不同重力狀況下甲烷、乙烯燃燒數(shù)值模擬研究

徐 靖，梁曉玲

（河海大學 文天學院，安徽 馬鞍山 243031）

不同重力狀況下甲烷、乙烯燃燒數(shù)值模擬研究

徐 靖，梁曉玲

（河海大學 文天學院，安徽 馬鞍山 243031）

為了解碳氫燃料燃燒的特性及其產(chǎn)物生成特性，本文對甲烷、乙烯燃料在空氣氣氛下燃燒的過程以及產(chǎn)物的特性進行模擬，分析了在不同重力條件下，溫度的分布以及各產(chǎn)物的分布.模型很好地預(yù)測了擴散火焰結(jié)構(gòu)的基本特征，包括溫度場分布、碳黑容積份額分布等；隨著重力加速度從1g到0g降低，火焰的外部結(jié)構(gòu)、溫度場、碳黑容積份額、氣體組份濃度等發(fā)生了明顯變化.

甲烷；乙烯；層流火焰；燃燒特性

對于燃燒科學的研究而言，開展微重力環(huán)境對燃燒現(xiàn)象的影響有多種優(yōu)勢：認識減弱或消除浮力引起的自然對流情況下的燃燒特性，通過比較更好的認識重力對燃燒的影響；可顯示重力環(huán)境下被浮力所遮蓋的流動規(guī)律；可克服重力沉降的影響，專注液滴和固體顆粒懸浮過程的研究，除了開展基本的燃燒現(xiàn)象和規(guī)律研究之外，載人航天飛行器的防火安全研究便是微重力研究深刻的工程應(yīng)用背景.因此，前蘇聯(lián)和美國兩大空間技術(shù)強國對微重力相關(guān)的燃燒科學進行了大量的理論和實驗研究工作，并取得了相關(guān)的科研成果及豐富的實驗數(shù)據(jù).

對于層流擴散火焰，模擬程序采用氣體非灰輻射模型[1]和碳黑生長模型[2]相結(jié)合的方法，對火焰的溫度、碳黑的生成、以及不同重力下條件下的燃燒特性進行了模擬研究.

1 模型建立

采用參考文獻[3]中所用模型，在大氣壓下的層流軸對稱同向流乙烯-空氣/甲烷-空氣擴散火焰作為探究主體，對常重力與微重力下伴流氣體流速與重力影響火焰結(jié)構(gòu)與碳黑情況進行觀察，火焰結(jié)構(gòu)示意圖參見圖1.

圖1 二維軸對稱層流擴散火焰結(jié)構(gòu)示意圖

251（z）×133（r）是火焰區(qū)域網(wǎng)絡(luò)細分的單個控制體，并在r和z方向中都運用非均勻網(wǎng)格劃分，一方面節(jié)約了計算時間，另一方面提升了大梯度范圍的分辨率.R方向中置入細微的網(wǎng)格（分辨率在0.165mm上升到2.25mm）同時與燃燒器出口z方向都非常接近（分辨率從0.175mm提高到0.649mm).在對網(wǎng)格更精確的檢查中能夠?qū)⒂嬎憬Y(jié)果造成的影響忽略.加入設(shè)定進口燃料速度是拋物剖面，同時邊界層剖面設(shè)置為空氣流速，該進口的溫度是300K.對稱邊界是中心線，自由滑移邊界是外部的徑向邊界的設(shè)置，出口邊界是零梯度.并在對輻射換熱階段展開計算，該溫度是300K.直徑是10.9mm的管中燃料不斷流出，并且乙烯、甲烷的速度分別是3.26cm/s、6.5cm/s，燃料管與空氣管中的環(huán)面中有空氣流出，該流速分別是77.6cm/s、5cm/s.本文采用四個工況，具體參見表1.需要明確的是，甲烷流速（6.5cm/s）是表中乙烯流速（3.25cm/s）的一半，由于乙烯分子中的碳原子有兩個，但甲烷中碳原子只有一個，若乙烯流速與甲烷流速都保持一致（6.5cm/s），乙烯的火焰高度突出，所以為了進行兩者對比，本章中乙烯流速應(yīng)當設(shè)定為甲烷流速的一半.

2 結(jié)果分析

圖2（a）、（b）的溫度分布，反映的是燃燒后甲烷、乙烯兩種重力、空氣流速固定（77.6cm/s）條件下的溫度分布.反映的是1g工況下火焰的狀態(tài)，可以通過觀察看出呈現(xiàn)細瘦的形態(tài)分布，這種形成是受到浮力引起流向加速度因素影響的.如果將重力加速度值降到0g，觀察火焰的形狀，呈現(xiàn)胖肥狀態(tài)的原因是徑向向軸心的動量值小.火焰的狀態(tài)實質(zhì)上是由對流、擴散兩個因素來決定的.通過觀察以上兩圖并進行數(shù)據(jù)分析可以看出，火焰最高溫（＞1900K）是其下部的環(huán)形區(qū)域，而非焰舌部位.Walsh等人[4]通過分析火焰最大值區(qū)域，發(fā)現(xiàn)影響這一區(qū)域的因素是重力水平，二者的下降程度存在正比例關(guān)系，這兩個圖的趨勢可以體現(xiàn).同時隨著重力加速度值減小，隨之減小的是火焰最高溫度和火焰中心上部區(qū)域溫度.將以上兩圖對比不難發(fā)現(xiàn)，兩種燃料的火焰結(jié)構(gòu)和最高溫度都是有一定差異的.相比于實際燃燒中溫度的檢測，模擬計算火焰高度和實際測量火焰高度基本吻合，但計算火焰溫度最大值遠遠高于實際測量值，原因可能是因為在實際測量中運用的是空氣壓縮機，是被壓縮的空氣中含有不同組分的氣體所導(dǎo)致.

圖2 燃料為甲烷、乙烯在空氣流速為77.6cm/s時兩種不同重力下的溫度分布

燃料為甲烷、乙烯、空氣流速為77.6cm/s時兩種不同重力下的碳黑份額分布分別由圖4、圖5給出.首先，隨著重力加速度減小，火焰在徑向變寬且體積增大，這導(dǎo)致火焰發(fā)射了大量的熱輻射從而降低了火焰上部位的溫度（如圖4、圖5）.其次，乙烯火焰在徑向增寬不如甲烷火焰變化明顯，乙烯火焰生成碳黑最大份額要比甲烷火焰大的多，兩者相差一個數(shù)量級.不論是甲烷火焰還是乙烯火焰，零重力下的碳黑份額最大值約為常重力下的兩倍，這與Konsur等人[5]的實驗結(jié)論一致，導(dǎo)致這一變化的原因是由零重力下生成的碳黑顆粒停留時間較長造成的.需要指出的是，碳黑的形成不但與燃料種類相關(guān)，還受燃料流速、火焰結(jié)構(gòu)、溫度場以及停留時間等因素的影響，碳黑的生成是與很多因素有關(guān)的，例如燃料的流速、燃燒時火焰的形態(tài)以及結(jié)構(gòu)，而擴散火焰中產(chǎn)生的碳黑份額最大時，即生長速度遠遠大于氧化速度的時候.

圖3 燃料為甲烷、乙烯在空氣流速為77.6cm/s時兩種不同重力下的碳黑份額分布

對于低空氣流速情況，圖4（a）、（b）分別模擬了燃料為甲烷、乙烯、空氣流速為5cm/s時兩種不同重力下的溫度分布.值得注意的是，圖中的火焰徑向?qū)挾忍貏e大.與高空氣流速情況（圖3）相比，隨重力加速度的減小火焰高度有所增加，火焰最高溫度減小量特別明顯.所以，空氣流速對火焰溫度和火焰結(jié)構(gòu)有著重要的影響，特別是在微重力情況下.即使在常重力下，空氣流速從77.6cm/s到5cm/s，火焰最高溫度也下降了近20K.溫度降低主要發(fā)生在火焰較低的環(huán)形區(qū)域，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因在于阻力時間的增加加重了由輻射換熱而導(dǎo)致的熱量損失.

圖4 燃料為甲烷、乙烯在空氣流速為5cm/s時兩種不同重力下的溫度分布

空氣流速較低情況下，甲烷、乙烯、空氣流速為5cm/s時兩種不同重力下的碳黑容積份額分布如圖5（a）、（b）所示.值得注意的是，在零重力下，甲烷火焰變得特別寬，并且在火焰兩邊有碳黑空白區(qū)域，這與Urban等人[6]的發(fā)現(xiàn)一致；而乙烯火焰變得特別長，這是由乙烯火焰在微重力情況下產(chǎn)生大量煙造成的.對于給定的重力加速度，火焰可見高度隨空氣伴流速度的減小而降低.甲烷火焰的碳黑最大容積份額隨重力加速度的減小而降低，這與高空氣伴流速度（圖4）時的情況不同，這歸因于較胖火焰結(jié)構(gòu)和較長的駐留時間造成了較多輻射熱源損失.同時，甲烷火焰結(jié)構(gòu)與其它情況更是明顯不同，這一現(xiàn)象需要進一步的實驗和模擬研究.對于乙烯火焰，在微重力下的碳黑最大容積份額（72.41ppm）要比常重力下的值（9.19ppm）大的多.

圖5 燃料為甲烷、乙烯在空氣流速為5cm/s時兩種不同重力下的碳黑容積份額分布

為了火焰結(jié)構(gòu)對燃燒產(chǎn)物的影響，圖6（a）、（b）分別給出了燃料為甲烷、乙烯、空氣流速為5cm/s時兩種不同重力下的一氧化碳濃度分布情況.由圖可知，隨著重力加速度的減小，CO的濃度在降低，且分布變化也很大.濃度最大值分布區(qū)域隨重力加速度減小而變短，變胖，這與火焰溫度分布變化相似.

圖6 燃料為甲烷、乙烯在空氣流速為5cm/s時兩種不同重力下的一氧化碳濃度分布

3 小結(jié)

本章采用復(fù)雜的熱特性與傳輸特性，將統(tǒng)計窄譜帶關(guān)聯(lián)K模型應(yīng)用于二維軸對稱層流乙烯-空氣/甲烷-空氣擴散火焰數(shù)值模擬中，并考慮了重力加速度對火焰的影響.從模擬結(jié)果看，可得出以下結(jié)論：

(1)模型很好地預(yù)測了擴散火焰結(jié)構(gòu)的基本特征，包括溫度場分布、碳黑容積份額分布等；

(2)隨著重力加速度從1g到0g降低，火焰的外部結(jié)構(gòu)、溫度場、碳黑容積份額、氣體組份濃度等發(fā)生了明顯變化；

(3)隨重力加速度從1g到0g變化，對于高空氣伴流速度(vA=77.6cm/s)，甲烷火焰、乙烯火焰的結(jié)構(gòu)、溫度、碳黑份額變化趨勢相似：火焰徑向變寬，最高溫度降低，最大碳黑容積份額增大；對于低空氣伴流速度(vA=5cm/s)，甲烷火焰、乙烯火焰的溫度變化趨勢相似，碳黑容積份額變化趨勢相反，碳黑容積分布結(jié)構(gòu)迥異；

(4)對于同一重力加速度，隨著空氣伴流速度的減小，火焰最高溫度降低，微重力下的降低程度要比常重力下大；甲烷火焰的最大碳黑容積份額隨空氣伴流速度的減小而減小，而乙烯火焰的最大碳黑容積份額隨空氣伴流速度的減小而增大，同樣，微重力下的變化程度要比常重力下大.

綜上所述，本章得到了一些有意義的數(shù)值結(jié)果，這對以后的實驗工作具有一定的指導(dǎo)意義.

〔1〕楚化強.高效、高精度氣體非灰輻射模型的研究[D].武漢：華中科技大學.

〔2〕鐘北京，劉曉飛.碳黑顆粒生長模型的初步研究[J].工程熱物理學報 (社會科學版)，2004（9）：894-896.

〔3〕艾育華.基于輻射成像的擴散火焰溫度和煙黑濃度分布研究[D].武漢：華中科技大學.

〔4〕Walsh K T,Fielding J,Smooke M D and Long M B.Experimental and computational study of temperature,species,and sootin buoyant and non–buoyant co?ow laminar diffusion?ames[J].Proc.Combust.Inst.,2000,28 (2):1973-1979.

〔5〕Konsur B,Megaridis C M,Grif?n D W.Fuel preheat effects on soot-?eld structure in laminar gas jet diffusion?ames burning in 0-g and 1-g[J].Combustion and Flame,1999,116(3): 334-347.

〔6〕Urban D L,Yuan Z G,Sunderland P B,et al.Smoke-point properties of non-buoyant round laminar jet diffusion flames[J].Proc.Combust.Inst.,2000,28(2):1965–1972.

TQ038

A

1673-260X（2017）01-0003-03

2016-10-25