文章编号 : 2095-1248(2017)06-0046 - 09 混合燃料燃烧特性实验 及反应动力学研究 罗睿 ꎬ 刘宇 ꎬ 孙震 ꎬ 马洪安 ꎬ 陈潇潇 ꎬ 曾文 ( 沈阳航空航天大学航空航天工程学部 ( 院 )ꎬ 沈阳 110136) 摘要 : 为研究 混合燃料的燃烧特性 ꎬ 在定容燃烧弹中测量了初始压力 0 1 MPa 初始温度 420 K 当量比范围 0 8 ~ 1 5 和 含量 0 ~ 0 8 的 混合燃料的层流燃烧速度 ꎬ 采用 CHEMKIN 软件对 混合燃料层流燃烧速率进行了数值模拟 ꎬ 同时对燃烧质量流量进行了敏感性分析 ꎮ 结果表明 ꎬ 含量的增加抑制了 混合燃料层流燃烧速度 ꎬ 当 含量大于 0 8 时 ꎬ 混合燃料层流燃烧速度显著降低 ꎮ 通过反应动力学分析可知 ꎬ 混合燃料的层流燃烧速度主要受燃烧过程中 H O 和 OH 等活性自由基的影响 ꎬ 其中 ꎬH 自由基影响最为显著 ꎬ 增加使 H 自由基生成速率降低是导致混合燃料层流燃烧速度降低的主要原因 ꎮ 关键词 : 混合燃料 ꎻ 定容燃烧弹 ꎻ 层流燃烧速度 ꎻ 敏感性分析 ꎻ 活性自由基 ꎻ 反应动力学中图分类号 : V312 文献标志码 : A doi:10. 3969 / j. issn. 2095-1248. 2017. 06. 008 Experimental study and reaction kinetics analysis on combustion characteristics of mixed fuel LUO RuiꎬLIU YuꎬSUN ZhengꎬMA Hong anꎬchen Xiao xiaoꎬzeng Wen ( Faculty of Aerospace EngineeringꎬShenyang Aerospace UniversityꎬShenyang 110136ꎬChina) Abstract: To investigate the effect of methane addition on the combustion characteristics of C 10 / air mix tureꎬlaminar burning velocities of / air mixture were measured in a constant volume chamber with initial pressure of 0 1MPaꎬinitial temperature of 420 Kꎬequivalence ratios of 0 8-1 5 and methane additions of 0-0 8. The combustion flow quality of / air was simulated by CHEMKIN software and its sensitivity was further analyzed. The results show that the methane addition can restrain the laminar burning velocities of C 10 / air mixtures. When methane addition is more than 0 8ꎬthe laminar burning ve locities of / air mixtures decrease significantly. The kinetic analysis shows that the laminar burn ing velocity of / air mixture is mainly affected by the HꎬO and OH active radicalsꎬand especial ly the effect of H active radical is the most significant It can be concluded that the decrease of H active radi cal caused by the methane addition mainly results in the decrease of the laminar burning velocity of / air mixture. 收稿日期 : 2017-09 - 28 基金项目 : 国家自然科学基金 ( 项目编号 :51606129ꎻ51676132)ꎻ 辽宁省自然科学基金 ( 项目编号 :2013024009)ꎮ 作者简介 : 罗睿 (1995 - )ꎬ 女 ꎬ 湖南怀化人 ꎬ 硕士研究生 ꎬ 主要研究方向 : 燃料燃烧特性实验及反应动力学 ꎬE mail:952676877 @ qq comꎻ 刘宇 (1983 - )ꎬ 男 ꎬ 辽宁兴城人 ꎬ 讲师 ꎬ 博士 ꎬ 主要研究方向 : 航空发动机燃料燃烧特性实验及燃烧反应机理 ꎬ E mail:liuyu_201409@ 163 comꎮ
第 6 期罗睿 ꎬ 等 : 混合燃料燃烧特性实验及反应动力学研究 47 Key words: mixed fuelꎻconstant volume chamberꎻlaminar burning velocityꎻsensitivity analysisꎻactive radicalꎻ reaction kinetics 为解决我国石油对外依存度持续增高所带来 的能源安全问题 ꎬ 以及满足国际航空运输协会 (IATA) 提出的航空减排要求 ꎬ 寻求和开发航空 替代燃料已迫在眉睫 [1-2] ꎮ 目前 ꎬ 合成燃料 ( 煤和 天然气基合成燃料 ) 生物燃料和低温燃料是航 空替代燃料关注的焦点 ꎮ 现阶段 ꎬ 科研人员对合 成燃料和生物燃料已进行详细研究和全面报道 ꎬ 但对低温燃料 ꎬ 由于存在诸多技术问题 ꎬ 还未见详 细报道 [3-4] ꎮ 低温燃料是指将气态燃料在常压下通过深冷 技术转化而成的液态燃料 ꎬ 主要包括液化氢气 (LH) 和液化天然气 (LNG) 两种 ꎮ 相关研究表明 ꎬ 低温燃 料能量密度高 ꎬ 可提供更大推力 ꎬ 同时 ꎬ 低温燃料冷 却能力强 ꎬ 能够解决高速发动机冷却问题 ꎮ LNG 主要成分是 ( )ꎬ 其沸点和密度 较高 ꎮ 应用 LNG 时 ꎬ 由低温和容积引起的技术难 题远比 LH 容易解决 ꎮ 同时 ꎬ 由于 具有存储 量丰富 ꎬ 价格低廉 ꎬ 燃烧排放少以及能够保证火灾 爆炸安全等诸多优势 ꎬLNG 有望成为航空业节能 减排 ꎬ 实现可持续发展的最有效替代燃料 [5-7] ꎮ 然而 ꎬLNG 作为航空替代燃料也存在问题 ꎬ 研究 人员通过对航空煤油和 LNG 的基本物性以及其 着火与燃烧特性比对分析发现 ꎬLNG 气化成 后体积热值降低 ꎬ 且 具有燃点高和火焰传播 速度慢等特点 ꎬ 这些都不利于其在航空发动机中 的应用 [8] ꎮ 因此 ꎬ 为充分利用航空煤油与 LNG 各自优点 ꎬ 研究人员提出了采用 LNG / 航空煤油 混合燃料作为航空替代燃料的设想 ꎬ 并计划对其着 火与燃烧特性进行研究 ꎬ 同时论证其应用可行性 ꎮ 目前 ꎬ 国内外学者对 LNG 主要成分 及多种航空煤油 (Jet A - 1 JP - 8 和 JP - 10 等 ) 的燃烧特性进行了大量研究 ꎮ Hassan [9] Rozen chan [10] Park [11] Lowry [12] 等都曾采用过实验方 法测量宽广工况范围下 ( 初始压力 0 1 ~ 0 5 MPa 当量比 0 8 ~ 1 4) / 空气混合气层 [13] 流燃烧速度 ꎮ 采用球形火焰法 ꎬ 何佳佳等在定 容燃烧装置中获得不同当量比和不同初始温度下 的 / 空气混合气层流燃烧速率 ꎮ 结果表明 ꎬ 拉 以 伸火焰传播速率 无拉伸火焰传播速率和无拉伸 层流燃烧速率均随初始温度的增加而增加 ꎮ 常铭 [14] 等对天然气 / 空气层流火焰速率和马克斯坦常 数展开了研究 ꎮ 结果表明 ꎬ 马克斯坦常数随着当 量比的增加而增加 ꎬ 层流火焰速率在当量比 1 1 附近达到最大 ꎮ 在航空煤油燃烧特性方面 ꎬ [15] Vukadinovic 等在定容燃烧弹中获得 Jet A - 1 航空煤油层流燃烧速度和马克斯坦长度 ꎬ 并与 Gu Kumar 等实验数据进行了对比 ꎬ 分析了初始 压力 0 1 ~ 0 8 MPa 初始温度 373 ~ 473 K 和当 量比 0 67 ~ 1 43 范围下初始温度和初始压力对 Jet A - 1 层流燃烧速度和火焰稳定性的影响 ꎮ 曾 [16] 文等在定容燃烧反应装置中测量了初始压力 0 1 ~ 0 7 MPa 初始温度 390 ~ 450 K 当量比在 0 6 ~ 1 6 范围中 RP - 3 航空煤油的层流燃烧速 度和马克斯坦长度 ꎬ 分析了初始温度 压力以及当 量比对火焰发展结构 层流燃烧速度及马克斯坦 [17] 长度的影响 ꎮ 郑东等采用对冲火焰实验平台 获得了 RP - 3 航空煤油及其 4 组分替代燃料的 层流火焰传播速度 ꎮ 由国内外现状可知 ꎬ 目前学者对 及航空 煤油燃烧特性的研究多集中在 和航空煤油 单组分燃料燃烧特性上 ꎬ 对 / 航空煤油混合燃 料燃烧特性的研究较为匮乏 ꎮ 因此 ꎬ 本文拟开展 混合燃料燃烧特性研究 ꎬ 其中 代 表了 LNG 气化后的主要成分 ꎬ 而 C 10 因具有与 航空煤油相似的物理和化学性质 ꎬ 被用作航空煤 油单组份替代燃料 ꎮ 本文将采用定容燃烧反应装 置对 0 ~ 0 8 含量 混合燃料在初 始温度 420 K 初始压力 0 1 MPa 当量比 0 8 ~ 1 5 范围下的燃烧特性进行实验研究 ꎬ 并使用 CHMKIN 对混合燃料进行化学反应动力学分析 ꎮ 1 混合燃料燃烧特性实验 1 1 实验装置 定容燃烧反应实验装置如图 1 所示 [18] ꎬ 该装 置包括定容燃烧弹 点火系统 加热系统 高速摄
48 沈阳航空航天大学学报第 34 卷 像与纹影系统 数据采集系统等 ꎮ 定容燃烧弹为 不锈钢圆柱型 ꎬ 其内径为 180 mmꎬ 容积约为 5 5 Lꎬ 如图 2 所示 ꎮ 燃烧弹内布置有点火电极 ꎬ 燃烧弹外装有压力传感器 压力变送器 温度传感 器 液体燃料注射阀与进排气阀等 ꎮ 燃烧弹两端 装有 80 mm 厚石英玻璃窗 ꎬ 窗口直径为 130 mmꎮ 本实验将采用背影法拍摄 混合燃料 火焰发展照片 ꎬ 所用高速摄像机为幻影 Phantom v611ꎬ 拍摄速度为 10 000 幅 / 秒 ꎮ 实验中 ꎬ 先根据 C 10 与 化学分子式计 算出各当量比与各 含量下 C 10 O 2 和 N 2 的体积分数 ꎬ 然后根据分压定律计算各组 分分压 ꎬ 制定配气表 ꎮ 其次 ꎬ 依据分压依次充入相 应组分 ꎬ 最后通过中心电极点火 ꎬ 同时触发高速摄 像机对火焰发展进行拍照 ꎮ 1 2 实验原理 对于球形扩散火焰 ꎬ 火焰半径对时间的变化 率即为拉伸火焰传播速度 S n [19] S n = dr dt 式 (1) 中 r 为火焰半径 ꎬt 为时间 ꎮ (1) 火焰拉伸率 α 为火焰表面上一个无限小面 积的对数值对时间的变化率 α = d(lna) dt da = (A dt) 式 (2) 中 A 为火焰前锋面积 ꎮ (2) 如果燃烧火焰为球形扩散火焰 ꎬ 运用球形的 面积公式 ꎬ 式 (2) 还可以表示为 α = 2 dr / (r dt) = 2S n r (3) 由马克斯坦理论可知 ꎬ 球形扩散火焰的无拉 伸层流火焰传播速度 S l 与拉伸层流火焰传播速 度 S n 之间存在如下线性关系 S l - S n = L b α (4) 利用式 (2) 与式 (4) 可以求出 S n 与 αꎬ 将 S n - α 直线倒推至 α = 0ꎬ 直线在 S n 轴上的截距即 为无拉伸层流火焰传播速率 ꎬ 直线的斜率取相反 数即为马克斯坦长度 L b ꎮ 根据在火焰前锋面上的质量守恒 ꎬ 有 Aρ u u l = Aρ b S l (5) 式 (5) 中 ρ u 与 ρ b 分别为已燃区与未燃区混 合气的密度 ꎮ 由式 (5) 可获得层流燃烧速度 u l u l = (ρ b S l ) / ρ u (6) 图 1 定容燃烧反应装置图
第 6 期罗睿 ꎬ 等 : 混合燃料燃烧特性实验及反应动力学研究 49 图 2 1 3 实验验证 为验证定容燃烧实验装置所获得层流燃烧速度的准确性 ꎬ 本文分别对初始压力 0 1 MPa 初始温度 400 K 当量比 0 8 ~ 1 3 范围的 C 10 / 空气混合气和初始压力 0 1 MPa 初始温度 320 K 当量比 0 8 ~ 1 3 范围的 / 空气混合气层流燃烧速度进行了实验测量 ꎮ 本实验装置所得 C 10 / 定容燃烧弹空气和 / 空气混合气层流燃烧速度与其他学 者在相同工况下获得层流燃烧速度对比如图 3 所示 ꎬ 本文所获实验数据与相关文献实验数据基本一致 ꎮ C 10 / 空气和 / 空气混合气层流燃烧速度呈现出随当量比先增加后减小的趋势 ꎬ 且最大值出现在当量比 1 1 左右 ꎮ 图 3 C 10 和 层流燃烧速度的验证 2 混合燃料燃烧特性的 数值模拟 2 1 混合燃料燃烧反应机理 C 10 是航空煤油的重要组成 ꎬ 由于其分子 结构与 RP - 3 航空煤油较为接近 ꎬ 理化性质也比 较相似 ꎬ 因此 C 10 可作为航空煤油的单组分替 代燃料或多组分替代燃料的一种成分 ꎮ Bikas [20] 等曾构建过一种正癸烷燃烧机理 ꎬ 该机理包含 [21] 67 种组分和 600 个基元反应 ꎮ Westbrook 等 发展了一种同时适用于低温和高温的正癸烷详细 反应机理 ( 包含 952 种组分和 3 899 个基元反 应 )ꎬ 该机理与多个模型反应器的实验结果进行 [22] 了对比 ꎬ 吻合较好 ꎮ Battin Leclerc 等构建了包 含 1 216 种组分和 7 920 个基元反应的正癸烷详 细反应机理 ꎬ 能够精确预测温度 550 ~ 1 600 K 范 围内的着火延迟时间 ꎮ 在国外学者研究基础之 [23] 上 ꎬ 刘建文等通过简化方法获得了一个正癸烷 燃烧反应骨架机理 ꎬ 该机理包含 62 种组分和 422 个基元反应 ꎮ 在 Peters 等机理的基础上 ꎬ 姚通等 [24] 人通过反应路径分析和敏感性分析发展了一
50 沈阳航空航天大学学报第 34 卷 个包含 46 种组分和 167 个基元反应 用于描述正 癸烷着火与燃烧过程的简化化学反应动力学模 型 ꎬ 通过与文献实验数据对比发现 ꎬ 该机理能够更 准确的预测正癸烷低温和高温条件下的着火延迟 [25] 时间和火焰传播速度 ꎮ 曾文等依据 Bikas 等 提出的正癸烷着火与燃烧的化学反应详细机理 ꎬ 并综合考虑 Honnet 等对之提出的修改 ꎬ 形成了正 癸烷预混燃烧的详细化学反应机理 ( 包括 67 种 组分 344 个基元反应 )ꎮ 该反应机理包括 H 2 的 氧化反应 CO 与 CO 2 C 1 (CH HCO CH 2 CH 2 O CH 3 CH 3 O CH 2 OH CH 3 OH ) C 2 ( C 2 H C 2 H 2 C 2 H 3 CH 3 CO C 2 H 4 C 2 H 5 C 2 H 6 ) (C 3 H 3 H 4 H 5 H 6 H 7 H 8 H 6 O) C 4 ( C 4 H 2 H 3 H 4 H 5 H 6 H 7 H 8 C 4 H 9 ) C 5 ( C 5 H 10 C 5 H 11 ) C 6 ( C 6 H 12 C 6 H 13 ) C 7 (C 7 H 14 C 7 H 15 ) 的生成与氧化反应及 n C 10 的热裂解与氧化反应 ꎮ 其中 n C 10 的热裂解与氧化反应的主要基元反应步如表 1 所示 ꎮ 表 1 正癸烷 (n C 10 ) 热裂解与氧化的主要反应步 NO 反应步 NO 反应步 1 n C 10 = > 21 C 5 H 11 9 n C 10 + HO 2 = > 2 C 10 O 2 2 n C 10 = > p C 4 H 9 + 1 C 6 H 13 10 n C 10 + CH 3 = > 3 C 10 + 3 n C 10 = > n C 3 H 7 + 1 C 7 H 15 11 n C 10 + CH 3 = > 2 C 10 + 4 n C 10 + O 2 = > 3 C 10 + HO 2 12 n C 10 + H = > 3 C 10 5 n C 10 + O 2 = > 2 C 10 + HO 2 13 n C 10 + H = > 2 C 10 6 n C 10 + OH = > 3 C 10 O 14 n C 10 + O = > 3 C 10 + OH 7 Vn C 10 + OH = > 2 C 10 O 15 n C 10 + O = > 2 C 10 + OH 8 n C 10 + HO 2 = > 3 C 10 O 2 是最简单的碳氢燃料 ꎬ 一种小分子的碳氢化合物 ꎬ 正癸烷预混燃烧的详细化学反应机理中包含了 燃烧的主要反应 ꎬ 一般认为正癸烷详细机理可以预测这种小分子化合物与正癸烷混合燃料的燃烧特性 ꎮ 因此 ꎬ 本文使用曾文等修正获得的正癸烷燃烧化学反应详细机理 ( 包括 67 种组分 600 个反应 ) 进行数值模拟 ꎮ 2 2 混合燃料燃烧层流燃烧速度使用曾文等提出的正癸烷燃烧详细反应机理对 混合燃料层流燃烧速度进行计算 ꎬ 图 4 给出了计算值与实验值的比较结果 ꎮ 由图 4 可见 ꎬ 该机理对 混合燃料层流燃烧速度的预测基本合理 ꎮ 另外 ꎬ 从图 4 中可以看出 ꎬ 在当量比 0 8 ~ 1 3 范围内 ꎬ 含量为 0 0 4 和 0 8 的 混合燃料层流燃烧速度的计算值和实验值都随当量比呈现先增加后减小的变化趋势 ꎬ 其峰值出现在当量比 1 1 左右 ꎮ 对于计算值 ꎬ 含量 0 时 混合燃料层流燃烧速度的计算值 最高 ꎬ 随着 含量的增加 ꎬ 混合燃 料层流燃烧速度逐渐降低 ꎬ 且这种变化趋势在 含量从 0 4 增加到 0 8 时更为明显 ꎮ 对于实 验值 ꎬ 如图 4 所示 ꎬ 当量比 1 1 ~ 1 2 范围的 / C 10 混合燃料层流燃烧速度与计算值规律一 致 ꎮ 综合分析可知 ꎬ 在当量比 1 1 ~ 1 2 范围 ꎬ 添 加少量 对 混合燃料层流燃烧速 度影响很小 ꎬ 而随着 含量增加 ꎬ 混合燃料层 流燃烧速度降低趋势变得明显 ꎮ 层流燃烧速度强烈依赖于绝热火焰温度 ꎬ 且 燃烧过程中活性自由基 ( H O 和 OH 等 ) 对层流 燃烧速度影响也较大 ꎮ 因此 ꎬ 为阐明 含量对 混合燃料层流燃烧速度的影响 ꎬ 需要 进一步对 混合燃料燃烧过程进行化 学反应动力学分析 ꎮ 2 3 混合燃料质量燃烧流量的敏 感性分析本文通过对 混合燃料燃烧进行 敏感性分析来说明主要基元反应对层流燃烧速度
第 6 期罗睿 ꎬ 等 : 混合燃料燃烧特性实验及反应动力学研究 51 的影响 ꎮ 通过设置 CHEMKIN PRO( rate of pro duction) 中 Species Sensitivity and ROP 选项对 混合燃料进行质量燃烧流量的敏感性分析 ꎮ 图 5 给出了初始温度 420 K 初始压力 0 1 MPa 以及当量比 1 1 时 ꎬ 含量分别为 0 0 4 和 0 8 的 混合燃料质量燃烧流量的敏感性分析结果 ꎬ 图 5 中 TX PX 代表多种同分异构体 ꎮ 敏感性系数为正代表该基元反应对燃料燃烧起促进作用 ꎬ 提高燃烧速度 ꎻ 敏感性系数为负代表该基元反应对燃料燃烧起抑制作用 ꎬ 降低燃烧速度 ꎮ 由图 5 可知 ꎬ 含量为 0 0 4 和 0 8 工况下 ꎬ 由 H 原子开始产生自由基的链分支反应 H + O 2 < = > O + OH 都对燃烧过程起着极大的促进作用 ꎬ 这是由于一系列大分子基团需要通过自由基的撞击来发生反应 ꎻ 随着 含量的增加 ꎬ 其敏感因子逐渐增大 ꎮ 其次 ꎬOH + CO < = > H + CO 2 和 HO 2 + CH 3 < = > OH + CH 3 O 也是对燃烧过程起促进作用的主要基元反应 ꎬ 其中 OH + CO < = > H + CO 2 是燃烧过程中主要的热量来源 ꎬ 其敏感因子随 含量的增加变化不明显 ꎻ H + HO 2 < = > O 2 + H2 和反应速率较慢的三分子反应 H + CH 3 ( + M) < = > ( + M) 是对燃烧过程起抑制作用的主要基元反应 ꎬH + HO 2 < = > O 2 的敏感因子随 含量变化不明显 ꎬ 而 含量的增加直接导致了 H + CH 3 ( + M) < = > ( + M) 对反应过程的抑制作用增加 ꎮ 从图 4 中可以看出 ꎬ 在所有工况下 ꎬ 主导层流燃烧速度的反应均为包含小分子基团的双分子反应 ꎮ 图 5 燃烧质量流量的敏感性分析 3 混合燃料燃烧反应动 力学分析 图 4 的层流燃烧速度计算值与实验值的比较 3 1 H O 和 OH 自由基浓度分析正癸烷是一种大分子碳氢化合物 ꎬ 自由基 (H O 和 OH) 撞击大分子基团破坏 C H 键 ꎬ 生成活性基团是其燃烧过程中的一种主要反应类型 ꎮ 此外 ꎬH O 和 OH 等自由基的活性很高 ꎬ 燃烧过程中大部分链式反应都受到自由基浓度的影响 ꎬ
52 沈阳航空航天大学学报第 34 卷 因此 H O 和 OH 自由基浓度的变化将对 / C 10 混合燃料层流燃烧速度造成直接影响 ꎮ 图 6 为在初始压力 0 1 MPa 初始温度 420 K 当量比为 1 1 时 混合燃料燃烧过程中 H O 和 OH 自由基摩尔分数随 含量的变化 ꎮ 从图 6 可以看出 ꎬ 含量的增加使 混合燃料燃烧过程中 H O 和 OH 自由基的摩尔分数降低 ꎬ 其中 H 和 O 自由基摩尔分数降低的趋势较为明显 ꎬ 而 OH 自由基摩尔分数变化不大 ꎮ 同时 ꎬ 这种趋势在 含量大于 0 8 时表现得更为明显 ꎮ 分析说明 ꎬ 含量的增加对燃烧过程中 O 和 H 自由基浓度产生的影响较大 ꎬ 而对 OH 自由基浓度影响较小 ꎻ 此外 ꎬ 自由基浓度随 含量的增加呈现非线性变化规律 ꎬ 含量超过 0 8 后 ꎬ 自由基浓度随 含量的变化较为明显 ꎬ 这种趋势与该工况下 混合燃料燃烧的层流燃烧速随 含量变化趋势相符 ꎮ 综上可以看出 ꎬ 在该工况下 ꎬH O 和 OH 自由基浓度随着 含量的增加而降低 ꎬ 层流燃烧速度也随之降低 ꎮ 3 2 H 自由基生成速率 (ROP) 分析本文通过对 H 自由基进行 ROP 分析来说明 含量对 混合燃料燃烧过程中 H 自由基生成速率的影响 ꎮ 图 7 为在初始压力 0 1 MPa 初始温度 420 K 当量比 1 1 以及 含量 0 6 时 ꎬ 对 燃烧过程中 H 自由基生成速率影响最大的 10 个基元反应 ꎬ 其中正值表示通过该反应产生了 H 自由基 ꎬ 负值表示通过该反应消耗了 H 自由基 ꎮ 从图 7 可以看出 ꎬ 在 图 6 添加对 H O 和 OH 摩尔分数的影响 混合燃料的燃烧过程中 ꎬR3:OH < = > H O 是产生 H 自由基最主要的基元反应 ꎬ 其次 OH 自由基和 CO 通过氧化反应 R22: OH + CO < = > H + CO 2 生成 H 自由基和 CO 2 ꎬ 醛基 HCO 通过反应 R31:HCO + M < = > H + CO + M 生成 H 自由基以及 R2:O < = > H + OH 也是产生 H 自由基的主要反应 ꎮ 图 7 中消耗 H 自由基的主要反应是 R1:H + O 2 < = > O + OHꎬ 同时基元反应 R55:H + CH 2 O < = > HCO + H 2 R133:H + C 2 H 4 < = > C 2 H 3 及 R6:H + HO 2 < = > 2OH 也消耗 H 自由基 ꎮ 图 7 H 自由基生成速率
第 6 期罗睿 ꎬ 等 : 混合燃料燃烧特性实验及反应动力学研究 53 图 8 含量对 H 自由基生成速率的影响 量进行敏感性分析 ꎬ 获得影响混合燃料燃烧过程的主要基元反应 ꎬ 得出 H + O 2 < = > O + OH 对燃烧过程起主要的促进作用 ꎬ 而 H + CH 3 ( + M) < = > ( + M) 对燃烧过程起主要的抑制作用 ꎮ (3) 通过对燃烧过程中 H O 和 OH 自由基浓度分析得知 ꎬ 混合燃料的层流燃烧速度主要受燃烧过程中 H O 和 OH 等自由基的影响 ꎬ 其中 ꎬH 自由基影响最为显著 ꎬ 增加使 H 自由基生成速率降低是导致混合燃料层流燃烧速度降低的主要原因 ꎮ 图 8 为初始压力 0 1 MPa 初始温度 420 K 当量比 1 1 时 ꎬ 主要影响 H 自由基生成和消耗的基元反应 R1 R3 和 R22 生成 H 自由基的速率随着 含量的变化趋势 ꎮ 图 8 显示随着 含量的增加 ꎬR3:OH < = > H O 和 R22: OH + CO < = > H + CO 2 生成 H 自由基的速率逐渐降低 ꎬR1:H + O 2 < = > O + OH 消耗 H 自由基的速率也逐渐降低 ꎬ 且这一变化趋势在 含量大于 0 8 时表现的更为明显 ꎮ 结合图 5 图 6 图 7 和图 8 可知 ꎬ 层流燃烧速度受燃烧过程中 H 自由基生成速率的影响最大 ꎬ 含量的增加使 H 自由基生成速率降低 ꎬ 从而导致层流燃烧速度减小 ꎮ 4 结论 本文利用定容燃烧弹对 含量 0 ~ 0 8 初始温度 420 K 初始压力 0 1 MPa 当量比 0 8 ~ 1 5 条件下的 混合燃料层流燃烧速度进行实验测量 ꎬ 并采用曾文等提出的正癸烷着火与燃烧的化学反应详细机理进行化学反应动力学分析 ꎬ 得到如下结论 : (1) 不同 含量的 混合燃料层流燃烧速度均随当量比呈现先增加后减小的变化趋势 ꎬ 且其峰值均出现在当量比 1 1 左右 ꎮ 在当量比 1 1 ~ 1 2 范围 ꎬ 含量为 0 时 ꎬ 混合燃料层流燃烧速度最高 ꎬ 随着 含量的增加 ꎬ 混合燃料层流燃烧速度逐渐降低 ꎮ (2) 通过对 混合燃料燃烧质量流 参考文献 (References): [ 1 ] 柴建 ꎬ 张钟毓 ꎬ 李新 ꎬ 等. 中国航空燃油消费分析及预测 [J]. 管理评论 ꎬ2016ꎬ28(1):11-21. [ 2 ] 杨万柳. 国际航空排放全球治理的国际视域 [ J]. 北京理工大学学报 ꎬ2015ꎬ17(4):123-128. [ 3 ] T K HARIꎬ Z YAAKOBꎬ N N BINITHA. Aviation biofuel from renewable resources: Routesꎬ opportuni ties and challenges [ J]. Renewable and Sustainable Energy Reviewsꎬ2015ꎬ42(10):1234-1244. [ 4 ] C ZHANGꎬX HUIꎬY Z LINꎬet al. Recent develop ment in studies of alternative jet fuel combustion:pro gressꎬ challengesꎬ and opportunities [ J ]. Renewable and Sustainable Energy Reviewsꎬ2016ꎬ54(9):120-138. [ 5 ] M R WITHERSꎬR MALINAꎬC K GILMORE. Eco nomic and environmental assessment of liquefied natu ral gas as a supplemental aircraft fuel[ J]. Progress in Aerospace Sciencesꎬ2014ꎬ66(2S) :17-36. [ 6 ] T CONROYꎬK L E WEIꎬC BIL. Liquefied Natural Gas Aircraft:A Life Cycle Costing Perspective[ R]. AIAA 2014-0182. [ 7 ] R A ROBERTSꎬS R NUZUMꎬM WOLFF. Liquefied natural gas the next aviation fuel[ R]. AIAA 2015-4247. [ 8 ] M YAHYAOUIꎬ A ANANTHA SUBRAMANIANꎬ I LOMBAĒ VALOT. The use of LNG as aviation fuel: combustion and emissions[ R]. AIAAꎬ2015-3730. [ 9 ] M I HASSANꎬK T AUNGꎬG M FAETH. Measured and predicted properties of laminar premixed meth ane / air flames at various pressures[j]. Combustion & Flameꎬ1998ꎬ115(4):539-550. [10 ] G ROZENCHANꎬ D L ZHUꎬ C K LAW. Outward propagationꎬburning velocitiesꎬand chemical effects of methane flames up to 60 ATM [ J]. Proceedings of Combustion Instituteꎬ2002ꎬ29(2):1461-1470. [11] O PARKꎬP S VELOOꎬN LIU. Combustion character istics of alternative gaseous fuels[ J]. Proceedings of
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