王美琪，陳 雷，曾 文，楊 昆，馬洪安，裴 歡

(沈陽航空航天大學 遼寧省航空推進系統(tǒng)先進測試技術(shù)重點實驗室，沈陽 110136)

甲烷是自然界中分布最廣、最簡單的碳氫化合物[1]，研究等離子體輔助甲烷燃燒機理對其他烴類的研究具有重要意義。但等離子體激發(fā)甲烷燃燒反應機理的研究仍缺乏完整的機理文獻和足夠的數(shù)據(jù)支持，有待進一步研究[2-3]。

Nagaraja[4]研究了脈沖納秒介質(zhì)阻擋放電等離子體的點火特性，發(fā)現(xiàn)在放電初始產(chǎn)生的活性粒子如OH、H和O等加速了混合氣中H原子的離解，并使反應溫度有較大程度的提高;Ju[5]在等離子體助燃條件下對煤油-空氣和甲醚-空氣預混擴散火焰進行實驗研究，結(jié)果顯示，非平衡等離子體可以有效地促進低溫點火成功和燃料氧化；等離子體中的活性粒子能夠增強燃料的氧化程度從而導致點火成功。

目前，等離子體助燃反應機理的模擬研究還處于探索階段，對等離子體強化燃燒的機理問題尚未進行深入研究[6-7]。為了探究等離子體對甲烷的點火特性影響，本文在CH4/空氣混合氣體中分別添加不同濃度的H、OH自由基來模擬等離子體激勵甲烷燃燒，研究等離子體對甲烷著火延遲時間的影響。

1 研究方法

1.1 模型選擇

等離子體增強甲烷點火過程涉及等離子體化學、物理和燃燒理論[8-9]。在此過程中，各組分之間存在著高度復雜的物理化學反應、能量轉(zhuǎn)換以及自由基的積累和消耗[10-11]。

基于已有的甲烷燃燒反應機理GRI Mech 3.0建立化學反應動力學模型[12-13]，在CH4/空氣混合氣的基礎上分別添加H自由基和OH自由基，模擬等離子體激勵甲烷點火過程。形成等離子體激勵甲烷燃燒機理，著重研究H自由基和OH自由基對甲烷點火過程的刺激作用。

1.2 敏感性分析

敏感性分析對于了解一個機理復雜的燃燒過程有著重要作用。敏感性分析是指機理中反應參數(shù)變化對模型計算結(jié)果影響的研究，即研究計算結(jié)果對反應參數(shù)的敏感程度[14-15]。

敏感性系數(shù)一般用控制方程來表示

F(φ(α);α)=0

(1)

其中F是方程中的殘差，φ是方程中的解向量，F(xiàn)受到參數(shù)α的影響。式(1)微分獲得了敏感性系數(shù)的控制矩陣方程

(2)

2 計算結(jié)果分析

初始條件分別為：初始溫度范圍為1 400～2 400 K、初始壓力1atm、當量比1.0；H自由基濃度分別為0.1%、0.5%、1.0%，OH自由基濃度分別為0.1%、0.5%、1.0%。在具體的模擬計算過程中，每一次計算選擇一個參數(shù)作為獨立變量，固定其他條件不變，以研究此獨立變量對甲烷燃燒的影響。

2.1 H自由基的影響

2.1.1 不同濃度的H自由基對著火延遲時間的影響

圖1給出了加入不同濃度的H自由基條件下，著火延遲時間隨溫度的變化情況。從圖1中可以看出，甲烷的著火延遲時間隨著溫度的增加逐漸減少。溫度不變的條件下，隨著加入H自由基濃度的增加，甲烷的著火延遲時間在不同程度地減小。在溫度為1 400 K時，與正常燃燒的著火延遲時間相比，加入0.1% H自由基的著火延遲時間減小約54.6%，加入0.5%H自由基的著火延遲時間減小約89.4%，加入1.0%H自由基的著火延遲時間減小約95.7%。

圖1 不同濃度的H自由基對著火延遲時間的影響

2.1.2 敏感性分析

為了進一步研究H 自由基對甲烷著火延遲時間的影響，接下來主要分析點火過程中影響H自由基生成和消耗的主要化學反應的敏感性系數(shù)。圖2給出了影響甲烷著火延遲時間的10個化學反應式。橫坐標表示敏感性系數(shù)，敏感性系數(shù)大于零，表示對甲烷點火過程有增強作用(減少著火延遲時間)，敏感性系數(shù)小于零表示對甲烷點火過程有減弱作用(增加著火延遲時間)。

在反應初始階段加入0.5%H自由基的情況下，點火階段的開始已經(jīng)存在H自由基，所以自由基H的生成反應(R91)敏感性系數(shù)降低，H自由基的消耗反應(R38、R53、R144)作用增強，敏感性系數(shù)向著減小著火延遲時間的方向增加。同時，因為H自由基的加入OH的生成和消耗速率均增加。提高了反應的整體速度，因此加入0.5%H減少了甲烷的著火延遲時間。

圖2 溫度敏感性分析

2.2 OH自由基的影響

2.2.1 不同濃度的OH自由基對著火延遲時間的影響

從圖3中明顯看出，加入不同濃度的OH自由基，不同程度減少了著火延遲時間。這主要是由于OH自由基對于點火鏈式反應是起促進作用的，強化了甲烷的氧化反應過程，從而加速反應速度，減少著火延遲時間。

在溫度為1 400 K條件下加入0.1%OH自由基相比正常燃燒著火延遲時間減小約97.5%，加入0.5%OH自由基著火延遲時間減小約81.7%，加入1.0%OH自由基著火延遲時間減小約93.3%。但隨著溫度的增加，加入OH自由基對甲烷的著火延遲時間的影響降低。

圖3 不同濃度的OH自由基對著火延遲時間的影響

2.2.2 敏感性分析

在初始溫度為1 400 K，未加入和加入0.5%OH自由基條件下選出對甲烷著火延遲時間有重要影響的12個化學反應式，對甲烷著火延遲時間進行了敏感性分析。結(jié)果如圖4所示。

在甲烷/空氣自點火過程中，R38減少了甲烷的著火延遲時間。而當加入0.5%OH自由基后，強化了各反應式對甲烷/空氣著火延遲時間的影響作用，特別對減小著火延遲時間的R101、R113等反應式明顯增強。雖然加入0.5%OH自由基之后，也不同程度增加了一些負敏感性系數(shù)，但整體上還是減小了甲烷/空氣的著火延遲時間。

圖4 溫度敏感性分析

3 結(jié)論

通過研究，得出以下結(jié)論：

(1)加入不同濃度的H自由基，可以不同程度減少著火延遲時間。在1 400 K,加入0.5%H著火延遲時間減少了89.4%。隨著初始溫度的升高，著火延遲時間減小，H自由基對著火延遲時間的影響降低。根據(jù)敏感性分析，加入0.5%H后，R38、R53、R144的反應式明顯減少了混合氣的著火延遲時間。

(2)在1 400 K,加入0.5%的OH自由基，著火延遲時間減少了81.7%。隨著初始溫度的升高，著火延遲時間減小，OH自由基對著火延遲時間的影響作用降低。根據(jù)敏感性分析，加入0.5%OH后，R101、R113的反應式明顯減少了CH4混合氣的著火延遲時間。雖然加入0.5%OH自由基之后，也不同程度增加了一些負敏感性系數(shù)，但整體上還是減小了甲烷/空氣的著火延遲時間。