徐 琛，孫繼昊，趙寧波

(1.中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028；2.哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院，哈爾濱150001)

1 引言

為大幅降低污染物排放，現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)廣泛采用貧預(yù)混低排放燃燒技術(shù)[1-2]。其中，如何實(shí)現(xiàn)貧預(yù)混條件下的燃燒火焰穩(wěn)定控制成為工業(yè)界與學(xué)術(shù)界共同關(guān)注的焦點(diǎn)。

作為一種先進(jìn)的強(qiáng)化與穩(wěn)定燃燒的方式，非平衡等離子體放電通過(guò)產(chǎn)生高能電子、離子、自由基(如O，OH)以及激發(fā)態(tài)分子(如O2*，O3)來(lái)調(diào)控化學(xué)反應(yīng)路徑，提高燃燒反應(yīng)速率[3-4]。現(xiàn)有研究表明，O3存活時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，可以被輸運(yùn)至火焰區(qū)，是非平衡等離子體實(shí)現(xiàn)助燃和提高火焰穩(wěn)定性的最重要組分之一[5]。Dong 等[6]對(duì)甲烷射流火焰的數(shù)值模擬研究表明，O3的加入可以提高火焰的傳播速度，使回流區(qū)內(nèi)渦結(jié)構(gòu)變得更加連續(xù)。Eha 等[7]在針對(duì)甲烷/空氣低旋流火焰開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究中，同樣發(fā)現(xiàn)O3能提高層流火焰的傳播速度和火焰拉伸率，使得火焰可以在更強(qiáng)的湍流下穩(wěn)定燃燒。Zhang 等[8]數(shù)值分析了O3對(duì)合成氣火焰特性及熄火極限的影響，指出O3對(duì)于提高層流火焰速度和拓寬穩(wěn)定燃燒邊界具有顯著影響。此外，Tachibana[9]和Wilk[10]等分別從實(shí)驗(yàn)角度分析了O3對(duì)燃燒污染物排放的影響，其結(jié)果一致表明，O3的加入雖然可以降低CO、UHC 及碳煙的排放，但是會(huì)導(dǎo)致NOx排放略有增加。

鑒于O3對(duì)燃燒火焰形態(tài)及典型組分濃度影響的復(fù)雜性，本文以甲烷/空氣射流火焰為研究對(duì)象，采用二維數(shù)值模擬方法分析不同O3濃度對(duì)火焰位置及CO、NO污染物排放的影響。

2 物理模型與計(jì)算域網(wǎng)格劃分

參考Sandia實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放空間射流火焰研究[11]，本文的數(shù)值物理模型如圖1(a)所示。其中，射流燃料為25%甲烷和75%空氣(摩爾分?jǐn)?shù))的混合物，其速度為49.6 m/s，管徑D為7.2 mm；值班燃料為φ=0.77的甲烷已燃?xì)?，其速度?1.4 m/s，管徑為18.2 mm；伴流空氣流速為0.9 m/s。綜合考慮物理模型的對(duì)稱性和數(shù)值計(jì)算量，采用圖1(b)所示的二維計(jì)算域進(jìn)行數(shù)值分析。

數(shù)值研究過(guò)程中，保證燃料量和氧化劑量不變，通過(guò)改變射流燃料中O3摩爾分?jǐn)?shù)來(lái)分析O3濃度對(duì)燃燒特性的影響。表1給出了不同算例下的射流燃料組分。

表1 射流燃料組分摩爾分?jǐn)?shù) %Table 1 Species mole fractions of jet fuel

為滿足網(wǎng)格無(wú)關(guān)性要求，圖2給出了算例0的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果。圖中，X/D為距離噴嘴的相對(duì)高度，縱坐標(biāo)為對(duì)稱軸上的軸向速度。從圖中可以看出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于5 500時(shí)，計(jì)算結(jié)果基本不隨網(wǎng)格數(shù)的增加而改變，認(rèn)為滿足網(wǎng)格無(wú)關(guān)性要求。

3 數(shù)值方法選取及驗(yàn)證

針對(duì)上述射流火焰無(wú)強(qiáng)旋流這一特性，選取Standardk-ε、Standardk-ω湍流模型進(jìn)行湍流模型驗(yàn)證，并采用絕熱條件下的標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)對(duì)近壁面進(jìn)行處理?？紤]到湍流燃燒中不同基元反應(yīng)時(shí)間尺度的差異性，選取EDC 模型、組分輸運(yùn)PDF 模型對(duì)燃燒模型進(jìn)行驗(yàn)證。為深入分析O3對(duì)火焰形態(tài)及燃燒反應(yīng)過(guò)程中典型組分的影響，采用341 步甲烷燃燒含O3詳細(xì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理[2]。

圖3 給出了算例0 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[11]的對(duì)比。從圖中可以看出，采用Standardk-ε湍流模型和EDC 燃燒模型可以較好地計(jì)算得到甲烷/空氣射流火焰的溫度場(chǎng)及典型組分濃度分布，后續(xù)數(shù)值模擬工作將全部基于該模型進(jìn)行。在X/D＞40處，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間誤差變大，這主要是由于火焰后方的已燃?xì)馀c環(huán)境空氣劇烈摻混，而二維網(wǎng)格不能很好地模擬這一現(xiàn)象所致?？紤]到本文主要分析O3對(duì)火焰形態(tài)及燃燒過(guò)程中CO 和NOx的生成特性的影響，認(rèn)為所選取的數(shù)值模型仍具有一定的適用性。

圖3 算例0的數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比Fig.3 Comparison between numerical results and experimental data of case 0

4 結(jié)果分析與討論

4.1 O3濃度對(duì)火焰形態(tài)的影響

由于CH自由基存活時(shí)間較短且基本上只在火焰面位置生成，所以其一定程度上可以反映火焰的形態(tài)特征。為明確不同O3濃度對(duì)火焰形態(tài)的影響，圖4 給出了算例0～算例5 條件下的CH 自由基質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖。從圖中可以看出，對(duì)于算例0和算例1而言，在火焰根部位置處均出現(xiàn)了火焰“斷裂”現(xiàn)象。而隨著O3濃度的不斷增加，CH 自由基高濃度區(qū)域逐漸向來(lái)流方向發(fā)展，且CH 自由基濃度分布變得相對(duì)較為連續(xù)。當(dāng)射流入口O3濃度達(dá)到0.6%時(shí)，火焰根部斷裂現(xiàn)象基本消失。

圖4 CH質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.4 Mass fraction distribution of CH

為分析上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，圖5 給出了不同O3濃度體條件下燃料的點(diǎn)火延遲時(shí)間?？梢?jiàn)，隨著射流燃料中O3濃度的增加，點(diǎn)火延遲時(shí)間逐漸縮短，并且這種效應(yīng)在低溫點(diǎn)火條件下更為明顯。點(diǎn)火延遲時(shí)間的縮短使得算例1～算例5中的燃料在靠近噴嘴處被氧化，燃燒反應(yīng)在空間上向來(lái)流方向發(fā)展。

圖5 O3濃度對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響Fig.5 The influence of O3 concentration on ignition delay time

為明確O3對(duì)甲烷氧化反應(yīng)的影響，以算例0 和算例5為例開(kāi)展甲烷氧化敏感性分析，其結(jié)果如圖6所示。可以看出，O3的加入使得算例5 中甲烷氧化對(duì)H+CH4=CH3+H2和O+CH4=OH+CH3的敏感性系數(shù)略有增加，并且算例0和算例5對(duì)甲烷氧化最為敏感的反應(yīng)均為OH+CH4=CH3+H2O。針對(duì)這一現(xiàn)象，圖7 給出了OH+CH4=CH3+H2O 反應(yīng)速率和OH 自由基濃度在對(duì)稱軸上的分布情況。如圖所示，隨著O3濃度的增加，該反應(yīng)在更加靠近噴嘴處發(fā)生，即甲烷的氧化反應(yīng)會(huì)更早進(jìn)行。這是由于O3的強(qiáng)氧化性使得OH 自由基濃度有所升高并更早生成，從而使得燃料燃燒的氧化區(qū)提前。然而值得指出的是，隨著O3濃度的增加，反應(yīng)OH+CH4=CH3+H2O的最大反應(yīng)速率會(huì)有所降低。其主要原因是，O3濃度增加使得甲烷氧化反應(yīng)提前，后方甲烷濃度降低。此外，在本文所研究的O3濃度范圍內(nèi)，少量O3的加入即可使燃燒反應(yīng)的氧化區(qū)向來(lái)流方向移動(dòng)，且OH 自由基最大濃度略有增加，但隨著O3濃度的繼續(xù)增加，氧化區(qū)移動(dòng)現(xiàn)象和OH自由基最大濃度變化不再顯著。

圖6 算例0和算例5的甲烷氧化敏感性分析結(jié)果Fig.6 Sensitive analysis of CH4 oxidation of case 0 and case 5

圖7 OH+CH4=CH3+H2O反應(yīng)速率和OH質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿對(duì)稱軸的分布Fig.7 Reaction rate of OH+CH4=CH3+H2O and OH mass fraction along axis

4.2 O3濃度對(duì)典型組分的影響

圖8 給出了CO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿對(duì)稱軸的變化規(guī)律?？煽闯?，由于O3具有較強(qiáng)的氧化性，射流火焰中加入少量O3即可使CO 提前生成且CO 最大濃度增加，繼續(xù)加入O3時(shí)變化不再明顯。此外，O3的加入能降低火焰后方的CO 濃度，但隨著O3濃度的增加，火焰后方的CO濃度下降趨勢(shì)減弱。因此，O3可以強(qiáng)化燃燒，提高燃燒效率并降低CO污染物排放。

圖8 CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿對(duì)稱軸的分布Fig.8 Mass fraction of CO along axis

為分析O3加入對(duì)射流火焰中NO 生成的影響，圖9 給出了不同算例條件下NO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)和生成速率沿對(duì)稱軸的分布情況。可以看出，NO生成量和最大生成速率均隨著O3濃度的增加而有所上升，并且在本文的研究范圍內(nèi)，NO生成速率增大的趨勢(shì)會(huì)隨著O3濃度的增加而減弱。此外，由于O3的加入，在X/D=25 之前的低溫燃燒區(qū)內(nèi)，NO 生成的逆反應(yīng)速率有所增大，并且在X/D=17附近達(dá)到最大；同時(shí)，隨著O3濃度的增加，逆反應(yīng)速率逐漸增大。

圖9 NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)和生成速率沿對(duì)稱軸的分布Fig.9 Mass fraction of NO and NO production rate along axis

為揭示NO 逆反應(yīng)速率隨O3濃度的變化機(jī)理，圖10 給出了算例1～算例5 中O3+NO=O2+NO2反應(yīng)速率沿對(duì)稱軸的分布情況。如圖所示，隨著O3濃度的增加，該反應(yīng)的正反應(yīng)速率逐漸增大，并且其最大反應(yīng)速率處恰好對(duì)應(yīng)于圖8 中NO 逆反應(yīng)速率最大處。NO 逆反應(yīng)速率增大的原因，主要是由于O3的強(qiáng)氧化性將一部分NO轉(zhuǎn)變?yōu)榱薔O2。

圖10 O3+NO=O2+NO2反應(yīng)速率沿軸線的分布Fig.10 Reaction rate of O3+NO=O2+NO2 along axis

由于反應(yīng)N2+O=NO+N(R1)活化能較大，限制了熱力型NO的生成速率，而反應(yīng)CH+N2=HCN+N(R2)、反應(yīng)N2+O+(M)=N2O+(M)(R3)分別為NO 生成的快速型機(jī)理和N2O 中間體機(jī)理的起始反應(yīng)，限制了快速型NO和N2O中間體NO的生成速率[12]。為明確O3對(duì)NO 生成速率的影響，圖11 分別給出了上述三個(gè)反應(yīng)在不同O3濃度下反應(yīng)速率沿軸線的分布，并給出了不同算例下對(duì)稱軸上溫度的變化規(guī)律。從圖中可以看出，隨著O3濃度的增加，對(duì)稱軸上最高溫度略有上升，但溫度變化量很小，可認(rèn)為在本文所研究的范圍內(nèi)，溫度對(duì)O3濃度變化不敏感。而從反應(yīng)R1、R2及R3的速率分布看，隨著O3濃度的增加，三個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)速率均有所增大，但反應(yīng)R3的速率變化不明顯，即N2O中間體機(jī)理對(duì)O3不敏感，O3主要促進(jìn)了熱力型NO和快速型NO的生成。對(duì)比圖11(a)、圖10(b)及圖7(b)可以看出，O3對(duì)熱力型NO生成的促進(jìn)不在于提高燃燒溫度，而主要在于O3的氧化性能夠使燃燒區(qū)域生成較多的中間組分自由基(如OH)從而促進(jìn)NO的生成。

圖11 溫度及反應(yīng)R1、R2、R3沿軸線的分布Fig.11 Temperature and reaction rate of R1,R2 and R3 along axis

雖然燃燒室NOx排放主要為NO，但NO 在大氣中又可被氧化為NO2[12]，因此明確NO2在火焰后方的生成特性十分必要。圖12 給出不同算例下NO2及總NOx(NO+NO2)質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿對(duì)稱軸的分布情況。對(duì)比圖12、圖9 及圖10 可知，NO2占NOx的比例較小，NOx中的主要成分為NO[12]；且隨著O3濃度的增加，在X/D=25 之前NO 經(jīng)反應(yīng)O3+NO=O2+NO2生成NO2的速率加快，進(jìn)而導(dǎo)致該位置NO2濃度增加。此外，少量O3的加入即可顯著增加火焰后方(X/D＞50處)NO2生成量，但隨著O3的繼續(xù)加入，火焰后方NO2生成量的增加不再顯著。

圖13 給出NO2的生成路徑圖，其中線的粗細(xì)表示反應(yīng)對(duì)組分生成或消耗的貢獻(xiàn)大小。對(duì)比圖12、圖13可以看出，在NO2濃度達(dá)到第一個(gè)峰值(X/D=17附近)后，生成的NO2又經(jīng)反應(yīng)NO2+H=NO+OH 轉(zhuǎn)化為NO；而在火焰后方，NO 又經(jīng)反應(yīng)NO+O+(M)=NO2+M和反應(yīng)HO2+NO=NO2+OH氧化為NO2。

圖12 NO2及NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿對(duì)稱軸的分布Fig.12 Mass fractions of NO2 and NOx along axis

圖13 NO2生成路徑圖Fig.13 NO2 generation path

5 結(jié)論

(1)O3可以使燃燒更加穩(wěn)定，提高燃燒效率并降低CO 排放。在射流燃料中添加O3后，O3的強(qiáng)氧化性使得OH 自由基在更靠近噴嘴的位置處生成，燃燒反應(yīng)的氧化區(qū)提前，導(dǎo)致甲烷氧化反應(yīng)OH+CH4=CH3+H2O 提早進(jìn)行，火焰向噴嘴處發(fā)展；當(dāng)射流燃料中O3濃度達(dá)到0.6%時(shí)，火焰根部斷裂現(xiàn)象消失。

(2)O3的加入會(huì)增大NO生成速率，且NO生成速率隨著O3濃度的增加而逐漸增加。主要原因是O3促進(jìn)了熱力型NO 和快速型NO 的生成，而N2O 中間體機(jī)理對(duì)O3不敏感；O3主要通過(guò)其強(qiáng)氧化性生成較多的自由基(如O、OH)對(duì)熱力型NO的生成進(jìn)行貢獻(xiàn)，而不是通過(guò)溫度增加加快反應(yīng)N2+O=NO+N的反應(yīng)速率。

(3)O3可以使NO 在低溫燃燒區(qū)經(jīng)反應(yīng)O3+NO=O2+NO2被氧化為NO2，且該反應(yīng)速率會(huì)隨著O3濃度的增加而逐漸增大。NO2濃度達(dá)到第一個(gè)峰值后，生成的NO2又經(jīng)反應(yīng)NO2+H=NO+OH 轉(zhuǎn)化為NO；而在火焰后方，NO又經(jīng)反應(yīng)NO+O+(M)=NO2+M和反應(yīng)HO2+NO=NO2+OH氧化為NO2。