添加非平衡等離子體對甲烷著火性能的影響

王美琪，陳 雷，曾 文，楊 昆，馬洪安，裴 歡

(沈陽航空航天大學 遼寧省航空推進系統先進測試技術重點實驗室，沈陽 110136)

甲烷是自然界中分布最廣、最簡單的碳氫化合物[1]，研究等離子體輔助甲烷燃燒機理對其他烴類的研究具有重要意義。但等離子體激發甲烷燃燒反應機理的研究仍缺乏完整的機理文獻和足夠的數據支持，有待進一步研究[2-3]。

Nagaraja[4]研究了脈沖納秒介質阻擋放電等離子體的點火特性，發現在放電初始產生的活性粒子如OH、H和O等加速了混合氣中H原子的離解，并使反應溫度有較大程度的提高;Ju[5]在等離子體助燃條件下對煤油-空氣和甲醚-空氣預混擴散火焰進行實驗研究，結果顯示，非平衡等離子體可以有效地促進低溫點火成功和燃料氧化；等離子體中的活性粒子能夠增強燃料的氧化程度從而導致點火成功。

目前，等離子體助燃反應機理的模擬研究還處于探索階段，對等離子體強化燃燒的機理問題尚未進行深入研究[6-7]。為了探究等離子體對甲烷的點火特性影響，本文在CH4/空氣混合氣體中分別添加不同濃度的H、OH自由基來模擬等離子體激勵甲烷燃燒，研究等離子體對甲烷著火延遲時間的影響。

1 研究方法

1.1 模型選擇

等離子體增強甲烷點火過程涉及等離子體化學、物理和燃燒理論[8-9]。在此過程中，各組分之間存在著高度復雜的物理化學反應、能量轉換以及自由基的積累和消耗[10-11]。

基于已有的甲烷燃燒反應機理GRI Mech 3.0建立化學反應動力學模型[12-13]，在CH4/空氣混合氣的基礎上分別添加H自由基和OH自由基，模擬等離子體激勵甲烷點火過程。形成等離子體激勵甲烷燃燒機理，著重研究H自由基和OH自由基對甲烷點火過程的刺激作用。

1.2 敏感性分析

敏感性分析對于了解一個機理復雜的燃燒過程有著重要作用。敏感性分析是指機理中反應參數變化對模型計算結果影響的研究，即研究計算結果對反應參數的敏感程度[14-15]。

敏感性系數一般用控制方程來表示

F(φ(α);α)=0

(1)

其中F是方程中的殘差，φ是方程中的解向量，F受到參數α的影響。式(1)微分獲得了敏感性系數的控制矩陣方程

(2)

2 計算結果分析

初始條件分別為：初始溫度范圍為1 400～2 400 K、初始壓力1atm、當量比1.0；H自由基濃度分別為0.1%、0.5%、1.0%，OH自由基濃度分別為0.1%、0.5%、1.0%。在具體的模擬計算過程中，每一次計算選擇一個參數作為獨立變量，固定其他條件不變，以研究此獨立變量對甲烷燃燒的影響。

2.1 H自由基的影響

2.1.1 不同濃度的H自由基對著火延遲時間的影響

圖1給出了加入不同濃度的H自由基條件下，著火延遲時間隨溫度的變化情況。從圖1中可以看出，甲烷的著火延遲時間隨著溫度的增加逐漸減少。溫度不變的條件下，隨著加入H自由基濃度的增加，甲烷的著火延遲時間在不同程度地減小。在溫度為1 400 K時，與正常燃燒的著火延遲時間相比，加入0.1% H自由基的著火延遲時間減小約54.6%，加入0.5%H自由基的著火延遲時間減小約89.4%，加入1.0%H自由基的著火延遲時間減小約95.7%。

圖1 不同濃度的H自由基對著火延遲時間的影響

2.1.2 敏感性分析

為了進一步研究H 自由基對甲烷著火延遲時間的影響，接下來主要分析點火過程中影響H自由基生成和消耗的主要化學反應的敏感性系數。圖2給出了影響甲烷著火延遲時間的10個化學反應式。橫坐標表示敏感性系數，敏感性系數大于零，表示對甲烷點火過程有增強作用(減少著火延遲時間)，敏感性系數小于零表示對甲烷點火過程有減弱作用(增加著火延遲時間)。

在反應初始階段加入0.5%H自由基的情況下，點火階段的開始已經存在H自由基，所以自由基H的生成反應(R91)敏感性系數降低，H自由基的消耗反應(R38、R53、R144)作用增強，敏感性系數向著減小著火延遲時間的方向增加。同時，因為H自由基的加入OH的生成和消耗速率均增加。提高了反應的整體速度，因此加入0.5%H減少了甲烷的著火延遲時間。

圖2 溫度敏感性分析

2.2 OH自由基的影響

2.2.1 不同濃度的OH自由基對著火延遲時間的影響

從圖3中明顯看出，加入不同濃度的OH自由基，不同程度減少了著火延遲時間。這主要是由于OH自由基對于點火鏈式反應是起促進作用的，強化了甲烷的氧化反應過程，從而加速反應速度，減少著火延遲時間。

在溫度為1 400 K條件下加入0.1%OH自由基相比正常燃燒著火延遲時間減小約97.5%，加入0.5%OH自由基著火延遲時間減小約81.7%，加入1.0%OH自由基著火延遲時間減小約93.3%。但隨著溫度的增加，加入OH自由基對甲烷的著火延遲時間的影響降低。

圖3 不同濃度的OH自由基對著火延遲時間的影響

2.2.2 敏感性分析

在初始溫度為1 400 K，未加入和加入0.5%OH自由基條件下選出對甲烷著火延遲時間有重要影響的12個化學反應式，對甲烷著火延遲時間進行了敏感性分析。結果如圖4所示。

在甲烷/空氣自點火過程中，R38減少了甲烷的著火延遲時間。而當加入0.5%OH自由基后，強化了各反應式對甲烷/空氣著火延遲時間的影響作用，特別對減小著火延遲時間的R101、R113等反應式明顯增強。雖然加入0.5%OH自由基之后，也不同程度增加了一些負敏感性系數，但整體上還是減小了甲烷/空氣的著火延遲時間。

圖4 溫度敏感性分析

3 結論

通過研究，得出以下結論：

(1)加入不同濃度的H自由基，可以不同程度減少著火延遲時間。在1 400 K,加入0.5%H著火延遲時間減少了89.4%。隨著初始溫度的升高，著火延遲時間減小，H自由基對著火延遲時間的影響降低。根據敏感性分析，加入0.5%H后，R38、R53、R144的反應式明顯減少了混合氣的著火延遲時間。

(2)在1 400 K,加入0.5%的OH自由基，著火延遲時間減少了81.7%。隨著初始溫度的升高，著火延遲時間減小，OH自由基對著火延遲時間的影響作用降低。根據敏感性分析，加入0.5%OH后，R101、R113的反應式明顯減少了CH4混合氣的著火延遲時間。雖然加入0.5%OH自由基之后，也不同程度增加了一些負敏感性系數，但整體上還是減小了甲烷/空氣的著火延遲時間。