第 16 卷第 4 期 2010 年 8 月 燃烧科学与技术 Journa of Combustion Science and Technoogy Vo.16 No.4 Aug. 2010 初始温度 / 压力对天然气层流燃烧速率的影响 常铭, 苗海燕, 路林, 刘岩, 黄佐华, 蒋德明 ( 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室, 西安 710049) 摘要 : 在定容燃烧弹内利用高速纹影摄像法研究了不同初始温度和初始压力下不同当量比的天然气 - 空气混合气的火焰传播过程, 并结合火焰传播照片分析了初始压力和初始温度对混合气层流燃烧速率的影响. 研究表明, 天然气 - 空气混合气的无拉伸火焰传播速率和无拉伸层流燃烧速率随当量比的增加先增大后减小, 且最大值出现在化学当量比附近. 火焰传播速率和层流燃烧速率均随着初始压力的升高而降低, 随着初始温度的升高而提高. 关键词 : 定容燃烧弹 ; 天然气 ; 层流燃烧速率 ; 初始温度 ; 初始压力中图分类号 :TK16 文献标志码 :A 文章编号 :1006-8740(2010)04-0309-08 Effect of Initia Temperature/Pressure on Laminar Burning Veocity of Natura Gas CHANG Ming,MIAO Hai-yan,LU Lin,LIU Yan,HUANG Zuo-hua,JIANG De-ming (State Key Laboratory of Mutiphase Fow in Power Engineering,Xi an Jiaotong University,Xi an 710049,China) Abstract:The aminar combustion processes of natura gas-air mixtures with various equivaence ratios under different initia pressures and initia temperatures were studied in a constant voume combustion bomb using schieren photography. Both unstretched fame speed and unstretched aminar burning veocity were obtained by anayzing fame photos. The experimenta resuts show that unstretched fame speed and unstretched fame burning veocity increase first and then decrease with the increase of equivaence ratio,reaching the maximum vaue around stoichiometric ratio. Both unstretched fame speed and unstretched aminar burning veocity decrease with the increase of initia pressure,whie they increase with the increase of initia temperature. Keywords:constant voume combustion bomb;natura gas;aminar burning veocity;initia temperature;initia Keywords:pressure 石油短缺和生态恶化是 21 世纪人类面临的主要问题, 能源的短缺将直接影响各国经济的持续发展, 而环境污染则直接威胁着人类的健康和生存. 能源和环境这两大难题的出现均与内燃机以及汽车工业的发展密切相关, 这是因为汽车及内燃机既是石油资源的主要消耗者, 也是大气特别是城市大气污染的主要制造者. 大规模开发和使用可再生能源和清洁替代能源是从根本上解决能源短缺和环境污染问题的主要 途径 [1]. 目前主要的内燃机替代燃料有天然气 氢气 醇醚燃料和生物质燃料等, 其中天然气被视为近期最有发展前途的清洁气体燃料之一. 我国的天然气储量丰富, 目前累计探明储量达 3 万亿立方米, 年产气量达到 300 亿立方米. 天然气的主要成分是甲烷 (CH 4 ), 其体积分数为 85% ~ 99%. 天然气作为发动机燃料具有几方面的优点 [2] : 1 天然气的体积低热值和质量低热值略高于汽油, 但 收稿日期 :2009-09-08. 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (50606029). 作者简介 : 常铭 (1984 ), 女, 硕士研究生,sun.moon@stu.xjtu.edu.cn. 通讯作者 : 苗海燕,hymiao@mai.xjtu.edu.cn.
310 燃烧科学与技术第 16 卷第 4 期 理论混合气热值比汽油低, 且甲烷含量越高, 相差越大, 纯甲烷的理论混合热值比汽油低 10% 左右 ;2 抗爆性能高, 天然气的主要成分是甲烷, 甲烷的研究法辛烷值为 130, 具有高抗爆性能 ;3 燃用天然气可采用高压缩比, 从而大幅度提高发动机的动力性和经济性 ;4 天然气与空气混合后的工作混合气有较宽的发火界限, 其过量空气系数的变化范围为 0.6~1.8;5 天然气比汽油和柴油更 清洁 ; 采用柴油 - 天然气双燃料工作的发动机, 尾气的烟度值很低, 为采用纯柴油的 1/10 左右, 几乎呈无烟状态运行. 但是天然气汽车也存在一些问题. 由于天然气燃烧火焰传播速率低, 稀燃时容易导致燃烧不完全, 循环变动率大 [3], 失火率高, 进而降低发动机效率, 增加排放 [4-5]. 为了更好理解和控制天然气发动机缸内工作情况, 有必要开展针对天然气燃烧特性的基础研究. 以往的研究主要集中在甲烷 - 空气混合气燃烧特 [8] 性上, 如文献 [6-7].Liao 等测量了常温下不同当量比时天然气 - 空气预混合气的层流燃烧速率, 并分析了初始压力的影响. 然而发动机实际工作时, 其燃烧的初始压力和初始温度都很高, 因此有必要对高温高压下天然气 - 空气的燃烧特性进行分析, 为新一代天然气发动机的优化设计和工作过程数值模拟提供更为贴近的燃烧基础数据. 笔者利用高速纹影摄像装置和定容燃烧弹研究了不同初始温度 (300,K,350,K,400,K,450,K) 和不同初始压力 (0.10,MPa 0.25,MPa 0.50,MPa 0.75,MPa) 下, 燃空当量比从 0.6 到 1.4 的天然气 - 空气混合燃料预混层流燃烧特性. 着重分析了不同初始压力 / 温度对天然气 - 空气预混层流燃烧特性的影响, 并与常温常压下天然气 - 空气的层流燃烧特性进行了比较. 1 试验装置及试验条件纹影法所得到的照片反映了所拍摄视场内密度梯度的变化情况, 由于火焰在前锋面上密度的变化率最大, 因此采用纹影法能够得到清晰的火焰前锋面, 因此被广泛应用于燃烧研究. 采用定容燃烧弹法结合纹影法研究天然气 - 空气的预混层流火焰燃烧特性. 整个试验系统主要包括加热系统 燃气配制系统 压力采集系统 高速摄像系统 点火系统和控制电路, 试验系统布置如图 1 所示. 定容燃烧弹内布置有中心电极, 用来点燃混合气 ; 定容燃烧弹圆柱体外分别安装有压力变送器 热电偶 压力传感器 液体燃料注入阀和进排气阀, 定容燃烧弹外均匀布置加热带. 在两个侧面装有石英玻璃窗, 为纹影系统提供光学通路. 高速摄像机为美国 REDLAKE 公司的 HG-100K, 拍摄速度在 10 3 ~10 5, 幅 /s, 本文用 10,000 幅 /s. 试验时利用分压定律按所需的燃空当量比和初始压力依次向定容燃烧弹中充入天然气和空气. 待混合气静止 5~10,min( 保证混合气处于静止状态 ) 后点火. 点火的同时触发高速摄像机拍照, 记录火焰的传播过程, 获得火焰发展的纹影照片. 图 1 试验装置示意
2010 年 8 月常铭等 : 初始温度 / 压力对天然气层流燃烧速率的影响 311 试验所用定容燃烧弹内腔直径为 180,mm 长 210,mm, 其容积为 5.34,L. 容弹壁厚为 20,mm, 整个容弹用不锈钢粗锻后再精加工而成, 具体结构如图 2 所示. 容弹两侧面装有石英玻璃窗, 为燃烧的可视化测量提供光学通路. 石英玻璃与容弹体之间用密封橡胶来密封. 在两块石英玻璃的内表面边缘处, 分别垫有能耐高温的氟橡胶密封垫片, 依靠盖板与容弹腔之间的螺栓预紧力来达到密封的目的. 容弹的上表面装有液体燃料注入阀 温度传感器和压力变送器, 两侧装有进 / 排气阀和压力传感器, 在容弹中心线上布置有两根电极, 以实现容弹中心点火. 试验所用的天然气产自陕北, 其具体成分如表 1 所示. 设其分子式为 Cα Hβ Oγ, 容弹中可燃混合气可表示为 C H O + L(O + α β γ 2 3.762 N 2) / 4.762,L 为实际充入容弹的空气量, 即 1 mo 燃气实际消耗的空气量 ; 由表 1 中的成分可得 α =1.015 23,β =3.928 084, γ =0.050 86. 另一方面,1 mo 混合燃气需要消耗的理论空气量为 L 0, 燃空当量比定义为 φ = L / L. 0 β γ + 1 1 L0 = 4.762(( α + ) + ) 4 2 2 由气体分压定律可知, 对于气态燃料, 混合气中燃料和空气的分压之比等于其物质的量之比. 这样, 根据给定的燃空当量比就可以计算出充入容弹内的各组分气体的含量. 配制混合气时各组分气体分压力由水银压力计确定. 配气之前, 首先把容弹抽成真空, 然后分别将各种气体按计算所得分压比例注入, 即可在容弹内形成所需的均匀混合气. (a) 主视图 表 1 天然气成分 成分体积分数 /% CH 4 96.160 C 2H 6 1.096 C 3H 8 0.136 N 2 0.001 CO 2 2.540 其他成分 0.067 2 球形扩散理论 在球形扩散火焰中, 拉伸火焰传播速率由火焰半径和时间的关系为 d ru Sn = (1) dt 式中 : r u 为纹影照片中火焰的半径 ;t 为时间. 火焰拉伸率 α 定义为火焰表面上一个无限小面积 A 的对数值对时间取导数, 即 d(n A) 1 d A 2 d ru 2 α = = = = Sn (2) dt A dt ru dt ru 火焰扩散初期, 容弹内压力变化很小的阶段 ( 本文中火焰半径小于 25 mm), 拉伸火焰传播速率和火焰拉伸率可近似呈线性关系 [9], 即 S Sn = Lα b (3) 利用式 (1) 和式 (2) 分别求出相应的 S n 和 α, 将 S -α n 直线倒推至 α =0 时, 直线在 S n 轴上的截距即为无拉伸层流火焰传播速率 S. 直线的斜率即为马克斯坦长度 L b. L b 为正值时, 反映出火焰传播速率随拉伸的增加而减小, 这样, 当火焰锋面出现凸起时 ( 拉伸增加 ), 凸起部分的火焰传播速率将得到抑制, 使火焰趋于稳定 ; 反之, L b 为负值时, 火焰传播速率随拉伸的增加而增加 [10], 当火焰锋面出现凸起时 ( 拉伸增加 ), 凸起部分的火焰传播速率将进一步增加, 火焰的不稳定性增加. 无拉伸层流燃烧速度 u 和无拉伸火焰传播速度 S 关系为 u = ρbs/ ρu (4) 式中 : ρ b ρ u 分别为已燃气和未燃气的密度, ρ u 由燃气的初始状态得到, ρ b 通过热平衡计算获得. 按准定压绝热过程, 利用 11 组分 7 方程法计算 [11]. 拉伸层流燃烧速率可以有两种定义, 即未燃气体的消耗速率 u n 和产物的生成速率 u nr, 前者定义在火焰锋面的外侧, 后者定义在火焰锋面的内侧, 分别由式 (5) 和式 (6) 计算得到. (b) 侧视图 图 2 定容燃烧弹剖面示意 b un S S ρ = n ρ u (5)
312 燃烧科学与技术第 16 卷第 4 期 u = ρ ( u S ) b nr n n ρb ρu 2.2 2.2 δ ρ u δ ρ u = 1+ 1.2 0.15 ru ρb ru ρb 2 (6) S (7) 式中 :S 为修正函数, 取决于火焰半径和两区的密度比 [10] ; δ 为火焰厚度, δ = ν /u,ν 为未燃混合气体的 运动黏性系数. (a) 常温常压 3 试验结果和分析 试验时, 容弹中的均匀混合气需要火花点燃, 火花点火的燃烧过程是一个相当复杂的过程, 点火成功的前提条件是点火系统所提供的能量必须能使小部分可燃混合气的温度迅速升高到足以产生连续的火焰传播过程. 点火能量的引入势必会影响到火焰的传播,Liao [8] Bradey [10] 和 Lamoureux [12] 等对甲烷 天然气和氢气层流火焰的研究表明, 点火能量对火焰传播的影响仅限于火核半径约小于 6 mm 时, 当火核半径超过这个临界值时不同点火能量下的层流燃烧速度趋于一致. 图 3 为不同点火能量下火焰传播速率与半径的关系 [8], 本文只考虑图 3 中虚线右边的部分 ( 温度为 300 K, 压力为 0.10 MPa). 图 3 不同点火能量下火焰传播速率与半径的关系 3.1 高温高压与常温常压的对比图 4 分别给出了常温常压和高温高压条件下, 在不同当量比下, 火焰半径随时间的变化规律. 由图可见, 点火之后, 火焰近似呈球形向外扩散, 半径迅速增大. 另外, 在不同的初始条件下, 火焰的传播特性具有类似的变化规律, 即随着当量比的增加, 半径的增长速度先增加后减小. 然而, 半径增长速度的最大值所对应的当量比不同. 在常温常压 ( 温度 300 K, 压力 0.10 MPa) 条件下 φ=1.0 时半径增长速度最快 ; 高温高压 ( 温度 450 K, 压力 0.75 MPa) 条件下则是 φ=1.1 时半径增长速度最快. (b) 高温高压 图 4 不同当量比下常温常压和高温高压火焰半径与图 4 时间的关系 基于测得的火焰半径, 将其对时间求导, 可获得火焰相对于静止燃烧室壁面的运动速度, 即拉伸火焰传播速率. 根据马克斯坦理论, 对于不稳定火焰, 该拉伸火焰传播速率随半径的增加而减小 ; 对于稳定火焰, 拉伸火焰传播速率随半径的增加而增加. 图 5 为不同初始条件和当量比时火焰传播速率与半径的关系, 当初始条件为常温常压时 ( 温度 300 K, 压力 0.10 MPa), 除了在较稀混合气 φ=0.6 时拉伸火焰的传播速率基本上不随火焰半径变化外, 拉伸火焰传播速率均随火焰半径的增加而增加, 即为稳定火焰 ; 且随着当量比的增加, 这种稳定性逐渐增强. 在实验范围内, 当初始条件为常温常压时, 随着当量比的增加, 其火焰稳定性增强. 而当初始条件为高温高压时 ( 温度 450,K, 压力 0.75,MPa), 情况是不同的. 在 φ=0.8~ 1.2 的当量比范围内, 拉伸火焰传播速率随半径的增加而减小, 显示此时的火焰为不稳定火焰 ; 随着当量比的增加, 这种不稳定性逐渐减弱. 当 φ=1.3 时, 拉伸火焰传播速率基本上不随火焰半径变化, 而当 φ=1.4 时拉伸火焰传播速率随半径的增加而增加, 显示此时为稳定火焰. 在试验范围内, 当初始条件为高温高压时, 随当量比增加火焰有逐渐趋于稳定的趋势. 图 6 为不同初始条件和当量比时, 拉伸火焰传播速率随拉伸率的变化规律. 球形扩散理论的研究表明 [10], 在火焰发展初期, 即容弹内压力变化可忽略的阶段, 拉伸火焰传播速率和火焰拉伸率可近似呈线性
2010 年 8 月常铭等 : 初始温度 / 压力对天然气层流燃烧速率的影响 313 (a) 常温常压 (a) 常温常压 (b) 高温高压 图 5 不同当量比下常温常压和高温高压火焰传播速率与图 5 半径的关系 关系. 这样将图 6 中的 S n -α 直线外推至 α=0, 处, 就可以得到无拉伸火焰传播速率 S ( 见图 7). 可见随着当量比的增加, 无拉伸火焰传播速率先增加后减小. 常温常压 ( 温度 300 K, 压力 0.1 MPa) 下最大值在 φ=1 处, 而高温高压 ( 温度 450 K, 压力 0.75 MPa) 时在 φ=1.1 处. 图 8 为不同初始条件下. 不同当量比下拉伸率对燃烧速率的影响. 由图可见, 随着拉伸的增大,( u n - u nr ) 增加, 这表明火焰厚度对燃烧速率的影响随着火焰半径的增大而逐渐变小 ; 且当拉伸率趋于零时, 即火焰半径趋于无穷, 火焰锋面厚度的影响可以忽略不计. 此时无论燃烧速率定义在火焰锋面的哪一侧, 它们都应该趋于同一个值, 即无拉伸层流燃烧速率 u. 通过比较图 8 还可以看到, 高温高压下 ( u n - u nr ) 的值较常温常压下的小, 这反映了高温高压下火焰厚度对燃烧速率影响比常温常压下相对较小 ( 空心图形为 u n, 实心图形为 u nr ). 将本研究在常温常压下所测得的天然气 - 空气在不同当量比下的无拉伸层流燃烧速率与文献 [6,13-17] 所提供的数据相比较 ( 见图 9), 可见本文结果与文献数值基本一致. 由此证明本文的试验结果是可信的. 图 10 给出了常温常压和高温高温下天然气 - 空气无拉伸层流燃烧速率与当量比的关系. 随着当量比的增加, 无拉伸层流燃烧速率, 都是先增加后减小, 但最 (b) 高温高压 图 6 常温常压和高温高压下不同燃空当量比时拉伸火焰图 6 传播速率与火焰拉伸率的关系 图 7 常温常压和高温高压下无拉伸火焰传播速率与燃空图 7 当量比的关系 (a) 常温常压 (b) 高温高压图 8 不同燃空当量比下, 拉伸火焰燃烧速率与火焰拉伸率的关系
314 燃烧科学与技术第 16 卷第 4 期 大值出现的当量比在高温高压下朝着浓混合气方向移动. (a) φ =0.8 图 9 常温常压下无拉伸层流燃烧速率与当量比的关系 (b) φ =1.0 图 10 不同初始条件下天然气 - 空气无拉伸层流燃烧速率与当图 10 量比的关系 3.2 初始压力的影响在高温条件下 ( 温度为 450,K), 初始压力分别为 0.10,MPa 0.25,MPa 0.50,MPa 和 0.75,MPa 时不同时刻下的火焰半径, 如图 11 所示. 根据测得的火焰半径, 获得了不同初始压力下 不同当量比时的无拉伸传播速率 ( 见图 12) 和无拉伸层流燃烧速率 ( 见图 13). 可见, 二者均随着初始压力的升高而逐渐降低. 且其降低程度随着初始压力的升高而逐渐变小. 另外, 由图 12 和 13 可见, 初始压力的变化并未改变无拉伸层流燃烧速率随着当量比的增加而先增加后减小的变化规律 ( 图 12 和图 13 中温度均为 450 K). 3.3 初始温度的影响本研究还开展了不同初始温度对天然气 - 空气火焰传播速率和层流燃烧速率影响的研究工作, 测量了初始温度分别为 300 K 350 K 400 K 和 450 K 时不同时刻下的火焰半径, 并根据测得的火焰半径, 获得了不同初始温度下 不同当量比时的无拉伸传播速率 ( 见图 14) 和无拉伸层流燃烧速率 ( 见图 15). 可见, 二者均随着初始温度的升高而逐渐升高, 且其升高程度随着初始温度的升高而逐渐增大. 另外, 由图 14 和图 15 可见, 与初始压力相类似的, 初始温度的变化并未改变无拉伸层流燃烧速率随着当量比的增加是先增加后减小的变化规律 ( 初始压力为 0.10 MPa). (c) φ =1.2 图 11 不同初始压力下火焰半径与时间的关系图 12 初始压力对无拉伸火焰传播速率的影响图 13 初始压力对无拉伸层流燃烧速率的影响
2010 年 8 月常铭等 : 初始温度 / 压力对天然气层流燃烧速率的影响 315 图 14 初始温度对无拉伸火焰传播速率的影响 火焰传播速率和无拉伸层流燃烧速率均随当量比的增加先增大后减小, 且最大值出现在化学当量比附近 ; 火焰厚度对燃烧速率的影响在常温常压下比在高温高压下更明显. (2) 随着初始压力的升高, 天然气 - 空气的无拉伸火焰传播速率和无拉伸层流燃烧速率都降低, 但是没有改变无拉伸火焰传播速率和无拉伸层流燃烧速率随当量比的变化趋势. (3) 随着初始温度的升高, 天然气 - 空气的无拉伸火焰传播速率和无拉伸层流燃烧速率都增大, 但是没有改变无拉伸火焰传播速率和无拉伸层流燃烧速率随当量比的变化趋势. 参考文献 : 4 讨论 图 15 初始温度对无拉伸层流燃烧速率的影响 天然气的主要成分是甲烷. 现有的燃烧理论认为在高温下甲烷的主要两个链分支反应是 H+ O 2 = OH+ O (R1) H+ O + M = HO + M (R2) 2 2 这两个反应一旦引发, 便可大幅度增加甲烷的氧化率. 因此其对甲烷的的燃烧速率的影响起主导作用. 由于这两个反应消耗相同的活性基, 因此这两个反应的反应速率存在此消彼长关系. 其中 R1 是一个很重要的链分支反应, 该反应吸热, 当两分子的链分支反应起主要作用时, 燃烧处于爆炸阶段 ;R2 是三体终结反应, 产生了活性较低的 HO 2, 与快速的链分支反应相比, 它的作用是减慢燃料氧化的速率. 值得注意的是, 其中 R2 对压力非常敏感, 它的反应速率随压力的升高而大幅度提高, 因此随着初始压力的升高, 火焰的层流燃烧速率降低. 另一方面,R1 对温度反应敏感, 且随着温度的升高,R1 化学反应速率相对于 R2 反应大幅度增加, 因此随着温度的升高火焰的层流燃烧速率增加 [18]. 这一分析结果与实验所获得结果是一致的. 5 结论 (1) 不论是在常温常压还是高温高压下, 无拉伸 [1] 鹏洪涛. 天然气汽车发展现状及对策 [J]. 汽车工业研究,2006(1):47-48. Peng Hongtao. The deveopment and countermeasures of natura gas automobie [J]. Automotive Industry Research,2006(1):47-48(in Chinese). [2] 李永昌. 浅谈我国天然气发动机的现状和发展趋势 [J]. 城市公共交通,2007(10):20-22. Li Yongchang. On China s natura gas engine s current situation and deveopment trend [J]. Urban Pubic Transport,2007(10):20-22(in Chinese). [3] 姚宝峰, 李国岫. 天然气发动机燃烧循环变动特征参数分析研究 [J]. 内燃机工程,2007,168(2):26-29. Yao Baofeng,Li Guoxiu. Anaysis investigation of characteristic parameter of natura gas engine combustion cycica movement [J]. Interna Combustion Engine Engineering,2007,168(2):26-29(in Chinese). [4] 郑清平, 张惠明, 邓玉龙. 压燃式天然气发动机燃烧过程 CFD 模拟计算中的若干问题 [J]. 燃烧科学与技术,2006,12(4):345-352. Zheng Qingping,Zhang Huiming,Deng Yuong. A number of issues of compression-ignition natura gas engine combustion process in CFD simuation [J]. Journa of Combustion Science and Technoogy, 2006, 12 (4):345-352(in Chinese). [5] 韩健, 郎静. 天然气 HCCI 发动机燃烧和排放的 CFD 研究 [J]. 拖拉机与农用运输车,2006,33(5): 24-27. Han Jian,Lang Jing. CFD study of natura gas HCCI engine combustion and emission [J]. Tractor and Farm Vehices,2006,33(5):24-27(in Chinese). [6] Gu X,Haq M,Lawes M,et a. Laminar burning ve-
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