朱源,姜根柱,王筱蓉,蘇傲成

(江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

傳統(tǒng)化石燃?xì)庠斐傻沫h(huán)境污染、溫室效應(yīng)和能源危機(jī)已引起全世界的廣泛關(guān)注。目前,人們正在積極尋找替代燃?xì)獠㈤_(kāi)展可再生燃?xì)獾难芯?。氫氣和乙醇作為具有?yōu)良性能的替代燃?xì)馐艿搅藦V泛關(guān)注。氫燃?xì)饪梢源婊細(xì)庾鳛榘l(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)?。因?yàn)闅錃馊紵蟮呐欧盼锸撬?所以其對(duì)環(huán)境的污染幾乎為零;氫氣具有較高的自燃溫度,因此可更適用于作火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)?此外,氫氣還具有易于制備的優(yōu)點(diǎn)。然而,隨著對(duì)氫氣的深入研究,氫氣的缺點(diǎn)也隨之顯現(xiàn)。其一,氫的爆炸極限低,屬于極易爆炸能源;其二,氫氣的燃燒過(guò)程相對(duì)不穩(wěn)定,限制了其能成為替代燃?xì)獾陌l(fā)展。與此同時(shí),相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),通過(guò)嚴(yán)格控制工作溫度、壓力以及在氫氣中摻入一定量的低能量密度的燃?xì)?可以有效地改進(jìn)氫氣燃燒過(guò)程中不穩(wěn)定的情況。而與其他各種碳?xì)浠衔?鏈烷烴、芳烴、烯烴、環(huán)烷烴)相比,乙醇可以更好地提升內(nèi)燃機(jī)的輸出功率和熱效率,還可以減少有害污染物的排放[1]。因此,有必要對(duì)高溫下?lián)綒淙細(xì)?氫氣-乙醇-空氣)的燃燒特性進(jìn)行研究。

層流燃燒速度(LBV)是一種重要的熱化學(xué)性質(zhì),它表征了可燃燃料-空氣混合物,并提供了有關(guān)給定燃料及其混合物的反應(yīng)性、擴(kuò)散性和放熱性的重要信息。目前,諸多學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始對(duì)含乙醇混合氣的層流燃燒特性進(jìn)行研究。

Zhang Zunhua等[2]考察了初始溫度為383 K,初始?jí)毫?.1 MPa,當(dāng)量比為0.6～1.6下,0～80%氫氣含量的75%含水乙醇-氫氣-空氣混合氣的主要層流火焰特性,通過(guò)比較SRE燃料空氣火焰與乙醇火焰的層流燃燒速度、絕熱火焰溫度以及Markstein長(zhǎng)度,發(fā)現(xiàn)促進(jìn)SRE燃料高效燃燒的最適合的氫分?jǐn)?shù)值為40%。Zhou等[3]在初始溫度為400 K,初始?jí)毫?.1～0.3 MPa,當(dāng)量比為0.7～1.4下,研究了乙醇摻混10%～30%氫氣對(duì)LBV的影響,結(jié)果表明,層流燃燒速度與氫氣摻混量是正相關(guān)關(guān)系,增大壓力則會(huì)抑制其發(fā)展,氫氣的加入可以顯著提高乙醇-氫氣-空氣火焰的絕熱火焰溫度。Xu Cangsu等[4]研究了初始溫度為358 K,初始?jí)毫?.1 MPa,當(dāng)量比為0.5～1.4下的氫氣(0%,4%,8%和12%)-乙酸乙酯混合燃料的層流燃燒特性,結(jié)果表明,乙酸乙酯的LBV隨著H2添加量的增加而增強(qiáng),并且氫氣延長(zhǎng)了當(dāng)量比的可燃性的下限。Tian Zhi等[5]比較了不同醇?xì)?甲醇/氫氣,乙醇/氫氣以及丁醇/氫氣)混合物在TISI發(fā)動(dòng)機(jī)中的性能,發(fā)現(xiàn)醇?xì)浠旌衔锟梢杂脕?lái)降低HC,CO和CO2排放。張嘉瑋等[6]系統(tǒng)地研究了初始溫度400 K工況下,不同初始?jí)毫?0.1 MPa,0.4 MPa),不同摻氫量(0%,10%,30%,50%,70%和90%)以及不同當(dāng)量比(0.7～1.4)對(duì)乙醇層流燃燒特性的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明:提高摻氫量對(duì)于LBV有促進(jìn)作用,升高初始?jí)毫﹄m然對(duì)LBV有抑制作用,但提高了LBV的增長(zhǎng)速率。Sven Eckart等[7]在恒定大氣壓、初始溫度為373 K、不同當(dāng)量比(0.6～1.7)下,對(duì)二甲醚-氫氣混合物進(jìn)行了全面分析,發(fā)現(xiàn)氫氣的加入改善了二甲醚-空氣混合物的整體燃燒特性,提高了火焰溫度、LBV以及燃燒效率。然而,目前對(duì)于高溫下乙醇摻氫混合燃?xì)獾膶恿魅紵匦缘南嚓P(guān)研究甚少。

鑒于目前研究的不足,本研究利用定容燃燒彈對(duì)初始溫度為450 K,初始?jí)毫?.2 MPa,氫氣含量為50%,70%和80%,當(dāng)量比為0.7～1.4時(shí)的氫氣-乙醇-空氣混合燃?xì)膺M(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值研究。采用球形火焰擴(kuò)散法研究了拉伸對(duì)火焰的影響,得到了Markstein長(zhǎng)度和層流燃燒速度,并擬合出計(jì)算H2-C2H5OH-Air預(yù)混燃?xì)釲BV的經(jīng)驗(yàn)公式。

1 試驗(yàn)裝置和混合燃料

試驗(yàn)裝置如圖1所示,主要由定容燃燒室、進(jìn)氣和排氣系統(tǒng)、加熱裝置、高速紋影成像系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。

圖1 試驗(yàn)裝置系統(tǒng)

圖2示出定容燃燒彈的實(shí)體,是似正方體結(jié)構(gòu),視窗直徑為90 mm,容積為2.067 L。試驗(yàn)前要檢查裝置的氣密性。K型熱電偶與溫度顯示器結(jié)合用于監(jiān)測(cè)溫度,為保證彈體內(nèi)溫度的均勻與穩(wěn)定,本研究采用的加熱方式為壁面電阻加熱。壓力傳感器用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)容器內(nèi)的壓力。點(diǎn)火裝置以15 mJ的點(diǎn)火能量對(duì)處于容器中心的兩根鉑絲電極進(jìn)行電火花點(diǎn)火,引燃燃?xì)?。?shù)字脈沖發(fā)生器與高速攝像機(jī)和示波器相連,高速攝像機(jī)以12 800 幀/s的拍攝速度和1 024×1 024像素的分辨率來(lái)記錄0.1 s內(nèi)完成的火焰燃燒過(guò)程,示波器用于記錄信號(hào),試驗(yàn)過(guò)程中要保證點(diǎn)火裝置、高速攝像機(jī)以及示波器同步觸發(fā)。

圖2 定容燃燒彈外廓

表1列出氫氣與乙醇的基本屬性。由于本次設(shè)定的試驗(yàn)溫度是450 K,超過(guò)乙醇的沸點(diǎn),所以在將乙醇注射到定容彈后,可以由液態(tài)轉(zhuǎn)為氣態(tài),故在該溫度下進(jìn)行的試驗(yàn)是有效的。

表1 氫氣與乙醇的基本屬性

由于本試驗(yàn)所用的燃料是由H2,C2H5OH和空氣嚴(yán)格按比例混合而成,所以它們反應(yīng)的化學(xué)表達(dá)式可表示為

(1)

本試驗(yàn)的燃?xì)夂凸r如表2所示。根據(jù)當(dāng)量比的變化,將φ<1規(guī)定為貧燃狀態(tài),φ=1規(guī)定為化學(xué)計(jì)量比,φ>1規(guī)定為富燃狀態(tài)。

表2 試驗(yàn)的燃?xì)夂凸r

為了簡(jiǎn)潔表示,依據(jù)氫氣與乙醇的體積分?jǐn)?shù)將本試驗(yàn)使用的3組預(yù)混燃?xì)夥謩e定義為Xh=50,Xh=70以及Xh=80。

2 層流燃燒特性參數(shù)計(jì)算

1) 火焰半徑

利用圖像分析軟件獲取火焰等效半徑[8]Rf:

(2)

式中:Nf為火焰前沿面的像素;Nb為光學(xué)窗口的像素;Rb為光學(xué)窗口的實(shí)際半徑。

2) 拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c拉伸率

拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣?Sb)由下式計(jì)算[9]:

(3)

式中:t為火焰半徑Rf對(duì)應(yīng)的時(shí)間。

對(duì)于球形膨脹火焰,拉伸率α已在參考文獻(xiàn)[10]中明確定義:

(4)

式中:A為火焰前沿的面積。

3) Markstein長(zhǎng)度

常使用Markstein長(zhǎng)度(Lb)來(lái)表征火焰對(duì)拉伸的敏感程度。Lb為正表示層流燃燒速度隨拉伸率的增大而減小,火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中火焰前鋒面的突起會(huì)受到抑制,火焰處在穩(wěn)定狀態(tài);而Lb為負(fù)表示火焰的不穩(wěn)定性增強(qiáng)。Markstein長(zhǎng)度可通過(guò)線(xiàn)性外推法計(jì)算[11]:

(5)

但在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中,火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓欠蔷€(xiàn)性的,Kelley等[12]非線(xiàn)性擬合出計(jì)算Markstein長(zhǎng)度的更精確的公式:

(6)

無(wú)拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣扔?jì)算公式如下:

(7)

式中:ρb和ρu分別為已燃?xì)夂臀慈細(xì)獾拿芏?。ρb通過(guò)Chemkin中的熱平衡模型計(jì)算獲得,ρu由燃?xì)獾某跏紖?shù)計(jì)算。

火焰厚度(δ)和火焰膨脹率(σ)是與流體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性相關(guān)的兩個(gè)主要參數(shù):

(8)

式中:Tb和Tu分別是燃燒的和未燃燒的氣體的溫度;(dT/dx)max是最大溫度梯度。

(9)

σ越小,流體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性越弱。

在假設(shè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)和準(zhǔn)平面的情況下,利用燃?xì)馊紵^(guò)程中的火焰密度變化和無(wú)拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣萚13],層流燃燒速度基于質(zhì)量守恒定律,使用式(10)計(jì)算:

(10)

考慮到火焰厚度的影響,Bradely等[9]提出LBV的另外兩種定義,一是um,為燃?xì)獾南乃俾?二是umr,為燃燒氣體的生成速率,計(jì)算公式如下:

(11)

(12)

其中,S為火焰速度因子,其與火焰半徑和兩區(qū)密度比有關(guān)[14],計(jì)算公式如下:

(13)

其中δL=v/uL,v是未燃?xì)怏w混合物的運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 火焰半徑隨時(shí)間的變化規(guī)律

選取φ=0.7、φ=1.0和φ=1.4分別代表貧燃、化學(xué)計(jì)量比和富燃狀態(tài)。圖3示出Xh分別為50,70和80時(shí)在當(dāng)量比變化下的球形火焰半徑隨時(shí)間的變化規(guī)律。隨著時(shí)間的增加,火焰半徑增大,Xh為80時(shí)的火焰半徑增長(zhǎng)速度大于Xh為70和50時(shí)。這是因?yàn)榛旌蠚庵袣錃獗壤奶岣?會(huì)減少燃燒時(shí)間。

圖3 不同比例的混合氣在當(dāng)量比變化下的球形火焰半徑變化

3.2 拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣扰cMarkstein長(zhǎng)度

選擇穩(wěn)定燃燒階段(即火焰半徑選取范圍是8～25 mm)的拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣葋?lái)分析火焰穩(wěn)定性并計(jì)算層流燃燒速度。圖4示出的是Xh=50的拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣入S火焰半徑變化關(guān)系。當(dāng)Xh=50,φ=0.7時(shí),火焰?zhèn)鞑ニ俾驶静浑S半徑變化;當(dāng)量比為0.8～1.3時(shí),火焰?zhèn)鞑ニ俣入S火焰半徑的增加而增大,而當(dāng)φ=1.4時(shí)變化趨勢(shì)正好相反。

圖4 Xh=50的拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣入S火焰半徑的變化

圖5示出貧燃、化學(xué)計(jì)量比和富燃狀態(tài)下,拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c火焰半徑的變化。φ=1.4時(shí)拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣却笥讦?1和φ=0.7時(shí)的拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣?這表明提高當(dāng)量比可以加快火焰?zhèn)鞑ニ俣?這與圖3結(jié)果對(duì)應(yīng)。將圖5縱向?qū)Ρ瓤梢园l(fā)現(xiàn),化學(xué)計(jì)量比下,拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c摻氫比之間呈正相關(guān)關(guān)系。通過(guò)擴(kuò)大氫氣在總?cè)細(xì)庵械恼急?由于氫氣燃燒更迅速,會(huì)促進(jìn)燃?xì)獾娜紵?進(jìn)而會(huì)提高燃?xì)獾睦旎鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣取?/p>

圖5 貧燃、化學(xué)計(jì)量比和富燃狀態(tài)下,拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c火焰半徑變化曲線(xiàn)

圖6示出不同當(dāng)量比和摻氫比下拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾逝c拉伸率的關(guān)系。當(dāng)Xh=50,φ為0.7和1.0時(shí),直線(xiàn)的斜率均為負(fù),對(duì)應(yīng)了正Lb,說(shuō)明此時(shí)火焰穩(wěn)定;而在φ=1.4時(shí),雖然火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲?但火焰的不穩(wěn)定性增加,如圖6a所示。在化學(xué)計(jì)量比下,不同摻氫比的預(yù)混燃?xì)饩尸F(xiàn)為穩(wěn)定狀態(tài),如圖6d所示。

圖6 不同當(dāng)量比和摻氫比下拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾逝c拉伸率的關(guān)系

圖7 無(wú)拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣入S當(dāng)量比的變化關(guān)系

圖8示出不同摻氫比下Markstein長(zhǎng)度與當(dāng)量比的關(guān)系。可以發(fā)現(xiàn),隨著當(dāng)量比的增加,Lb逐漸減小,在當(dāng)量比為1.4左右變成負(fù)值,火焰的穩(wěn)定性削弱。這表明,摻氫比和當(dāng)量比兩者都對(duì)預(yù)混火焰的穩(wěn)定性有顯著影響。

圖8 不同摻氫比下Markstein長(zhǎng)度與當(dāng)量比的關(guān)系

3.3 層流燃燒速度

不同當(dāng)量比和摻氫比下,拉伸率對(duì)火焰燃燒速度的影響如圖9所示。從圖中可以看出,隨著摻氫量的增加,um與umr的差值在緩慢增大,說(shuō)明火焰厚度對(duì)燃燒速度的影響也在增加,且火焰厚度對(duì)燃燒速度產(chǎn)生最明顯的影響是在當(dāng)量比為1.4時(shí)。這是由于摻入氫氣增加了可燃物濃度和火焰厚度,減小了擴(kuò)散限制,提高了燃燒速度,并且在當(dāng)量比為1.4時(shí),燃?xì)膺_(dá)到了最佳配比,使火焰厚度對(duì)燃燒速度的影響最為顯著。

圖9 不同當(dāng)量比和摻氫比下拉伸火焰燃燒速度隨拉伸率的變化

圖10示出了在化學(xué)計(jì)量比、不同摻氫比下拉伸率對(duì)燃燒速度的影響?？梢钥闯?對(duì)于不同摻氫比的混合氣,um和umr都隨拉伸率的增加而減小。隨著拉伸率的逐漸增加,um和umr的差值逐步擴(kuò)大,可以看出燃燒速度受到了火焰厚度影響。結(jié)合拉伸率的定義可以得出,當(dāng)拉伸率趨于零時(shí),火焰厚度的影響可以忽略不計(jì),這時(shí)無(wú)論火焰燃燒速度定義在火焰鋒面的哪一側(cè),它們都應(yīng)接近于層流燃燒速度uL,即圖10中對(duì)應(yīng)為擬合直線(xiàn)在Y軸上的截距。

圖10 化學(xué)計(jì)量比下拉伸率對(duì)燃燒速度的影響

圖11示出氫氣-乙醇-空氣混合氣在不同摻氫比和當(dāng)量比下的層流燃燒速度。

圖11 氫氣-乙醇-空氣混合氣在不同摻氫比和不同當(dāng)量比下的層流燃燒速度

把LBV擬合成關(guān)于當(dāng)量比的三階多項(xiàng)式的形式,本研究中LBV的擬合結(jié)果為

uL1=2 132.885 64-9 082.528 28φ+12 169.860 08φ2-4 487.261 3φ3,

(14)

uL2=1 766.794 5-7 052.389 11φ+10 076.016 82φ2-3 775.555 33φ3,

(15)

uL3=1 103.046 11-4 374.451 38φ+8 212.322 26φ2-3 423.004 1φ3。

(16)

式中:uL1,uL2,uL3分別對(duì)應(yīng)Xh=50,Xh=70和Xh=80的層流燃燒速度。

對(duì)于3組預(yù)混燃?xì)?層流燃燒速度隨當(dāng)量比的增加均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。這是由于在貧燃階段,隨著當(dāng)量比增加,燃燒會(huì)釋放更多的能量,使LBV提高;而在富燃階段,空氣逐漸減少,導(dǎo)致反應(yīng)速率以及燃燒效率降低,進(jìn)而抑制了預(yù)混燃?xì)獾腖BV,因此,層流燃燒速度在達(dá)到峰值后會(huì)隨著當(dāng)量比的提高逐漸降低。

將本研究與Z. Han等[14]、Nathan Hinton等[15]、Zhongwei Meng等[16]以及Ziyu Wang等[17]的研究進(jìn)行了比較,用來(lái)印證本試驗(yàn)研究的有效性,結(jié)果見(jiàn)圖12。發(fā)現(xiàn)在相同的初始?jí)毫Α缀跸嗤某跏紲囟认?在LBV增長(zhǎng)趨勢(shì)上,本研究所得結(jié)果與4組文獻(xiàn)數(shù)據(jù)近似,可以得出結(jié)論,本研究中獲得的數(shù)據(jù)是有效的,具有分析價(jià)值。

圖12 不同燃?xì)獾膶恿魅紵俣葘?duì)比

層流燃燒速度增長(zhǎng)率定義為(uφ=x-umin)/(umax-umin),uφ=x是當(dāng)量比為x時(shí)預(yù)混燃?xì)獾膶恿魅紵俣?umax,umin為同一工況下的最大和最小層流燃燒速度。圖13示出了初始溫度為450 K、初始?jí)毫?.2 MPa時(shí),不同摻氫比下,預(yù)混燃?xì)獾膶恿魅紵俣仍鲩L(zhǎng)率受當(dāng)量比影響曲線(xiàn)。以摻氫比作擬合可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)φ<1.3時(shí),燃燒速度增長(zhǎng)迅速;當(dāng)φ=1.3時(shí),層流燃燒速度增長(zhǎng)率均達(dá)最大值,并與最大層流燃燒速度對(duì)應(yīng);當(dāng)φ>1.3時(shí),層流燃燒速度增長(zhǎng)率呈下降趨勢(shì)。結(jié)果表明:摻氫比、當(dāng)量比的變化均能影響預(yù)混燃?xì)獾膶恿魅紵俣仍鲩L(zhǎng)速率。將層流燃燒速度增長(zhǎng)率進(jìn)行擬合,得出:

圖13 不同摻氫比下層流燃燒速度增長(zhǎng)率與當(dāng)量比的變化關(guān)系

(17)

由式(14)至式(17)就可以求出不同摻氫比(Xh為50,70,80)和不同當(dāng)量比(0.7～1.4)下混合氣的近似層流燃燒速度。

4 結(jié)論

a) 擴(kuò)大氫氣在總?cè)細(xì)庵械恼急饶芗铀倩鹧娴膫鞑?但提高燃?xì)庵袣錃獾暮恳矔?huì)削弱火焰的穩(wěn)定性,隨著摻氫比的提高,火焰的不穩(wěn)定性增強(qiáng);

b) 隨著拉伸率的增大,混合氣消耗速率與產(chǎn)物生成速率的差值逐漸擴(kuò)大,當(dāng)拉伸率趨于0時(shí),um和umr都趨于LBV;層流燃燒速度增長(zhǎng)率最大值出現(xiàn)在當(dāng)量比為1.3時(shí),這與最大層流燃燒速度相對(duì)應(yīng);

c) 本研究中3種預(yù)混燃?xì)獾腖BV均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì),其峰值(1 022.11 mm/s,1 313.275 mm/s,1 773.129 mm/s)均出現(xiàn)在當(dāng)量比為1.3時(shí)。