倪 靖，潘劍鋒，姜 超，陳 祥，張 順

（江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

混合燃料具有優(yōu)良的燃燒特性，特別是單一燃料摻氫所形成的混合燃料，可以很好地改善燃燒性能[1-3]。一些實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究結(jié)果表明，對(duì)于天然氣燃料，隨著氫氣的摻入，燃料的點(diǎn)火性能和燃燒性能都會(huì)有極大的提高。其主要的原因是氫氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣冗h(yuǎn)高于天然氣等碳?xì)淙剂?。同樣，在?nèi)燃機(jī)中，甲烷和氫氣的二元混合燃料能夠改善燃料整體的稀薄燃燒特性，降低排放，彌補(bǔ)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的不足[4-6]。

在燃料摻氫方面，早期已經(jīng)進(jìn)行了一些相關(guān)研究。劉海全等[7]研究了不同摻氫比對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性的影響，結(jié)果表明，摻氫后可以有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的指示熱效率，改善稀燃效果。殷勇等[8]同樣進(jìn)行了天然氣摻氫發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究，獲得了相似的結(jié)論，天然氣摻氫以后可以拓寬燃料的稀燃極限，且隨著摻氫比的增大，相同功率的稀燃極限加大。尉慶國(guó)等[9]在定容燃燒彈內(nèi)進(jìn)行了甲烷/氫氣/空氣混合氣燃燒實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，混合氣在較低初始?jí)毫洼^高初始溫度下，燃燒速率較大，隨著摻氫比的升高，燃燒壓力峰值增大。陽(yáng)旭峰等[10]研究了氫氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)甲烷/氫氣預(yù)混氣爆炸特性的影響，發(fā)現(xiàn)預(yù)混火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著氫氣體積分?jǐn)?shù)的增大而上升，最大爆炸超壓隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)的增大而增高。

目前，多是研究摻氫燃料的緩燃、爆燃特性，爆轟特性卻少有研究。隨著爆轟理論和研究的不斷發(fā)展，摻氫燃料的爆轟特性研究漸漸進(jìn)入人們的視野。Chaumeixa 等[11]實(shí)驗(yàn)研究了甲烷濃度對(duì)甲烷/氫氣/氧氣預(yù)混合氣爆轟特性的影響，結(jié)果表明甲烷濃度的升高對(duì)混合物的爆轟有很大的抑制作用。Rudy 等[12]對(duì)化學(xué)當(dāng)量比下的甲烷/氫氣/空氣預(yù)混氣進(jìn)行了相關(guān)研究，以爆轟胞格尺寸作為衡量爆轟敏感性標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)隨著氫氣的摻入，爆轟胞格尺寸降低且更加不規(guī)則，爆轟敏感性增強(qiáng)。Porowski 等[13]在長(zhǎng)為6 m、放有擾流器的管道中對(duì)化學(xué)當(dāng)量比的甲烷/空氣/氫氣混合物進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，他們認(rèn)為隨著氫氣濃度的提高，混合物的爆轟敏感性增強(qiáng)。白橋棟等[14]研究了摻氫對(duì)爆轟參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)初始?jí)毫橐粋€(gè)大氣壓時(shí)，摻氫后爆轟波的峰值壓力和爆轟傳播速度顯著提高，且起爆位置提前，有利于減少DDT（deflagration to detonation transition）距離。Zhang 等[15]在長(zhǎng)度為2.5 m，內(nèi)徑為4、14、36 mm 的爆轟管中，研究了CH4-2H2-3O2在近爆轟極限處的速度波動(dòng)，得到了6 種具有不同特性的爆轟傳播模式，即穩(wěn)定爆轟、帶有快速波動(dòng)的穩(wěn)定爆轟、結(jié)巴爆轟、帶有快速爆燃的結(jié)巴爆轟、快速爆燃、快速火焰模式。

盡管對(duì)于高摻氫燃料的爆轟特性目前已經(jīng)有了諸多研究，但是對(duì)較低摻氫比下甲烷/氧氣爆轟特性的研究卻略顯不足，還需要更進(jìn)一步的研究。因此，本文中在長(zhǎng)3 000 mm、管徑30 mm 的圓形半封閉管道中，對(duì)不同初壓下的CH4-2O2、6CH4-H2-12.5O2、3CH4-H2-6.5O2，摻氫比分別為0%、5.1%、9.5%等3 種預(yù)混合氣的爆轟特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，以期獲得摻氫比對(duì)甲烷-氧氣預(yù)混氣爆轟速度、火焰激波耦合過(guò)程、爆轟壓力、爆轟胞格尺寸的影響。

1 實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)工況

1.1 實(shí)驗(yàn)原理與方法

圖 1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 1 Experimental system

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1 所示，半封閉的激波管管徑為30 mm，長(zhǎng)度為3 000 mm，分兩段用法蘭拼接而成，每段1 500 mm，實(shí)驗(yàn)時(shí)開口端用0.1 mm 厚的鋁箔膠密封。整個(gè)系統(tǒng)由混氣裝置、爆轟管、點(diǎn)火系統(tǒng)、真空泵和測(cè)量系統(tǒng)組成?；鹧嫘盘?hào)由離子探針[16]來(lái)測(cè)量，壓力信號(hào)用PCB 壓力傳感器（113A22，頻響為500 kHz）采集。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為NIPXI21042Q系統(tǒng)。爆轟管上分別設(shè)置了8 個(gè)壓力傳感器和8 個(gè)離子探針，且壓力傳感器和離子探針設(shè)置在爆轟管同一截面上，每2 個(gè)壓力傳感器與離子探針間距皆為360 mm。同時(shí)以圓柱形管道的中軸線為橫軸，管道封閉端所處的位置為原點(diǎn)，規(guī)定自封閉端向右為正方向，以此建立坐標(biāo)系。

圖 2 點(diǎn)火系統(tǒng)等效R-L-C 電路[17]Fig. 2 An equivalent R-L-C circuit of the ignition system[17]

實(shí)驗(yàn)前先將甲烷、氧氣、氫氣采用道爾頓分壓法在混氣罐中混合，使各組分自由擴(kuò)散24 h，保證各組分能夠充分混合。每次充氣前將煙熏膜貼壁放入爆轟管末端，用0.1 mm 厚的鋁箔膠將開口端密封，隨后用真空泵將系統(tǒng)抽到100 Pa，然后將預(yù)混好的燃?xì)獬淙牍苤?，達(dá)到預(yù)期的初始?jí)毫Γ詈簏c(diǎn)火起爆。采用高頻高能的點(diǎn)火器進(jìn)行點(diǎn)火，點(diǎn)火系統(tǒng)等效電路[17]如圖2 所示，點(diǎn)火器輸出電壓為15 kV，電容為20 μF，放電能量為2.25 J，根據(jù)Lee 等[18]提出的1/4 周期放電能量理論，用于起爆的有效能量為0.562 5 J，遠(yuǎn)小于detonation database[19]中的臨界能量。起爆后將煙熏膜從爆轟管中取出，噴上定型劑，隨后采用掃描儀對(duì)煙熏膜上的胞格進(jìn)行記錄,并進(jìn)行數(shù)字化處理[20]。

1.2 氣體組分

本文中采用的實(shí)驗(yàn)氣體為CH4-2O2、6CH4-H2-12.5O2、3CH4-H2-6.5O2等3 種，當(dāng)量比為1，具體參數(shù)如表1 所示。

表 1 實(shí)驗(yàn)氣體組分Table 1 Experimental gas compositions

2 結(jié)果與討論

2.1 摻氫對(duì)火焰和激波耦合過(guò)程的影響

圖3 給出了CH4-2O2混合物在不同初始?jí)毫Γ╬0）下，激波和火焰觸發(fā)時(shí)間隨著距離的變化情況。橫坐標(biāo)表示離子探針或壓力傳感器的觸發(fā)時(shí)間，縱坐標(biāo)與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)坐標(biāo)系相同。曲線斜率表示激波或火焰的速度，曲線越陡，速度越高。如圖3(a)所示，在初始?jí)毫?0.5 kPa 時(shí)，起初激波位于火焰的前方，在360 mm 處火焰加速，以大于激波的速度向前傳播，在接近720 mm 處火焰超過(guò)激波，隨后激波開始急劇加速，在1 080 mm 處追趕上前方的火焰。隨后火焰和激波耦合到一起，形成穩(wěn)定的爆轟波，以一個(gè)較穩(wěn)定的速度傳播到管道出口。在初始?jí)毫?5.0 kPa 時(shí)，如圖3(b)所示，可以發(fā)現(xiàn)激波和火焰的位置波動(dòng)大幅增加，在720 mm 附近兩者的距離甚至比初始360 mm 附近的間距還大。在1 440 mm 處火焰與激波耦合但并未形成穩(wěn)定爆轟，直到1 800 mm 處才形成了穩(wěn)定的爆轟。這是因?yàn)殡S著初始?jí)毫Φ慕档?，預(yù)混氣的能量密度降低，起爆距離增大，爆轟強(qiáng)度下降。

圖4～5 分別給出了6CH4-H2-12.5O2、3CH4-H2-6.5O2兩種預(yù)混氣體，在初始?jí)毫?0.5 kPa 和15.0 kPa 的情況下，激波和火焰觸發(fā)時(shí)間隨距離的變化情況。通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)初始?jí)毫^高時(shí)（50.5 kPa），不同摻氫比下火焰和激波的耦合過(guò)程與CH4-2O2中火焰與激波的耦合過(guò)程非常相似，摻氫對(duì)火焰與激波的耦合過(guò)程影響較小。在初始?jí)毫^低時(shí)，如圖4(b)、5(b)所示，摻氫后火焰與激波的耦合過(guò)程發(fā)生了很大變化。以摻氫9.5%情況為例，在初始?jí)毫?5.0 kPa 時(shí)，在360 mm 前后，激波位于火焰前方，隨后激波和火焰同時(shí)加速且激波速度大于火焰速度，激波和火焰間距變大，在360～720 mm 間激波速度始終大于火焰速度，在720～1 080 mm 間激波速度發(fā)生衰減而火焰在反射激波和湍流反應(yīng)區(qū)的作用下速度增加，逐漸接近前方的激波，最終在1 080 mm 稍后的一段位置上火焰激波初步耦合到一起，隨后在1 440 mm 前后形成穩(wěn)定的爆轟波。由此可知，摻氫后可以促進(jìn)低初始?jí)毫η闆r下火焰與激波的耦合過(guò)程，加速爆轟的形成。

圖 3 CH4-2O2 激波與火焰的相互作用過(guò)程Fig. 3 Time evolution of shock-flame interaction for CH4-2O2

圖 4 6CH4-H2-12.5O2 激波與火焰的相互作用過(guò)程Fig. 4 Time evolution of shock-flame interaction for 6CH4-H2-12.5O2

圖 5 3CH4-H2-6.5O2 激波與火焰的相互作用過(guò)程Fig. 5 Time evolution of shock-flame interaction for 3CH4-H2-6.5O2

2.2 摻氫對(duì)爆轟波傳播速度的影響

圖6 給出了不同初壓下管道中不同位置處火焰?zhèn)鞑ニ俣扰cCJ(Chapman-Jouguet)速度(vCJ)的比值。傳播速度v 按照如下的方法獲得：假設(shè)n 和n+1 號(hào)離子探針感應(yīng)到信號(hào)的時(shí)間分別為tn和tn+1，兩者間隔距離X=360 mm，則傳火焰播速度：

以CH4-2O2在50.5 kPa 下的曲線為例（圖6(a)）可以看出，在初始位置即在360 mm 前后，電火花點(diǎn)燃預(yù)混氣形成緩燃波，以較低的速度向前傳播。在1 080 mm 前后壓縮波疊加形成激波，壓縮前方的未燃混合氣。激波撞擊到封閉端和壁面后發(fā)生反射，形成的反射激波再次作用于火焰，形成湍流反應(yīng)區(qū)加速火焰的傳播。在1 080～1 440 mm 之間湍流反應(yīng)區(qū)與激波的相互作用，形成熱點(diǎn)，熱點(diǎn)爆炸后形成過(guò)驅(qū)動(dòng)爆轟。此時(shí)v/vCJ在1.1 左右，隨后過(guò)驅(qū)動(dòng)爆轟逐漸衰減形成穩(wěn)定爆轟。傳至出口處時(shí)，出口處的薄膜在高壓的作用下破裂。受外界空間的影響在2 880 mm 前后，可以看到穩(wěn)定的爆轟波發(fā)生了略微的衰減，且初始?jí)毫υ降停p越明顯。這是因?yàn)椋S著初始?jí)毫Φ慕档?，爆轟波的強(qiáng)度下降，薄膜在爆轟波的作用下破裂后，爆轟波受到外界膨脹波的影響較大，從而發(fā)生較大的衰減。

圖 6 不同初壓下管道中各點(diǎn)火焰速度與CJ 速度的比值Fig. 6 Ratios of flame velocity to CJ velocity at each point in the pipeline under different initial pressures

觀察圖6 中3 種氣體在管道出口處的速度變化，可以發(fā)現(xiàn)摻氫可以顯著減少爆轟波在出口附近的衰減，降低出口附近的速度虧損，特別是對(duì)于低初始?jí)毫Φ那闆r更明顯。這是因?yàn)闅錃獾谋Z敏感性高于甲烷，隨著較高爆轟敏感性的氫氣摻入到較低爆轟敏感性的甲烷/氧氣混合氣中時(shí)，整個(gè)混合氣的爆轟敏感性增強(qiáng)，與未摻氫的情況相比，摻氫后高爆轟敏感性的氣體在管道出口附近爆轟不穩(wěn)定性更大，橫波運(yùn)動(dòng)更劇烈，受到膨脹波的影響較小，因而摻氫后出口附近爆轟強(qiáng)度衰減較少。

圖7 反映了3 種預(yù)混氣在不同初始?jí)毫ο卤Z波穩(wěn)定傳播的平均速度。從圖中可以看出3 種不同摻氫比下的爆轟穩(wěn)定傳播速度都隨著初始?jí)毫Φ慕档投粩嘞陆怠＿@是因?yàn)?，隨著初始?jí)毫Φ慕档?，爆轟誘導(dǎo)區(qū)長(zhǎng)度增加，邊界層擴(kuò)散導(dǎo)致的能量損失增大，爆轟的化學(xué)反應(yīng)變緩而導(dǎo)致傳播速度的下降[17]。

隨著摻氫比的提高，相同初始?jí)毫ο卤Z波的傳播速度增大，且摻氫越高，速度越大，其原因可以從CJ 理論的角度進(jìn)行解釋。依據(jù)CJ 理論，爆轟波的穩(wěn)定傳播速度D 可近似用下式來(lái)表示[21]：

圖 7 不同摻氫比下爆轟波穩(wěn)定傳播平均速度隨初壓的變化Fig. 7 Average velocity of steady propagation of detonation wave varying with initial pressure at different hydrogen-blending ratios

式中：k 為等熵指數(shù)，D 為爆轟波穩(wěn)定傳播速度（m/s），QV為單位質(zhì)量爆炸物的定容爆熱（kJ/kg）。QV可使用蓋斯定律[22]用下式計(jì)算：

式中：Q1,3為爆炸產(chǎn)物的生成熱之和，Q1,2為爆炸物的生成熱。依據(jù)式（1）、（2）可計(jì)算出CH4-2O2、6CH4-H2-12.5O2、3CH4-H2-6.5O2在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的QV分別為10 029.5、10 150、10 267 kJ/kg，可以發(fā)現(xiàn)在預(yù)混氣的定容爆熱隨著摻氫比的升高而增加，對(duì)于相同質(zhì)量的燃料，摻氫比越高，燃料發(fā)生爆轟時(shí)釋放的能量越大，爆轟波平均傳播速度越高。

2.3 摻氫對(duì)爆轟波壓力的影響

圖8 反映了在不同摻氫比、不同初始?jí)毫ο鹿艿乐胁煌恢锰幏逯祲毫Φ淖兓?。從圖中可以看出，隨著初始?jí)毫Φ慕档?，爆轟波峰值壓力最大值后移且數(shù)值降低，當(dāng)爆轟達(dá)到穩(wěn)定后，初始?jí)毫υ礁?，總體上各點(diǎn)峰值壓力也就越大。

圖 8 不同摻氫比、不同初始?jí)毫ο鹿艿乐懈鼽c(diǎn)壓力峰值的分布情況Fig. 8 Distribution of the pressure peak at each point in the pipeline under different hydrogen-blending ratios and different initial pressures

不同的是，當(dāng)摻氫比為9.5%時(shí)，在初始?jí)毫?0.0 kPa 情況下的爆轟波的峰值壓力高于初始?jí)毫?0.0 kPa 情況下的爆轟波的峰值壓力。這是因?yàn)?，摻氫濃度的增加使得預(yù)混氣體的爆轟不穩(wěn)定性增加：在高壓時(shí)，由于壓力較大使得摻氫濃度對(duì)爆轟不穩(wěn)定性的影響不明顯，因而整個(gè)曲線的發(fā)展趨勢(shì)和之前的CH4-2O2、摻氫比為5.1%的情況相比變化不明顯；在低壓時(shí)，由于邊界條件影響較大，使得摻氫對(duì)壓力的影響仍然不明顯；在中壓時(shí)，由于初始?jí)毫瓦吔鐥l件的影響都不是很突出，因而摻氫濃度對(duì)整個(gè)壓力變化的影響能夠顯現(xiàn)出來(lái)，出現(xiàn)壓力升高、過(guò)爆壓力反而降低的不穩(wěn)定現(xiàn)象。

2.4 摻氫對(duì)爆轟胞格的影響

圖9～11 為3 種預(yù)混氣體在不同初始?jí)毫ο碌陌窠Y(jié)構(gòu)?？梢园l(fā)現(xiàn)，對(duì)于同一種氣體，隨著初始?jí)毫Φ纳?，胞格尺寸降低，胞格的分布也更?xì)密。在初始?jí)毫?0.0 kPa 時(shí)，3 種氣體皆為雙頭爆轟，胞格結(jié)構(gòu)較規(guī)則，橫波間距較統(tǒng)一。隨著初始?jí)毫Φ纳?，開始逐漸產(chǎn)生子胞格，形成多頭爆轟，胞格不規(guī)則性增加。這是因?yàn)?，隨著初始?jí)毫Φ纳撸琙ND (Zeldovich-Neumann-D?ring)誘導(dǎo)區(qū)長(zhǎng)度降低，爆轟敏感性提高。

觀察圖9、圖10 可以發(fā)現(xiàn)，在較高的初始?jí)毫ο拢?0.0、40.0 kPa），爆轟胞格尺寸隨著摻氫比的升高而不斷降低，同時(shí)在主胞格中出現(xiàn)了橫波的分叉與交匯現(xiàn)象，形成了精細(xì)的次生胞格。這表明，氫氣的摻入可以有效降低爆轟ZND 誘導(dǎo)區(qū)長(zhǎng)度，且隨著氫氣的摻入，爆轟波在傳播的過(guò)程中橫波不斷的發(fā)生衰減和加速，波系結(jié)構(gòu)變得更不規(guī)則，爆轟不穩(wěn)定性提高，橫波分叉產(chǎn)生橫向爆轟（transverse detonation）,在主胞格內(nèi)產(chǎn)生次生的小胞格。與高壓的情況不同，在初始?jí)毫^低時(shí)（20.0 kPa，圖8），隨著摻氫比的升高，胞格并無(wú)明顯變化，也未產(chǎn)生子胞格，仍然以雙頭爆轟的形式進(jìn)行傳播。這是因?yàn)椋M管氫氣的摻入可以提高爆轟的不穩(wěn)定性，但其提高的幅度有限，當(dāng)初始?jí)毫^低時(shí)，氣體的爆轟敏感性較低，且受壁面邊界層影響較大，使得氫氣的摻入對(duì)爆轟的影響并不明顯。

通過(guò)測(cè)量煙膜上爆轟胞格中相鄰的橫波族的間距，可以得到3 種預(yù)混氣形成的爆轟胞格尺寸λ 隨初始?jí)毫Φ淖兓⒁罁?jù)Gao 等[23]提出的公式λ=C（p0/kPa）?b進(jìn)行擬合，如圖12 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，3 種預(yù)混氣體的胞格尺寸均隨著初始?jí)毫Φ纳叨鴾p小。這是因?yàn)椋跏級(jí)毫υ礁?，爆轟敏感性越高，胞格尺寸越小。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，氫氣的摻入可有效降低胞格尺寸，且摻氫比越高胞格尺寸越小。不同摻氫比下爆轟胞格與初始?jí)毫Φ淖兓P(guān)系式參數(shù)如表2 所示。

圖 9 初始?jí)毫?0.0 kPa 時(shí)3 種氣體的胞格結(jié)構(gòu)Fig. 9 Cellular structures of three gases at the initial pressure of 20.0 kPa

圖 10 初始?jí)毫?0.0 kPa 時(shí)3 種氣體的胞格結(jié)構(gòu)Fig. 10 Cellular structures of three gases at the initial pressure of 30.0 kPa

圖 11 初始?jí)毫?0.0 kPa 時(shí)3 種氣體的胞格結(jié)構(gòu)Fig. 11 Cellular structures of three gases at the initial pressure of 40.0 kPa

圖 12 不同摻氫比下胞格尺寸隨初始?jí)毫Φ淖兓疐ig. 12 Change of cell size with initial pressure at different hydrogen-blending ratios

表 2 爆轟胞格尺寸 λ 與初始?jí)毫0 之間的擬合關(guān)系參數(shù)Table 2 Parameters for fitting relationship between detonation cell size λ and initial pressure p0

3 結(jié) 論

在長(zhǎng)3 000 mm、管徑30 mm 的圓形半封閉管道中，對(duì)不同初壓下的CH4-2O2、6CH4-H2-12.5O2、3CH4-H2-6.5O2（摻氫比分別為0%、5.1%、9.5%）3 種混合氣體進(jìn)行一系列的爆轟實(shí)驗(yàn)，得到了以下結(jié)論：

（1）氫氣的摻入可以有效促進(jìn)低初始?jí)毫η闆r下火焰和激波的耦合過(guò)程，加速起爆。

（2）摻氫可以顯著減少爆轟波在出口附近的衰減，降低出口附近的速度虧損，特別是對(duì)于低初始?jí)毫Φ那闆r更明顯。

（3）預(yù)混氣的定容爆熱隨著摻氫比的升高而增加，對(duì)于相同質(zhì)量的燃料，摻氫比越高，燃料產(chǎn)生爆轟時(shí)釋放的能量越大，爆轟波平均傳播速度越高。

（4）氫氣的摻入可有效提高CH4爆轟敏感性，降低胞格尺寸，且摻氫比越高，胞格尺寸越小。同時(shí)得到了不同摻氫比下，爆轟胞格與初始?jí)毫Φ淖兓P(guān)系式。