劉二偉，徐勝利

（1. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系，安徽 合肥 230026；2. 清華大學(xué)航天航空學(xué)院，北京 100084）

燃料點(diǎn)火延時(shí)（ Δt ）是驗(yàn)證化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理的重要數(shù)據(jù)之一。點(diǎn)火準(zhǔn)則本質(zhì)是根據(jù)所選物理量變化值（Δq）或時(shí)間變化率（Δq/Δt ）判斷燃料/氧化劑自點(diǎn)火是否發(fā)生的判據(jù)。當(dāng)指定點(diǎn)火準(zhǔn)則，點(diǎn)火延時(shí)對(duì)應(yīng)點(diǎn)火起始和結(jié)束時(shí)刻的時(shí)間差[1]。點(diǎn)火準(zhǔn)則所選定的物理量包括壓力、溫度和組元分子數(shù)密度等，最常用的物理量是和光強(qiáng)對(duì)應(yīng)的組元的分子數(shù)密度。在點(diǎn)火階段的基元反應(yīng)中，自由基的分子數(shù)密度隨時(shí)間增大而增大，對(duì)應(yīng)特征發(fā)射（或吸收）光強(qiáng)也隨時(shí)間增大。在激波管點(diǎn)火延時(shí)測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，通常選擇自由基特征發(fā)射（或吸收）光強(qiáng)隨時(shí)間變化歷程的拐點(diǎn)或峰值等特征作為判斷點(diǎn)火發(fā)生的依據(jù)。顯然，當(dāng)燃料、稀釋氣體和壓力、溫度、當(dāng)量比等參數(shù)相同，選擇不同自由基作為判斷依據(jù)，其光強(qiáng)隨時(shí)間變化歷程也存在差別，對(duì)應(yīng)點(diǎn)火延時(shí)也不相同。不同文獻(xiàn)也會(huì)選擇不同自由基特征光譜作為點(diǎn)火準(zhǔn)則，如·OH 和·CH[2-3]、CO2[4]或NO[5]。因此，有必要研究不同點(diǎn)火準(zhǔn)則對(duì)燃料點(diǎn)火延時(shí)的影響。

點(diǎn)火基元反應(yīng)是燃燒化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理的重要部分，和燃燒環(huán)境氣體密切相關(guān)。在通常燃燒溫度范圍內(nèi)，稀釋氣體（如空氣中的氮?dú)猓┳鳛槎栊詺怏w，也稱浴氣，不參與燃燒反應(yīng)，但會(huì)影響燃料和氧化劑有效碰撞效率（即第三體系數(shù)），從而影響燃燒反應(yīng)速率。激波管點(diǎn)火延時(shí)測(cè)量通常采用氬氣或氮?dú)庾鳛橄♂寶怏w。相對(duì)來(lái)說(shuō)，氬氣可改善激波管流場(chǎng)品質(zhì)，減小入射激波引起的邊界層厚度，降低反射激波和邊界層相互作用，同時(shí)氬氣達(dá)到熱力學(xué)平衡的特征時(shí)間也較小。但對(duì)空氣中的燃燒，如吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)等，氮?dú)鉃橄♂寶怏w，測(cè)量氮?dú)猸h(huán)境的燃料點(diǎn)火延時(shí)更具實(shí)際意義。因此，有必要評(píng)估不同稀釋氣體對(duì)點(diǎn)火延時(shí)的影響。

乙烯是高碳數(shù)碳?xì)淙剂洗呋呀猱a(chǎn)物之一，分子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并包含不飽和鍵（C=C 鍵），是研究碳?xì)淙剂宵c(diǎn)火延時(shí)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理的常用氣體燃料[6]，已有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)涵蓋參數(shù)范圍較廣。針對(duì)當(dāng)量比0.13～2、乙烯的摩爾分?jǐn)?shù)為0.25%～2%、壓力0.3～1.2 MPa、溫度1 050～1 550 K，Barker 等[7]測(cè)量了乙烯/氧氣/氬氣點(diǎn)火延時(shí)。針對(duì)溫度800～1 400 K，Suzuki 等[8]測(cè)量了乙烯/氧氣/氬氣點(diǎn)火延時(shí)，發(fā)現(xiàn)高溫和低溫燃燒反應(yīng)活化能不同。針對(duì)當(dāng)量比1.0、稀釋氣體的摩爾分?jǐn)?shù)為75%和96%、壓力0.13～0.5 MPa、溫度1 073～2 211 K，Brown 等[9]測(cè)量了乙烯/氧氣/氬氣和乙烯/氧氣/氮?dú)恻c(diǎn)火延時(shí)，分析了不同稀釋氣體對(duì)乙烯點(diǎn)火延時(shí)的影響，還研究了乙烯點(diǎn)火過(guò)程的爆燃轉(zhuǎn)爆轟（deflagration to detonation transition，DDT）現(xiàn)象。針對(duì)當(dāng)量比1 和1.5、壓力0.2～0.6 MPa、溫度800～1 620 K，Cadman 等[10]測(cè)量了乙烯/氧氣/氮?dú)恻c(diǎn)火延時(shí)。針對(duì)當(dāng)量比1 和3、稀釋氣體的摩爾分?jǐn)?shù)為93%～98%、壓力0.2～1.8 MPa、溫度1 000～1 650 K，Saxena 等[11]測(cè)量了乙烯/氧氣/氬氣點(diǎn)火延時(shí)，得到了適用范圍較寬的乙烯點(diǎn)火延時(shí)擬合公式。胡宏浩等[6,12]和Deng 等[13]考察了污染物H2O、CO2和N2O 等對(duì)乙烯點(diǎn)火延時(shí)的影響，并比較了不同化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理的預(yù)測(cè)結(jié)果。

本文選擇乙烯作為驗(yàn)證燃料，便于點(diǎn)火延時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證激波管實(shí)驗(yàn)方法和測(cè)量精度，研究基于壓力、總自發(fā)光、·OH 和·CH 自發(fā)光強(qiáng)等物理量得到的點(diǎn)火延時(shí)差別，最后考察稀釋氣體氮?dú)夂蜌鍤鈱?duì)乙烯點(diǎn)火延時(shí)的影響，為不同實(shí)驗(yàn)條件下點(diǎn)火延時(shí)對(duì)比提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)量方法

圖1 激波管和氣路系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Sketch of shock tube and gas distribution

1.1 激波管

圖1 給出矩形激波管和氣路系統(tǒng)示意圖，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[14]。激波管高、低壓段長(zhǎng)度分別為2.0、2.6 m，內(nèi)截面尺寸為130 mm（高）×80 mm（寬），內(nèi)壁圓弧倒角半徑為10 mm。低壓段末端裝有120 mm（長(zhǎng)）×80 mm（寬）的熔融石英（紫外級(jí)JGS1，透射波段185～2 500 nm）玻璃視窗，視窗右側(cè)和反射端面重合。夾膜段采用彈簧驅(qū)動(dòng)針刺破膜方式，膜片采用厚度100 μm 的雙向拉伸聚丙烯（biaxially oriented polypropylene，BOPP）薄膜。激波管各部分之間連接氣路由球閥控制開(kāi)閉。

高壓段充入氦氣/氮?dú)饣旌蠚怏w，采用精密數(shù)字壓力變送器（量程0～1 MPa，精度0.05%）測(cè)量驅(qū)動(dòng)氣體壓力。低壓段充入化學(xué)計(jì)量比的乙烯/氧氣/氮?dú)饣蛞蚁?氧氣/氦氣預(yù)混氣，采用電容薄膜式真空計(jì)（量程0～10 kPa，精度1 Pa）測(cè)量實(shí)驗(yàn)氣體壓力。采用3 個(gè)壓電傳感器（PCB pressure transducer，記為PCB1、PCB2 和PCB3）測(cè)量當(dāng)?shù)貕毫π盘?hào)。氦氣、氮?dú)?、乙烯和稀釋氣體等采用純度99.999%的高壓氣源。配制預(yù)混氣的稀釋氣體（氧氣/氮?dú)饣蜓鯕?氬氣）摩爾比均為0.21∶0.79。根據(jù)Dalton 分壓定律，預(yù)混氣在容積約0.29 m3的混氣罐中配置，然后靜置12 h 以混合均勻。真空泵組由旋片泵和羅茨泵組成，激波管極限真空余壓約60 Pa，漏氣速率約10 Pa/min。

1.2 測(cè)量系統(tǒng)

圖2 給出點(diǎn)火延時(shí)測(cè)量系統(tǒng)示意圖。PCB1、PCB2、PCB3 和低壓段反射端面距離分別為672、237 和20 mm。傳感器輸出電信號(hào)經(jīng)電荷放大器放大后送入示波器，得到測(cè)點(diǎn)壓力時(shí)間曲線。點(diǎn)火自發(fā)光信號(hào)經(jīng)光纖（波長(zhǎng)范圍200～1 100 nm，芯徑0.6 mm）傳輸至側(cè)窗型光電倍增管（photomultiplier tube，記為PMT1 和PMT2，波長(zhǎng)范圍180 ～900 nm），轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)再送入示波器，得到總自發(fā)光強(qiáng)時(shí)間曲線。類似地，自發(fā)光經(jīng)入口狹縫（14 mm×3 mm）進(jìn)入光譜儀（波長(zhǎng)范圍190 nm～10 μm，分辨率0.03 nm），再經(jīng)光柵（6 00l/mm）分光，根據(jù)自由基特征發(fā)射光譜選擇特定波長(zhǎng)范圍輸出，經(jīng)半透半反鏡片反射到另一個(gè)光電倍增管，得到·OH 或·CH 自由基自發(fā)光強(qiáng)時(shí)間曲線。其中，針對(duì)·OH 自由基，光譜儀波長(zhǎng)范圍設(shè)置為291～320 nm，采集波長(zhǎng)307 nm 的熒光；針對(duì)·CH 自由基，光譜儀波長(zhǎng)范圍設(shè)置為415～443 nm，采集波長(zhǎng)431 nm 的熒光。

圖2 點(diǎn)火延時(shí)測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig. 2 Sketch of ignition delay measurement system

要說(shuō)明的是：光纖直徑和入口狹縫尺寸不同，但兩者和反射端面的距離相同（20 mm），考慮到火焰自發(fā)光主要分布于觀察窗中心流場(chǎng)，即光纖和入口狹縫測(cè)量區(qū)域的重疊區(qū)域，因此，不同進(jìn)光通量會(huì)造成PMT1 和PMT2 測(cè)量信號(hào)幅值存在量級(jí)差別，但不會(huì)影響確定點(diǎn)火延時(shí)的時(shí)間判讀。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 點(diǎn)火延時(shí)定義

根據(jù)圖2 測(cè)量系統(tǒng)，在點(diǎn)火延時(shí)測(cè)點(diǎn)處，通過(guò)PCB3、PMT1 和PMT2 等測(cè)量設(shè)備，每次實(shí)驗(yàn)可得到壓力、總自發(fā)光和·OH（或·CH）自由基自發(fā)光等信號(hào)對(duì)應(yīng)的電壓時(shí)間曲線。圖3 給出激波管點(diǎn)火延時(shí)測(cè)量實(shí)驗(yàn)得到的典型信號(hào)時(shí)間曲線。圖3 表明：入射激波和反射激波先后到達(dá)PCB3 測(cè)點(diǎn)，依次出現(xiàn)入射激波后2 區(qū)和反射激波后5 區(qū)的壓力平臺(tái)，5 區(qū)流場(chǎng)即為自點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)流場(chǎng)。從圖3 看出，5 區(qū)壓力平臺(tái)波動(dòng)較小，表明已建立靜止均勻流場(chǎng)。反射激波到達(dá)測(cè)點(diǎn)后約1.3 ms，·OH 自發(fā)光信號(hào)顯著增大，表明大量生成·OH 自由基。對(duì)應(yīng)地，總自發(fā)光信號(hào)先緩慢上升，持續(xù)約0.3 ms 后快速增大。和·OH 自發(fā)光信號(hào)相比，總自發(fā)光信號(hào)起始點(diǎn)更早，但峰值滯后。原因是總自發(fā)光包含·OH、·CH 等所有自由基發(fā)射光以及高溫光輻射。當(dāng)·OH 自發(fā)光信號(hào)達(dá)到峰值，總自發(fā)光信號(hào)仍持續(xù)增大。同樣地，點(diǎn)火燃燒使壓力信號(hào)產(chǎn)生第3 次上升，但其峰值滯后總自發(fā)光和·OH 自發(fā)光信號(hào)，表明點(diǎn)火階段后的燃燒基元反應(yīng)釋放熱量導(dǎo)致當(dāng)?shù)貕毫ι仙?。以熱量釋放為特征的燃燒階段發(fā)生在點(diǎn)火結(jié)束后，局部溫度急劇上升（也稱局部爆炸）導(dǎo)致當(dāng)?shù)貕毫ι仙霈F(xiàn)向周圍傳播的當(dāng)?shù)丶げ?。?dāng)?shù)丶げㄔ诜瓷浼げ嚸婧头瓷涠嗣嬷g不斷反射，導(dǎo)致壓力信號(hào)后期出現(xiàn)周期性振蕩，但無(wú)法區(qū)分為PCB3 測(cè)點(diǎn)處還是下游火焰面局部爆炸產(chǎn)生的當(dāng)?shù)丶げā?/p>

要說(shuō)明的是：為提高信噪比，測(cè)量總自發(fā)光和·OH 自發(fā)光信號(hào)的光電倍增管分別采用-500 V和-800 V偏置電壓，同時(shí)圖3 還采用不同顯示量程，實(shí)際上，·OH（以及·CH）自發(fā)光信號(hào)電壓幅值遠(yuǎn)小于總自發(fā)光信號(hào)。

圖3 點(diǎn)火延時(shí)定義示意圖Fig. 3 Definition of ignition delay

2.2 點(diǎn)火延時(shí)重復(fù)性

表1 乙烯/氧氣/氬氣點(diǎn)火延時(shí)重復(fù)性Table 1 Repeatability of ignition delay of C2H4/O2/Ar

2.3 點(diǎn)火準(zhǔn)則影響

圖4 總自發(fā)光、·OH 和·CH 自發(fā)光等信號(hào)時(shí)間曲線對(duì)比Fig. 4 Histories of light intensity of emission, ·OH and ·CH radicals

綜上所述，壓力、總自發(fā)光和·OH（或·CH）自發(fā)光等信號(hào)幅值在點(diǎn)火階段顯著增大，均可作為點(diǎn)火準(zhǔn)則判斷點(diǎn)火發(fā)生和結(jié)束，不同點(diǎn)火準(zhǔn)則得到的點(diǎn)火延時(shí)有所差別?？紤]到激波管流場(chǎng)波系較復(fù)雜，導(dǎo)致壓力信號(hào)波動(dòng)較多，同時(shí)高溫工況下壓力信號(hào)難以區(qū)分反射激波和火焰，因此，壓力信號(hào)不適合作為點(diǎn)火準(zhǔn)則。相對(duì)而言，總自發(fā)光信號(hào)信噪比較高，曲線特征相對(duì)簡(jiǎn)單，但上升時(shí)間較長(zhǎng)，包含高溫光輻射，也不適合作為點(diǎn)火準(zhǔn)則?！H 和·CH 自發(fā)光信號(hào)上升時(shí)間短，響應(yīng)速度快，易于驗(yàn)證化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，較適合作為點(diǎn)火準(zhǔn)則。

圖5 不同點(diǎn)火準(zhǔn)則得到的乙烯/氧氣/氮?dú)恻c(diǎn)火延時(shí)以及和文獻(xiàn)[15]數(shù)據(jù)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理[16-18]計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig. 5 Ignition delays of C2H4/O2/N2 at different criteria compared with data from reference [15] and results of chemical kinetics mechanism[16-18]

鑒于單次激波管實(shí)驗(yàn)測(cè)得點(diǎn)火延時(shí)偏差較大，應(yīng)以多次測(cè)量結(jié)果分布確定燃料點(diǎn)火延時(shí)變化規(guī)律。針對(duì)當(dāng)量比為1.0，p5為0.2 MPa，測(cè)量T5為1 143～1 489 K 的乙烯/氧氣/氮?dú)恻c(diǎn)火延時(shí)，圖5 比較了本文所測(cè)點(diǎn)火延時(shí)和文獻(xiàn)[15]數(shù)據(jù)，并分別選取3 種反應(yīng)機(jī)理[16-18]（依次記為機(jī)理1、機(jī)理2 和機(jī)理3），采用Chemkin 軟件閉式均勻序列反應(yīng)器（closed homogeneous batch reactor）模型，取燃燒溫度最大值作為點(diǎn)火結(jié)束時(shí)刻，計(jì)算乙烯點(diǎn)火延時(shí)，結(jié)果如圖5 所示。圖5 表明：當(dāng)壓力、溫度和當(dāng)量比相同，本文得到的點(diǎn)火延時(shí)數(shù)據(jù)和Penyazkov 等[15]測(cè)得數(shù)據(jù)較接近，這表明本文實(shí)驗(yàn)和測(cè)量方法是可靠的。比較不同點(diǎn)火準(zhǔn)則對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火延時(shí)數(shù)據(jù)，可以看到相同工況下單次實(shí)驗(yàn)測(cè)得點(diǎn)火延時(shí)存在差別，但由多次測(cè)量數(shù)據(jù)得到的點(diǎn)火延時(shí)變化規(guī)律幾乎相同。不同點(diǎn)火準(zhǔn)則對(duì)應(yīng)點(diǎn)火延時(shí)的擬合直線在高溫區(qū)更接近，在低溫區(qū)則偏差較大。圖5 還表明：針對(duì)乙烯/氧氣/氮?dú)?，點(diǎn)火延時(shí)的對(duì)數(shù)值隨溫度近似呈線性變化，并隨溫度升高而急劇下降。不同反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理得到的點(diǎn)火延時(shí)計(jì)算結(jié)果差別也較大。在高溫（＞1 450 K）區(qū)，機(jī)理2 計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好，但隨著溫度降低，兩者差別也變大。當(dāng)溫度范圍為1 350～1 450 K，機(jī)理3 計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好。隨著溫度降低，機(jī)理2 和機(jī)理3 計(jì)算結(jié)果互相趨近，但都和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)差別增大。機(jī)理1 計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)差別較大，兩者在中間溫度（約1 300 K）相差約5 倍，但在高溫和低溫區(qū)互相接近。

將擬合直線轉(zhuǎn)化為Arrhenius 形式表達(dá)式，結(jié)果如下：

指前因子和活化能近似相等，決定系數(shù)（R2）都較高。與前兩者相比， Δ t3指前因子偏小，活化能偏大，決定系數(shù)偏低。

2.4 稀釋氣體影響

激波管點(diǎn)火延時(shí)測(cè)量通常采用氮?dú)饣驓鍤庾鳛橄♂寶怏w。從化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理看，稀釋氣體為惰性氣體，不參與點(diǎn)火和燃燒化學(xué)反應(yīng)。但是，改變稀釋氣體和燃料/氧化劑混合比例，會(huì)改變分子間無(wú)效碰撞效率，影響燃料/氧化劑化學(xué)反應(yīng)速率。已有文獻(xiàn)[2-5]點(diǎn)火延時(shí)測(cè)量研究大都采用氬氣作為稀釋氣體。和氮?dú)庀啾龋捎脷鍤饩哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：（1）氬氣比氮?dú)飧菀走_(dá)到熱力學(xué)平衡。氬氣是單原子分子，達(dá)到振動(dòng)熱力學(xué)平衡特征時(shí)間短。氮?dú)馐请p原子分子，達(dá)到振動(dòng)熱力學(xué)平衡特征時(shí)間較長(zhǎng)。當(dāng)?shù)獨(dú)庹駝?dòng)平衡特征時(shí)間大于或等于點(diǎn)火延時(shí)，稀釋氣體和燃料/氧化劑的混合物未達(dá)到熱力學(xué)平衡，這會(huì)影響點(diǎn)火階段和溫度相關(guān)的基元反應(yīng)速率，從而導(dǎo)致點(diǎn)火延時(shí)出現(xiàn)誤差。（2）氬氣可抑制激波和邊界層相互作用。入射激波誘導(dǎo)的邊界層和反射激波相互作用，導(dǎo)致反射激波在壁面附近分叉，出現(xiàn)“λ”波，使平面反射激波產(chǎn)生的單次壓力躍遷變?yōu)閮纱螇毫S遷，稀釋氣體為氮?dú)鈺r(shí)較明顯，如圖6(a)所示。當(dāng)T5越高，對(duì)應(yīng)Ms也越大，低壓段初始狀態(tài)1 區(qū)氣體密度越低，導(dǎo)致入射激波后2 區(qū)邊界層顯著增厚，激波分叉現(xiàn)象變得嚴(yán)重，壁面附近的分叉激波兩次溫升小于平面激波單次溫升，從而影響點(diǎn)火延時(shí)測(cè)量精度。另外，對(duì)高溫工況，燃料在近壁面區(qū)第1 道分叉激波下游已開(kāi)始預(yù)反應(yīng)，點(diǎn)火起始時(shí)刻是從壓力時(shí)間曲線中反射激波到達(dá)壁面測(cè)點(diǎn)開(kāi)始，而分叉激波會(huì)造成點(diǎn)火起始時(shí)刻判讀誤差。和氮?dú)庀啾?，氬氣相?duì)分子量較大，對(duì)應(yīng)的混合物密度較大，則對(duì)應(yīng)邊界層厚度較小。因此，氬氣可抑制激波分叉，優(yōu)化5 區(qū)流場(chǎng)均勻性，如圖6(b)所示。采用氬氣作為稀釋氣體，更適合點(diǎn)火延時(shí)測(cè)量研究和化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理驗(yàn)證。

針對(duì)原分子層次的基元反應(yīng)，稀釋氣體表現(xiàn)為和壓力溫度相關(guān)、影響基元反應(yīng)速率常數(shù)的第三體系數(shù)，這就和燃料化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理的骨架基元反應(yīng)密切相關(guān)。此外，根據(jù)多組元局部熱力學(xué)平衡假設(shè)，稀釋氣體會(huì)影響混合物的焓和比熱，導(dǎo)致點(diǎn)火延時(shí)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生偏差。已有文獻(xiàn)[9, 19-20]研究不同稀釋氣體對(duì)點(diǎn)火延時(shí)的影響。Davidson 等[19]得到稀釋氣體為氬氣和氮?dú)獾亩喾N燃料點(diǎn)火延時(shí)。結(jié)果表明：相同條件下，和氬氣相比，氮?dú)馐请p原子分子且熱容更大，對(duì)應(yīng)的T5變低，化學(xué)反應(yīng)速率變慢、燃料點(diǎn)火延時(shí)增大。Wurmel 等[20]認(rèn)為：當(dāng)氬氣和氮?dú)饽柗謹(jǐn)?shù)小于74%，混合物熱容隨氧化劑和異辛烷摩爾分?jǐn)?shù)增大而增大，稀釋氣體對(duì)點(diǎn)火延時(shí)影響變?nèi)?，氮?dú)夂蜌鍤獾玫降狞c(diǎn)火延時(shí)近似相同。Brown 等[9]發(fā)現(xiàn)：當(dāng)其他參數(shù)相同，氮?dú)夂蜌鍤饽柗謹(jǐn)?shù)為75%，乙烯/氧氣/氮?dú)恻c(diǎn)火延時(shí)略小于乙烯/氧氣/氬氣點(diǎn)火延時(shí)，而丙烷/氧氣/氮?dú)恻c(diǎn)火延時(shí)和丙烷/氧氣/氬氣點(diǎn)火延時(shí)近似相同。綜合上述文獻(xiàn)可知，稀釋氣體對(duì)不同燃料點(diǎn)火延時(shí)的影響尚無(wú)一致結(jié)論。

圖6 不同稀釋氣體對(duì)激波分叉現(xiàn)象的影響Fig. 6 Impacts on shock bifurcation induced by dilute gases N2 and Ar

針對(duì)當(dāng)量比為1.0，p5為0.2 MPa，本文測(cè)量T5為905～1 437 K 的乙烯/氧氣/氬氣點(diǎn)火延時(shí)。圖7比較了乙烯/氧氣/氮?dú)夂鸵蚁?氧氣/氬氣點(diǎn)火延時(shí)。圖7 表明：當(dāng)溫度、壓力和當(dāng)量比相同，乙烯/氧氣/氮?dú)恻c(diǎn)火延時(shí)普遍大于乙烯/氧氣/氬氣點(diǎn)火延時(shí)，這和Davidson 等[19]得到的結(jié)論是一致的。

從圖7 看出，當(dāng)稀釋氣體為氬氣，高溫區(qū)和低溫區(qū)點(diǎn)火延時(shí)擬合直線斜率不同，即對(duì)應(yīng)不同的活化能，其Arrhenius 形式表達(dá)式為

當(dāng) T5≤1 121 K ：

當(dāng) T5＞1 121 K ：

方程(4)和(5)表明：當(dāng)T5≤1121 K，稀釋氣體為氮?dú)夂蜌鍤鈺r(shí)，對(duì)應(yīng)的活化能近似相同。當(dāng)T5＞1 121 K，稀釋氣體為氬氣時(shí)，對(duì)應(yīng)的活化能顯著減小。原因可能是：高溫點(diǎn)火以氧化反應(yīng)為主，低溫點(diǎn)火以具有多個(gè)并行競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)通道特征的裂解反應(yīng)為主，主導(dǎo)基元反應(yīng)的機(jī)制不同，導(dǎo)致不同T5對(duì)應(yīng)不同的活化能。Suzuki 等[8]在乙烯點(diǎn)火延時(shí)測(cè)量實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)乙烯在低溫區(qū)和高溫區(qū)存在不同的點(diǎn)火活化能，其轉(zhuǎn)折溫度約1 100 K，這和本文得到的轉(zhuǎn)折溫度是接近的。

針對(duì)乙烯/氧氣/氬氣，圖8 比較了本文測(cè)得點(diǎn)火延時(shí)、文獻(xiàn)[6]數(shù)據(jù)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理計(jì)算結(jié)果。圖8表明：在高溫區(qū)（＞1 200 K），本文測(cè)得點(diǎn)火延時(shí)和文獻(xiàn)[6]數(shù)據(jù)偏差較小。隨著溫度降低，兩者互相趨近。在轉(zhuǎn)折溫度（1 121 K）附近，兩者近似相同。在低溫區(qū)（＜1 100 K），兩者偏差增大。由于圖8 顯示的是點(diǎn)火延時(shí)的對(duì)數(shù)，就點(diǎn)火延時(shí)而言，低溫區(qū)兩者偏差不大。原因可能是：(1) 激波管構(gòu)型的影響。本文采用截面尺寸為130 mm×80 mm 的矩形激波管，而文獻(xiàn)[6]采用直徑100 mm 的圓形截面激波管。從流動(dòng)角度看，矩形激波管的反射激波和邊界層相互作用更復(fù)雜。隨溫度增大，入射激波馬赫數(shù)增大，邊界層厚度增大，相鄰截面的非均勻邊界層也要發(fā)生相互作用，更加劇了5 區(qū)流場(chǎng)非均勻性，增強(qiáng)湍流和燃燒相互作用，導(dǎo)致高溫區(qū)本文點(diǎn)火延時(shí)減小。(2) 低壓段初始溫度的影響。不同初始溫度對(duì)乙烯燃燒轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程有較大影響[6]，初始溫度越高，高溫區(qū)點(diǎn)火延時(shí)越小。

圖7 乙烯/氧氣/氮?dú)夂鸵蚁?氧氣/氬氣點(diǎn)火延時(shí)對(duì)比Fig. 7 Comparison of ignition delays between mixtures of C2H4/O2/N2 and C2H4/O2/Ar

圖8 乙烯/氧氣/氬氣點(diǎn)火延時(shí)和文獻(xiàn)[6]數(shù)據(jù)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig. 8 Comparison of ignition delay of C2H4/O2/Ar among this study, reference [6] and chemical kinetics

針對(duì)乙烯/氧氣/氬氣，比較各機(jī)理計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：當(dāng)點(diǎn)火溫度大于轉(zhuǎn)折溫度，機(jī)理1 計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差較小，機(jī)理3 計(jì)算結(jié)果則偏差較大。在轉(zhuǎn)折溫度附近，3 種機(jī)理計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好。隨著點(diǎn)火溫度降低，機(jī)理2 計(jì)算結(jié)果偏差減小，而機(jī)理1 計(jì)算結(jié)果偏差增大。綜合乙烯/氧氣/氮?dú)夂鸵蚁?氧氣/氬氣點(diǎn)火延時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和機(jī)理計(jì)算結(jié)果來(lái)看，機(jī)理2 較適合用于計(jì)算乙烯點(diǎn)火延時(shí)。

3 結(jié) 論

在矩形截面激波管中，針對(duì)不同點(diǎn)火準(zhǔn)則（總自發(fā)光、·OH 和·CH 自發(fā)光等信號(hào)）和不同稀釋氣體（氬氣和氮?dú)猓瑴y(cè)量了當(dāng)量比1.0、壓力0.2 MPa 和溫度905～1 489 K 條件下乙烯點(diǎn)火延時(shí)。通過(guò)比較不同工況點(diǎn)火延時(shí)數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論：

（1）重復(fù)工況的入射激波馬赫數(shù)以及反射激波后氣流壓力和溫度偏差小于3%，得到的乙烯點(diǎn)火延時(shí)相對(duì)誤差約為15%，主要原因是“靜止”點(diǎn)火區(qū)仍屬于非定常湍流燃燒。

（2）選擇總自發(fā)光、·OH 和·CH 自發(fā)光等信號(hào)判斷燃料自點(diǎn)火，對(duì)應(yīng)點(diǎn)火延時(shí)在單次實(shí)驗(yàn)測(cè)量中存在偏差，但由多次測(cè)量數(shù)據(jù)擬合得到的點(diǎn)火延時(shí)變化規(guī)律近似相同。

（3）當(dāng)其他參數(shù)相同，乙烯/氧氣/氮?dú)恻c(diǎn)火延時(shí)普遍大于乙烯/氧氣/氬氣點(diǎn)火延時(shí)。針對(duì)乙烯/氧氣/氬氣，在高溫區(qū)和低溫區(qū)的點(diǎn)火延時(shí)與溫度擬合直線為分段線性，即具有不同的活化能，轉(zhuǎn)折溫度約為1 121 K。