乙醇-氫氣-空氣混合物層流燃燒特性研究*

張嘉瑋，姜根柱?，張 衍，王筱蓉，許滄粟

（1.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.浙江大學(xué)，杭州 310027）

0 引 言

煤、石油和天然氣等常見(jiàn)化石能源占世界能源的近80%。為了緩解能源危機(jī)和環(huán)境污染，發(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料越來(lái)越受到人們的重視。生物乙醇是一種很有前途的替代燃料?，F(xiàn)在采用的第二代生物乙醇可由農(nóng)作物、廢棄物和藻類等原料生產(chǎn)，并不會(huì)造成糧食危機(jī)[1]。但乙醇的高汽化潛熱、低溫點(diǎn)火困難和弱擴(kuò)散性不利于其在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用[2]。為了克服乙醇在能量轉(zhuǎn)化中的缺點(diǎn)，解決方案之一就是在乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)中添加一定比例的氫氣。與乙醇相比，氫氣具有火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤臁Ⅻc(diǎn)火能量低和擴(kuò)散性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以通過(guò)生物乙醇催化重整制取。目前，已有文獻(xiàn)證明向乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)中添加氫氣可以改善燃燒過(guò)程和排放[3-4]。

雖然乙醇與其他碳?xì)浠衔锏幕旌弦堰M(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，例如乙醇與汽油，但乙醇與氫氣混合燃料的基本燃燒特性尚不清楚[5]。層流燃燒速度（laminar burning velocity,LBV）表示混合燃料的擴(kuò)散率、熱釋放和化學(xué)反應(yīng)速率，可用來(lái)表征和量化氫氣添加比例對(duì)乙醇的影響。此外，LBV 對(duì)驗(yàn)證燃料化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、正確構(gòu)建燃燒模型和優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)具有重要意義[6]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)燃料的層流燃燒特性進(jìn)行了諸多研究。HE 等[7]研究了在汽油中加入氫氣對(duì)燃料層流燃燒特性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示當(dāng)量比較低時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣仁芾炻视绊戯@著。在保持當(dāng)量比不變的前提下，隨著氫氣比例的增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫搽S著變大，并且LBV 的峰值隨氫氣含量的增加向濃混側(cè)偏移。XU 等[8]通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)稻殼油主要成分是乙醇、乙酸乙酯和丙酮，并研究了該燃料的LBV，結(jié)果表明該燃料的LBV 峰值發(fā)生在當(dāng)量比為1.1 的時(shí)候。VAN TREEK 等[9]考察了初始溫度為358 K、含水量為0%～ 40%、當(dāng)量比為0.7～ 1.4的乙醇-水-空氣混合物的LBV，發(fā)現(xiàn)加水會(huì)影響火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程。這是由于水在分子間反應(yīng)或直接參與雙分子反應(yīng)中具有較高的碰撞效率。WANG 等[10]測(cè)量了不同氫氣比例下甲烷/二甲醚的LBV。研究表明，預(yù)混氣體的LBV 并不隨氫氣的增加而單調(diào)增加，甲基基團(tuán)在反應(yīng)中的作用比其他反應(yīng)更重要，這表明氫的加入并不是使LBV 增加的唯一途徑。COMANDINI 等[11]研究了正庚烷和氫混合物的燃燒特性，混合物中含有的氫氣比例為0%、25%和50%，初始溫度為294 K，初始?jí)毫?.1 MPa，當(dāng)量比在0.8～ 1.35 之間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，添加25%和50%氫氣的混合物的火焰速度分別增加了3%和10%，而馬克斯坦長(zhǎng)度略有下降。

為提供新的乙醇-氫氣-空氣混合物層流燃燒特性數(shù)據(jù)，本文采用高速紋影攝像系統(tǒng)記錄定容燃燒彈內(nèi)火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程，通過(guò)處理得到層流火焰的燃燒特性參數(shù)。本次實(shí)驗(yàn)主要研究初始溫度為400 K、初始?jí)毫?.1 MPa 和0.4 MPa、當(dāng)量比為0.7～1.4、氫氣比例為0%～ 90%條件下預(yù)混氣體的層流燃燒特性。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及數(shù)據(jù)處理

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 為實(shí)驗(yàn)裝置圖，主要由定容燃燒彈、高速紋影攝像系統(tǒng)、點(diǎn)火控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)組成。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 The experimental setup

1.2 數(shù)據(jù)處理

圖2為使用HALCON軟件對(duì)火焰前鋒半徑的處理結(jié)果。火焰圖像處理步驟如下：（1）強(qiáng)化火焰原始圖片的對(duì)比度；（2）通過(guò)thresshold 算子對(duì)圖像進(jìn)行分割，使用設(shè)置閾值的手段從輸入圖像中選擇滿足灰度值條件的像素；（3）通過(guò)connection算子連接和計(jì)算區(qū)域，連接確定區(qū)域中給定的輸入?yún)^(qū)域；（4）選擇ROI，對(duì)已有的區(qū)域進(jìn)行篩選；（5）使用select_shape 算子，借助形狀特征篩選出實(shí)驗(yàn)需要的火焰輪廓；（6）提取火焰輪廓并計(jì)算輪廓內(nèi)的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)。

圖2 火焰前鋒面Fig.2 Flame front radius

通過(guò)式（1）可以將提取的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)化為等效火焰半徑。

式中：ru為實(shí)際火焰半徑；Asch為紋影中火焰面積；A為紋影中視窗面積；r為實(shí)際視窗半徑。

火焰在實(shí)際傳播過(guò)程中會(huì)受到拉伸率的作用，通過(guò)對(duì)火焰半徑ru與火焰?zhèn)鞑r(shí)間進(jìn)行微分可以計(jì)算出火焰在受拉伸作用下的傳播速度Sb，具體計(jì)算公式如下：

拉伸率α是火焰前鋒面面積變化的百分比速率，定義為火焰前鋒面上一個(gè)無(wú)限小微元面積A的對(duì)數(shù)對(duì)時(shí)間t的導(dǎo)數(shù)，推導(dǎo)過(guò)程如下：

采用非線性外推法可以消除火焰α對(duì)拉伸火焰速度Sb的影響，從而得到層流狀態(tài)下的無(wú)拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

式中：Lb為馬克斯坦長(zhǎng)度；為無(wú)拉伸火焰速度。

根據(jù)上面所求的無(wú)拉伸火焰速度和火焰燃燒前后的密度比，可以計(jì)算出混合燃料的LBV：

式中：ρb和ρu分別為已燃?xì)怏w與未燃?xì)怏w的密度；Su為混合氣的LBV。

考慮到輻射的影響，根據(jù)YU 等[12]提出的輻射校正公式對(duì)Su進(jìn)行修正。

式中：S0為參考燃燒速度，取10 mm/s；T0為參考溫度，298 K；P0為參考?jí)毫Γ?.1 MPa。

火焰厚度可以評(píng)估火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中的流體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性，用如下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Tad為絕熱火焰溫度；Tu為未燃混合氣體溫度；(dT/dX)max為火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中溫度梯度的最大值。

2 結(jié)果與討論

圖3 展示了不同當(dāng)量比和氫氣比例下火焰?zhèn)鞑サ募y影圖像。當(dāng)氫氣比例為10%時(shí)，隨著當(dāng)量比的增加，預(yù)混燃料的火焰?zhèn)鞑ニ俣认仍龃蠛鬁p小。從圖3b 發(fā)現(xiàn)在當(dāng)量比為1.2 時(shí)，氫氣比例的增加能顯著提高火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

圖3 乙醇-氫氣-空氣預(yù)混層流火焰在不同當(dāng)量比和氫氣分?jǐn)?shù)下的紋影圖像：（a）Xh=10%；（b）? =1.2Fig.3 Schlieren images of the ethanol-hydrogen-air premixed laminar flames at different equivalence ratios and hydrogen fractions: (a) Xh=10%;(b) ? =1.2

2.1 層流燃燒速度

圖4a 和圖4b 分別展示了初始溫度為400 K、初始?jí)毫?.1 MPa 和0.4 MPa 條件下，6 種氫氣比例的混合燃料LBV 受當(dāng)量比變化的影響。由圖中可以明顯地看出，火焰LBV 隨著當(dāng)量比的增大先增加后減小，峰值出現(xiàn)在當(dāng)量比1.2 附近。隨著氫氣含量的增加，火焰的LBV 隨之變大。特別在富氫情況下，火焰的LBV有著非常大的提高。在圖4a中，Xh=90%比Xh=70%的最大LBV 快1 080 mm/s，而Xh=30%比Xh=10%的最大LBV 快51 mm/s，這是由于氫氣的化學(xué)反應(yīng)速率更快，在富氫狀態(tài)下LBV 受氫氣含量變化的影響更加顯著。此外，隨著初始?jí)毫Φ脑黾樱琇BV 明顯降低。初始?jí)毫υ黾邮沟肏 自由基濃度影響變小，減弱了氫氣添加對(duì)燃料LBV 的促進(jìn)作用。

圖4 不同氫氣比例的預(yù)混燃料LBV 隨當(dāng)量比的變化圖：（a）0.1 MPa；（b）0.4 MPaFig.4 The relationship between LBV and equivalent ratio of premixed fuels with different hydrogen ratios: (a) 0.1 MPa;(b) 0.4 MPa

圖5 為當(dāng)量比1.2 時(shí)，不同初始?jí)毫ο骂A(yù)混火焰LBV 增長(zhǎng)率隨氫氣比例的變化。從圖中可以看出，當(dāng)Xh≤ 50%，LBV 隨氫氣含量的變化線性增加，而當(dāng)Xh≥ 50%時(shí)，LBV 隨氫氣含量的變化指數(shù)增長(zhǎng)。這說(shuō)明氫氣含量越高，LBV 增加效果就越明顯。當(dāng)初始?jí)毫ι仙龝r(shí)，可以觀察到增長(zhǎng)率也在上升。雖然初始?jí)毫Φ纳仙龝?huì)導(dǎo)致LBV 下降，但會(huì)增加LBV的增長(zhǎng)率。

圖5 不同初始?jí)毫ο碌念A(yù)混燃料LBV增長(zhǎng)率隨氫氣含量的變化圖Fig.5 Plot of the growth rate of the LBV of premixed fuels at different initial pressures versus hydrogen content

2.2 火焰厚度

火焰厚度是表征火焰流體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定的重要參數(shù)。圖6 為不同氫氣比例下乙醇-氫氣混合燃料火焰厚度隨當(dāng)量比的變化曲線。

圖6 火焰厚度隨當(dāng)量比變化關(guān)系：（a）0.1 MPa；（b）0.4 MPaFig.6 The relationship between flame thickness and equivalent ratio: (a) 0.1 MPa;(b) 0.4 MPa

由于混合物的運(yùn)動(dòng)學(xué)黏度對(duì)當(dāng)量比的變化不敏感，火焰厚度表現(xiàn)行為與LBV 正好相反。當(dāng)Xh≤50%，火焰厚度最低點(diǎn)出現(xiàn)在當(dāng)量比為1.2 時(shí)。而當(dāng)Xh≥ 50%，火焰厚度的最低點(diǎn)向當(dāng)量比較高的一側(cè)偏移。Xh=90%時(shí)，最低點(diǎn)在當(dāng)量比1.3 時(shí)出現(xiàn)。相比于貧氫狀態(tài)，富氫狀態(tài)下氫氣比例的增大對(duì)火焰厚度的影響更加顯著。隨著氫氣比例和初始?jí)毫Φ脑黾?，火焰厚度變得更薄，而較薄的火焰厚度會(huì)使火焰前鋒面兩邊的密度梯度變化增大，使得火焰表現(xiàn)出不穩(wěn)定的趨勢(shì)。

2.3 馬克斯坦長(zhǎng)度

熱擴(kuò)散不穩(wěn)定是由預(yù)混燃料中熱量和質(zhì)量的不均等擴(kuò)散燃燒引起[6]。圖7 中的Lb反映了拉伸率對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?，可以量化火焰的熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性[8]。當(dāng)Lb＞ 0 時(shí)，火焰前鋒面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而當(dāng)Lb＜ 0 時(shí)則表明火焰前鋒面結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定[13]。如圖7所示，隨著初始?jí)毫Φ脑黾?，Lb呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，火焰不穩(wěn)定性增強(qiáng)。當(dāng)氫氣比例較小時(shí)，Lb隨當(dāng)量比的增加而降低，這說(shuō)明火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中火焰穩(wěn)定性逐漸降低。當(dāng)處于富氫狀態(tài)下，則表現(xiàn)出相反的趨勢(shì)，火焰穩(wěn)定性不斷上升。由此可以發(fā)現(xiàn)氫氣比例對(duì)改變火焰穩(wěn)定性有很大的影響。特別是在稀燃側(cè)，貧氫和富氫狀態(tài)下的Lb有著較大的區(qū)別，而在當(dāng)量比為1.2～ 1.4 的富燃側(cè)，Lb的區(qū)別不大。

圖7 不同氫氣含量下Lb 隨當(dāng)量比的變化圖Fig.7 The effect of Lb with equivalence ratio at different hydrogen contents

2.4 數(shù)值仿真結(jié)果

通過(guò)熱力學(xué)仿真軟件Chemkin 18.0 Pro 分析計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)中所不能直接測(cè)量的絕熱火焰溫度、已燃?xì)怏w和未燃?xì)怏w密度等數(shù)據(jù)。計(jì)算網(wǎng)格長(zhǎng)度為3 cm，曲線參數(shù)和梯度參數(shù)均為0.05，從而保證了計(jì)算的準(zhǔn)確性。本研究采用的化學(xué)機(jī)理是通過(guò)整合ó CONAIRE 等[14]的氫燃燒反應(yīng)機(jī)理和MARINOV[15]的乙醇氧化反應(yīng)機(jī)理得到。圖8a 展示了數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)所獲得的火焰LBV 對(duì)比，可以看出兩者的發(fā)展趨勢(shì)一致。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均相對(duì)偏差小于12%，最大相對(duì)偏差小于25%。圖8b 為乙醇預(yù)混燃?xì)獾腖BV 與文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比情況。結(jié)果表明，本研究采用的仿真機(jī)理與文獻(xiàn)報(bào)道的仿真數(shù)據(jù)差距較小，趨勢(shì)規(guī)律基本吻合；本實(shí)驗(yàn)最終得到的乙醇預(yù)混燃?xì)獾腖BV 相較于BRADLEY 等[16]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更大，考慮到本研究初始溫度為400 K，高于其研究工況，溫度越高LBV 越大；另外與DIRRENBERGER 等[17]研究數(shù)據(jù)結(jié)果基本吻合，差距在4.8%以內(nèi)，因此本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性較高。

圖8 不同氫氣比例的混合燃料LBV實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果的對(duì)比（a）；現(xiàn)有數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)的對(duì)比（b）Fig.8 Comparison of experimental and simulation results of LBV for ethanol with different H2 addition (a);the comparison of present data with experimental and computed data published in previous literature (b)

3 結(jié) 論

研究了含有氫氣比例分別為0%、10%、30%、50%、70%、90%的乙醇-氫氣燃料的燃燒特性。實(shí)驗(yàn)采用定壓法在初始溫度為400 K、初始?jí)毫?.1 MPa和0.4 MPa 下進(jìn)行，考察了燃料當(dāng)量比在0.7～ 1.4區(qū)間內(nèi)的層流燃燒特性，當(dāng)量比跨度為0.1。主要結(jié)論如下：

（1）乙醇-氫氣-空氣預(yù)混火焰的層流燃燒速度峰值出現(xiàn)在當(dāng)量比1.2 附近，并且隨著氫氣比例的增大，峰值當(dāng)量比會(huì)朝著富燃一側(cè)移動(dòng)。

（2）在相同工況條件下，氫氣的添加可以提高乙醇的層流燃燒速度，特別是在富氫狀態(tài)下提升明顯。貧氫階段的LBV 隨氫氣比例的增加線性增長(zhǎng)，而富氫階段的LBV 隨氫氣比例的增加呈指數(shù)增長(zhǎng)。此外，初始?jí)毫Φ脑黾犹岣吡薒BV 的增長(zhǎng)率。

（3）在貧氫階段，馬克斯坦長(zhǎng)度表現(xiàn)出由正轉(zhuǎn)負(fù)的下降趨勢(shì)，在富氫階段，馬克斯坦長(zhǎng)度表現(xiàn)出由負(fù)轉(zhuǎn)正的趨勢(shì)。這表明預(yù)混火焰在貧氫階段處于穩(wěn)定狀態(tài)但是抗失穩(wěn)的能力隨著當(dāng)量比的上升而不斷下降，在富氫階段則表現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。

（4）在工況改變的情況下，本文仿真模型較好地預(yù)測(cè)了層流燃燒速度的變化趨勢(shì)，計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道的不同氫氣含量下乙醇-氫氣混合氣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。