甲烷二次燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臄?shù)值模擬研究

史增凱，席文雄，金 星，張玉坤

0　引言

二次燃燒自點(diǎn)火是常見(jiàn)熱力設(shè)備和高速推進(jìn)燃燒室內(nèi)的重要現(xiàn)象，在能源、材料、推進(jìn)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用[1～3]。在傳統(tǒng)燃燒室中，常利用二次燃燒現(xiàn)象，提高能源利用效率，實(shí)現(xiàn)盡可能完全的燃燒，從而減少尾氣污染，如HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)中廢氣循環(huán)技術(shù)；二次燃燒現(xiàn)象也存在重大安全隱患，如在燃油、燃?xì)夂兔悍蹱t中，它會(huì)使尾部受熱面超過(guò)容許熱強(qiáng)度，從而使空氣預(yù)熱器和省煤器等過(guò)熱變形或者燒壞。

實(shí)際研究中，二次燃燒處于一次燃燒產(chǎn)生的高溫、貧氧尾流中，且受復(fù)雜流動(dòng)及物質(zhì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的耦合影響。德國(guó)宇航中心Julia M.Fleck等[4]研究了高壓污染空氣（15bar，1173K，200m/s）來(lái)流下不同比例氫氣/天然氣（NG）/氮?dú)馍淞髯渣c(diǎn)火過(guò)程，研究表明較小的NG分?jǐn)?shù)會(huì)增加點(diǎn)火延遲時(shí)間，致使火核遠(yuǎn)離噴嘴，而當(dāng)增加氫氣或減少天然氣時(shí)，點(diǎn)火延遲時(shí)間減小，火核更加接近燃料噴嘴；劍橋大學(xué)J.Sidey等人[5]發(fā)現(xiàn)甲烷橫向射流自點(diǎn)火中，在來(lái)流溫度處于1234K-1838K，氧氣摩爾分?jǐn)?shù)處于3.7%～8.7%范圍內(nèi)的組合下，自點(diǎn)火火焰能到穩(wěn)定；康涅狄克大學(xué)Jason A.Wagner等[6]對(duì)預(yù)混乙烯/空氣在貧油燃燒產(chǎn)物中的二次燃燒火焰研究中，重點(diǎn)考察了迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)火焰穩(wěn)定位置在不同時(shí)刻變化情況。

上述研究表明，一次燃燒尾氣溫度、成分對(duì)二次燃燒有著重要影響，但研究更多集中于定性分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，目前尚未理解二次燃燒自點(diǎn)火機(jī)制。因而本文借助CHEMKIN軟件從化學(xué)動(dòng)力學(xué)角度[7]模擬研究了不同當(dāng)量比下甲烷貧燃燃燒產(chǎn)物再次與補(bǔ)充的甲烷氣體摻混時(shí)發(fā)生的二次燃燒自點(diǎn)火現(xiàn)象，重點(diǎn)研究當(dāng)量比和甲烷添加量對(duì)二次燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸?guī)律。

1　研究方案

火焰?zhèn)鞑ニ俣戎富鹧媲颁h沿其法線方向相對(duì)于未燃可燃混合氣的推進(jìn)速度，表征了火焰前鋒在空間的移動(dòng)速度，是研究火焰穩(wěn)定性的重要數(shù)據(jù)之一。本文主要借助CHENKIN中相應(yīng)模塊，分為以下兩個(gè)部分：①采用平衡器計(jì)算甲烷與空氣在貧燃工況下燃燒產(chǎn)物的絕熱火焰溫度和產(chǎn)物中各組分濃度；②采用火焰速度反應(yīng)器參數(shù)化研究上述燃燒產(chǎn)物中添加不同量甲烷時(shí)的一維預(yù)混火焰的火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠?jì)算包含三個(gè)反應(yīng)器模型——入口、火焰速度反應(yīng)器和出口。具體來(lái)說(shuō)，即把平衡器計(jì)算獲得的不同當(dāng)量比Φ1甲烷貧燃燃燒產(chǎn)物的摩爾分?jǐn)?shù)和添加甲烷量M1作為入口中物質(zhì)的初始摩爾分?jǐn)?shù)，把平衡器計(jì)算獲得的絕熱火焰溫度T1作為未燃?xì)鉁囟萒2，從而得到自點(diǎn)火火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓闆r。局部當(dāng)量比Φ2定義為反應(yīng)器中添加甲烷量與貧燃燃燒產(chǎn)物中所余氧氣的當(dāng)量比。本文主要關(guān)注當(dāng)量比Φ1和甲烷添加量M1對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸?guī)律。

數(shù)值模擬中采用甲烷燃燒的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理GRI-Mech3.0，機(jī)理包含了53種組分和325個(gè)化學(xué)反應(yīng)；計(jì)算所涉及的空氣組成為氮?dú)猓貉鯕?79：21，忽略空氣中的二氧化碳、水等成分，壓力值均為1atm。

2　數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1　當(dāng)量比對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/h3>

本文平衡器計(jì)算得出了不同當(dāng)量比Φ1時(shí)甲烷貧燃燃燒產(chǎn)物中各組分摩爾分?jǐn)?shù)及絕熱火焰溫度，以此為火焰速度反應(yīng)器的入口條件，在甲烷添加量M1=0.05時(shí)計(jì)算所得不同當(dāng)量比Φ1時(shí)絕熱火焰溫度、局部當(dāng)量比及火焰?zhèn)鞑ニ俣热绫?所示，其中v表示火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

表1　不同當(dāng)量比時(shí)絕熱火焰溫度、局部當(dāng)量比及火焰?zhèn)鞑ニ俣龋∕1=0.05）Tab.1 Adiabatic flame temperature，localequivalence ratio and flame propagation velocity at different equivalence ratios.（ M1=0.05）

由表1知，隨著當(dāng)量比Φ1由0.3增加到0.5，火焰?zhèn)鞑ニ俣扔?35.18cm/s增加到577.67cm/s；之后隨著當(dāng)量比增加到0.7，火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u下降至148.00cm/s；但當(dāng)Φ1=0.8時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣扔煮E增至181.03cm/s，而Φ1進(jìn)一步增加到0.9，無(wú)火焰?zhèn)鞑ィ醋渣c(diǎn)火不成功。結(jié)合不同當(dāng)量比時(shí)絕熱火焰溫度與局部當(dāng)量比，分析表明：局部當(dāng)量比處于1附近時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到最大，而局部當(dāng)量比過(guò)低或過(guò)大時(shí)，無(wú)火焰產(chǎn)生，自點(diǎn)火失?。辉讦?=0.8時(shí)，盡管局部當(dāng)量比為2.70，大于Φ1=0.7時(shí)的1.75，火焰?zhèn)鞑ニ俣葏s突然升高，本文推測(cè)是此時(shí)絕熱火焰溫度即反應(yīng)器內(nèi)未燃混合氣溫度較高的原因。

為了確定未燃混合氣溫度T2對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸?guī)律，接下來(lái)只選取當(dāng)量比Φ1=0.3、T0=300K時(shí)甲烷貧燃燃燒產(chǎn)物（T0表示平衡器初始溫度），而不考慮未燃?xì)鉁囟雀淖儙?lái)的平衡組分改變，并向其中添加甲烷的摩爾分?jǐn)?shù)M1=0.1，又已知此工況下絕熱火焰溫度T1=1066K，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c未燃混合氣溫度T2的關(guān)系曲線如圖1。由圖像看出，當(dāng)T2=400K時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?.91cm/s，而當(dāng)T2=1000K時(shí)，其為138.66cm/s，增長(zhǎng)了約28倍，表明隨著未燃?xì)鉁囟鹊纳?，火焰?zhèn)鞑ニ俣蕊@著增加。

圖1　火焰?zhèn)鞑ニ俣入S未燃混合氣溫度的變化（Φ1=0.3，T0=300K，M1=0.1）Fig.1 Flame propagation velocity versus unburned mixture temperature.（Φ1=0.3，T0=300K，M1=0.1）

2.2　甲烷添加量對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/h3>

結(jié)合2.1節(jié)，局部當(dāng)量比會(huì)影響火焰?zhèn)鞑ニ俣龋淄樘砑恿繒?huì)顯著影響局部當(dāng)量比的大小，為了進(jìn)一步研究甲烷添加量對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸?guī)律，本小節(jié)選取Φ1=0.3和0.6兩種典型工況。

選取Φ1=0.3、T0=300K時(shí)甲烷貧燃燃燒產(chǎn)物，且未燃?xì)鉁囟萒2=1066K，由平衡器計(jì)算知此時(shí)燃燒產(chǎn)物中氧氣摩爾分?jǐn)?shù)為0.142，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c甲烷添加量M1的關(guān)系曲線如圖2所示。由圖像知，隨著甲烷添加量的增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣认仍黾雍鬁p少，于M1=0.08時(shí)達(dá)到最大值267.76cm/s，此時(shí)局部當(dāng)量比為1.13，再次證明局部當(dāng)量比接近1時(shí)，火焰?zhèn)鞑プ羁?。選取當(dāng)量比0.6、T0=300K時(shí)甲烷貧燃燃燒產(chǎn)物，且未燃?xì)鉁囟萒2=1666K，又知此時(shí)燃燒產(chǎn)物中氧氣摩爾分?jǐn)?shù)為0.078，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c甲烷添加量M2的關(guān)系見(jiàn)表2。由表知，甲烷添加量為0.02時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲鬄?33.44cm/s，此時(shí)甲烷/氧氣=0.26。

圖2　火焰?zhèn)鞑ニ俣入S甲烷添加量的變化（Φ1=0.3，T0=300K，T2=1066K）Fig.2 Flame propagation velocity versus molar fraction of added methane.（Φ1=0.3，T0=300K，T2=1066K）

表2　火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c甲烷添加量M2的關(guān)系（T2=1600K）Tab.2 Adiabatic flame temperature versus molar fraction of added methane，M2（ T2=1600K）

綜上分析表明，一次燃燒當(dāng)量比對(duì)自點(diǎn)火過(guò)程火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懼饕憩F(xiàn)在局部當(dāng)量比與一次燃燒尾氣溫度的耦合作用，且尾氣溫度較低時(shí)，局部當(dāng)量比起到主要作用，在接近1時(shí)火焰?zhèn)鞑プ羁?；而隨著尾氣溫度升高到一定程度，即便局部當(dāng)量比較大，火焰?zhèn)鞑ヒ部赡芨臁４送?，甲烷添加量?duì)于火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸彩峭ㄟ^(guò)改變局部當(dāng)量比實(shí)現(xiàn)的，在甲烷/氧氣接近于1時(shí)，火焰?zhèn)鞑プ羁?，自點(diǎn)火延遲時(shí)間也就越小。

3　結(jié)論

本文借助CHEMKIN軟件模擬計(jì)算了甲烷二次燃燒自點(diǎn)火火焰?zhèn)鞑ニ俣?，研究了?dāng)量比和甲烷添加量對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸?guī)律，主要得出以下結(jié)論：

在一定范圍內(nèi)，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著當(dāng)量比的增加而增加；但當(dāng)當(dāng)量比增加到一定程度后，火焰?zhèn)鞑ニ俣却笾码S當(dāng)量比增加而減少。

局部當(dāng)量比處于1附近時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到最大，而局部當(dāng)量比過(guò)低或過(guò)大時(shí)，無(wú)火焰產(chǎn)生，自點(diǎn)火失??；隨著未燃?xì)鉁囟鹊纳?，火焰?zhèn)鞑ニ俣蕊@著增加。

一次燃燒當(dāng)量比對(duì)自點(diǎn)火過(guò)程火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懼饕憩F(xiàn)在局部當(dāng)量比與一次燃燒尾氣溫度的耦合作用，且尾氣溫度較低時(shí)，局部當(dāng)量比起到主要作用，在接近1時(shí)火焰?zhèn)鞑プ羁?；而隨著尾氣溫度升高到一定程度，即便局部當(dāng)量比較大，火焰?zhèn)鞑ヒ部赡芨臁?/p>

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