力和爆轟傳播速度顯著提高，且起爆位置提前，有利于減少DDT（deflagration to detonation transition）距離。Zhang 等[15]在長度為2.5 m，內徑為4、14、36 mm 的爆轟管中，研究了CH4-2H2-3O2在近爆轟極限處的速度波動，得到了6 種具有不同特性的爆轟傳播模式，即穩定爆轟、帶有快速波動的穩定爆轟、結巴爆轟、帶有快速爆燃的結巴爆轟、快速爆燃、快速火焰模式。

盡管對于高摻氫燃料的爆轟特性目前已經有了諸多研究，但是對較低摻氫比下甲烷/氧氣爆轟特性的研究卻略顯不足，還需要更進一步的研究。因此，本文中在長3 000 mm、管徑30 mm 的圓形半封閉管道中，對不同初壓下的CH4-2O2、6CH4-H2-12.5O2、3CH4-H2-6.5O2，摻氫比分別為0%、5.1%、9.5%等3 種預混合氣的爆轟特性進行實驗研究，以期獲得摻氫比對甲烷-氧氣預混氣爆轟速度、火焰激波耦合過程、爆轟壓力、爆轟胞格尺寸的影響。

1 實驗原理及實驗工況

1.1 實驗原理與方法

圖 1 實驗系統Fig. 1 Experimental system

實驗系統如圖1 所示，半封閉的激波管管徑為30 mm，長度為3 000 mm，分兩段用法蘭拼接而成，每段1 500 mm，實驗時開口端用0.1 mm 厚的鋁箔膠密封。整個系統由混氣裝置、爆轟管、點火系統、真空泵和測量系統組成。火焰信號由離子探針[16]來測量，壓力信號用PCB 壓力傳感器（113A22，頻響為500 kHz）采集。數據采集系統為NIPXI21042Q系統。爆轟管上分別設置了8 個壓力傳感器和8 個離子探針，且壓力傳感器和離子探針設置在爆轟管同一截面上，每2 個壓力傳感器與離子探針間距皆為360 mm。同時以圓柱形管道的中軸線為橫軸，管道封閉端所處的位置為原點，規定自封閉端向右為正方向，以此建立坐標系。

圖 2 點火系統等效R-L-C 電路[17]Fig. 2 An equivalent R-L-C circuit of the ignition system[17]

實驗前先將甲烷、氧氣、氫氣采用道爾頓分壓法在混氣罐中混合，使各組分自由擴散24 h，保證各組分能夠充分混合。每次充氣前將煙熏膜貼壁放入爆轟管末端，用0.1 mm 厚的鋁箔膠將開口端密封，隨后用真空泵將系統抽到100 Pa，然后將預混好的燃氣充入管中，達到預期的初始壓力，最后點火起爆。采用高頻高能的點火器進行點火，點火系統等效電路[17]如圖2 所示，點火器輸出電壓為15 kV，電容為20 μF，放電能量為2.25 J，根據Lee 等[18]提出的1/4 周期放電能量理論，用于起爆的有效能量為0.562 5 J，遠小于detonation database[19]中的臨界能量。起爆后將煙熏膜從爆轟管中取出，噴上定型劑，隨后采用掃描儀對煙熏膜上的胞格進行記錄,并進行數字化處理[20]。

1.2 氣體組分

本文中采用的實驗氣體為CH4-2O2、6CH4-H2-12.5O2、3CH4-H2-6.5O2等3 種，當量比為1，具體參數如表1 所示。

表 1 實驗氣體組分Table 1 Experimental gas compositions

2 結果與討論

2.1 摻氫對火焰和激波耦合過程的影響

圖3 給出了CH4-2O2混合物在不同初始壓力（p0）下，激波和火焰觸發時間隨著距離的變化情況。橫坐標表示離子探針或壓力傳感器的觸發時間，縱坐標與實驗系統坐標系相同。曲線斜率表示激波或火焰的速度，曲線越陡，速度越高。如圖3(a)所示，在初始壓力為50.5 kPa 時，起初激波位于火焰的前方，在360 mm 處火焰加速，以大于激波的速度向前傳播，在接近720 mm 處火焰超過激波，隨后激波開始急劇加速，在1 080 mm 處追趕上前方的火焰。隨后火焰和激波耦合到一起，形成穩定的爆轟波，以一個較穩定的速度傳播到管道出口。在初始壓力為15.0 kPa 時，如圖3(b)所示，可以發現激波和火焰的位置波動大幅增加，在720 mm 附近兩者的距離甚至比初始360 mm 附近的間距還大。在1 440 mm 處火焰與激波耦合但并未形成穩定爆轟，直到1 800 mm 處才形成了穩定的爆轟。這是因為隨著初始壓力的降低，預混氣的能量密度降低，起爆距離增大，爆轟強度下降。

圖4～5 分別給出了6CH4-H2-12.5O2、3CH4-H2-6.5O2兩種預混氣體，在初始壓力為50.5 kPa 和15.0 kPa 的情況下，激波和火焰觸發時間隨距離的變化情況。通過比較可以發現，當初始壓力較高時（50.5 kPa），不同摻氫比下火焰和激波的耦合過程與CH4-2O2中火焰與激波的耦合過程非常相似，摻氫對火焰與激波的耦合過程影響較小。在初始壓力較低時，如圖4(b)、5(b)所示，摻氫后火焰與激波的耦合過程發生了很大變化。以摻氫9.5%情況為例，在初始壓力為15.0 kPa 時，在360 mm 前后，激波位于火焰前方，隨后激波和火焰同時加速且激波速度大于火焰速度，激波和火焰間距變大，在360～720 mm 間激波速度始終大于火焰速度，在720～1 080 mm 間激波速度發生衰減而火焰在反射激波和湍流反應區的作用下速度增加，逐漸接近前方的激波，最終在1 080 mm 稍后的一段位置上火焰激波初步耦合到一起，隨后在1 440 mm 前后形成穩定的爆轟波。由此可知，摻氫后可以促進低初始壓力情況下火焰與激波的耦合過程，加速爆轟的形成。

圖 3 CH4-2O2 激波與火焰的相互作用過程Fig. 3 Time evolution of shock-flame interaction for CH4-2O2

圖 4 6CH4-H2-12.5O2 激波與火焰的相互作用過程Fig. 4 Time evolution of shock-flame interaction for 6CH4-H2-12.5O2

圖 5 3CH4-H2-6.5O2 激波與火焰的相互作用過程Fig. 5 Time evolution of shock-flame interaction for 3CH4-H2-6.5O2

2.2 摻氫對爆轟波傳播速度的影響

圖6 給出了不同初壓下管道中不同位置處火焰傳播速度與CJ(Chapman-Jouguet)速度(vCJ)的比值。傳播速度v 按照如下的方法獲得：假設n 和n+1 號離子探針感應到信號的時間分別為tn和tn+1，兩者間隔距離X=360 mm，則傳火焰播速度：

以CH4-2O2在50.5 kPa 下的曲線為例（圖6(a)）可以看出，在初始位置即在360 mm 前后，電火花點燃預混氣形成緩燃波，以較低的速度向前傳播。在1 080 mm 前后壓縮波疊加形成激波，壓縮前方的未燃混合氣。激波撞擊到封閉端和壁面后發生反射，形成的反射激波再次作用于火焰，形成湍流反應區加速火焰的傳播。在1 080～1 440 mm 之間湍流反應區與激波的相互作用，形成熱點，熱點爆炸后形成過驅動爆轟。此時v/vCJ在1.1 左右，隨后過驅動爆轟逐漸衰減形成穩定爆轟。傳至出口處時，出口處的薄膜在高壓的作用下破裂。受外界空間的影響在2 880 mm 前后，可以看到穩定的爆轟波發生了略微的衰減，且初始壓力越低，衰減越明顯。這是因為，隨著初始壓力的降低，爆轟波的強度下降，薄膜在爆轟波的作用下破裂后，爆轟波受到外界膨脹波的影響較大，從而發生較大的衰減。

圖 6 不同初壓下管道中各點火焰速度與CJ 速度的比值Fig. 6 Ratios of flame velocity to CJ velocity at each point in the pipeline under different initial pressures

觀察圖6 中3 種氣體在管道出口處的速度變化，可以發現摻氫可以顯著減少爆轟波在出口附近的衰減，降低出口附近的速度虧損，特別是對于低初始壓力的情況更明顯。這是因為氫氣的爆轟敏感性高于甲烷，隨著較高爆轟敏感性的氫氣摻入到較低爆轟敏感性的甲烷/氧氣混合氣中時，整個混合氣的爆轟敏感性增強，與未摻氫的情況相比，摻氫后高爆轟敏感性的氣體在管道出口附近爆轟不穩定性更大，橫波運動更劇烈，受到膨脹波的影響較小，因而摻氫后出口附近爆轟強度衰減較少。

圖7 反映了3 種預混氣在不同初始壓力下爆轟波穩定傳播的平均速度。從圖中可以看出3 種不同摻氫比下的爆轟穩定傳播速度都隨著初始壓力的降低而不斷下降。這是因為，隨著初始壓力的降低，爆轟誘導區長度增加，邊界層擴散導致的能量損失增大，爆轟的化學反應變緩而導致傳播速度的下降[17]。

隨著摻氫比的提高，相同初始壓力下爆轟波的傳播速度增大，且摻氫越高，速度越大，其原因可以從CJ 理論的角度進行解釋。依據CJ 理論，爆轟波的穩定傳播速度D 可近似用下式來表示[21]：

圖 7 不同摻氫比下爆轟波穩定傳播平均速度隨初壓的變化Fig. 7 Average velocity of steady propagation of detonation wave varying with initial pressure at different hydrogen-blending ratios

式中：k 為等熵指數，D 為爆轟波穩定傳播速度（m/s），QV為單位質量爆炸物的定容爆熱（kJ/kg）。QV可使用蓋斯定律[22]用下式計算：

式中：Q1,3為爆炸產物的生成熱之和，Q1,2為爆炸物的生成熱。依據式（1）、（2）可計算出CH4-2O2、6CH4-H2-12.5O2、3CH4-H2-6.5O2在標準狀況下的QV分別為10 029.5、10 150、10 267 kJ/kg，可以發現在預混氣的定容爆熱隨著摻氫比的升高而增加，對于相同質量的燃料，摻氫比越高，燃料發生爆轟時釋放的能量越大，爆轟波平均傳播速度越高。

2.3 摻氫對爆轟波壓力的影響

圖8 反映了在不同摻氫比、不同初始壓力下管道中不同位置處峰值壓力的變化。從圖中可以看出，隨著初始壓力的降低，爆轟波峰值壓力最大值后移且數值降低，當爆轟達到穩定后，初始壓力越高，總體上各點峰值壓力也就越大。

圖 8 不同摻氫比、不同初始壓力下管道中各點壓力峰值的分布情況Fig. 8 Distribution of the pressure peak at each point in the pipeline under different hydrogen-blending ratios and different initial pressures

不同的是，當摻氫比為9.5%時，在初始壓力為30.0 kPa 情況下的爆轟波的峰值壓力高于初始壓力為40.0 kPa 情況下的爆轟波的峰值壓力。這是因為，摻氫濃度的增加使得預混氣體的爆轟不穩定性增加：在高壓時，由于壓力較大使得摻氫濃度對爆轟不穩定性的影響不明顯，因而整個曲線的發展趨勢和之前的CH4-2O2、摻氫比為5.1%的情況相比變化不明顯；在低壓時，由于邊界條件影響較大，使得摻氫對壓力的影響仍然不明顯；在中壓時，由于初始壓力和邊界條件的影響都不是很突出，因而摻氫濃度對整個壓力變化的影響能夠顯現出來，出現壓力升高、過爆壓力反而降低的不穩定現象。

2.4 摻氫對爆轟胞格的影響

圖9～11 為3 種預混氣體在不同初始壓力下的胞格結構。可以發現，對于同一種氣體，隨著初始壓力的升高，胞格尺寸降低，胞格的分布也更細密。在初始壓力為20.0 kPa 時，3 種氣體皆為雙頭爆轟，胞格結構較規則，橫波間距較統一。隨著初始壓力的升高，開始逐漸產生子胞格，形成多頭爆轟，胞格不規則性增加。這是因為，隨著初始壓力的升高，ZND (Zeldovich-Neumann-D?ring)誘導區長度降低，爆轟敏感性提高。

觀察圖9、圖10 可以發現，在較高的初始壓力下（30.0、40.0 kPa），爆轟胞格尺寸隨著摻氫比的升高而不斷降低，同時在主胞格中出現了橫波的分叉與交匯現象，形成了精細的次生胞格。這表明，氫氣的摻入可以有效降低爆轟ZND 誘導區長度，且隨著氫氣的摻入，爆轟波在傳播的過程中橫波不斷的發生衰減和加速，波系結構變得更不規則，爆轟不穩定性提高，橫波分叉產生橫向爆轟（transverse detonation）,在主胞格內產生次生的小胞格。與高壓的情況不同，在初始壓力較低時（20.0 kPa，圖8），隨著摻氫比的升高，胞格并無明顯變化，也未產生子胞格，仍然以雙頭爆轟的形式進行傳播。這是因為，盡管氫氣的摻入可以提高爆轟的不穩定性，但其提高的幅度有限，當初始壓力較低時，氣體的爆轟敏感性較低，且受壁面邊界層影響較大，使得氫氣的摻入對爆轟的影響并不明顯。

通過測量煙膜上爆轟胞格中相鄰的橫波族的間距，可以得到3 種預混氣形成的爆轟胞格尺寸λ 隨初始壓力的變化并依據Gao 等[23]提出的公式λ=C（p0/kPa）?b進行擬合，如圖12 所示。可以發現，3 種預混氣體的胞格尺寸均隨著初始壓力的升高而減小。這是因為，初始壓力越高，爆轟敏感性越高，胞格尺寸越小。同時可以發現，氫氣的摻入可有效降低胞格尺寸，且摻氫比越高胞格尺寸越小。不同摻氫比下爆轟胞格與初始壓力的變化關系式參數如表2 所示。

圖 9 初始壓力為20.0 kPa 時3 種氣體的胞格結構Fig. 9 Cellular structures of three gases at the initial pressure of 20.0 kPa

圖 10 初始壓力為30.0 kPa 時3 種氣體的胞格結構Fig. 10 Cellular structures of three gases at the initial pressure of 30.0 kPa

圖 11 初始壓力為40.0 kPa 時3 種氣體的胞格結構Fig. 11 Cellular structures of three gases at the initial pressure of 40.0 kPa

圖 12 不同摻氫比下胞格尺寸隨初始壓力的變化Fig. 12 Change of cell size with initial pressure at different hydrogen-blending ratios

表 2 爆轟胞格尺寸 λ 與初始壓力p0 之間的擬合關系參數Table 2 Parameters for fitting relationship between detonation cell size λ and initial pressure p0

3 結 論

在長3 000 mm、管徑30 mm 的圓形半封閉管道中，對不同初壓下的CH4-2O2、6CH4-H2-12.5O2、3CH4-H2-6.5O2（摻氫比分別為0%、5.1%、9.5%）3 種混合氣體進行一系列的爆轟實驗，得到了以下結論：

（1）氫氣的摻入可以有效促進低初始壓力情況下火焰和激波的耦合過程，加速起爆。

（2）摻氫可以顯著減少爆轟波在出口附近的衰減，降低出口附近的速度虧損，特別是對于低初始壓力的情況更明顯。

（3）預混氣的定容爆熱隨著摻氫比的升高而增加，對于相同質量的燃料，摻氫比越高，燃料產生爆轟時釋放的能量越大，爆轟波平均傳播速度越高。

（4）氫氣的摻入可有效提高CH4爆轟敏感性，降低胞格尺寸，且摻氫比越高，胞格尺寸越小。同時得到了不同摻氫比下，爆轟胞格與初始壓力的變化關系式。