引用本文
秦静, 徐鹤, 裴毅强, 左子农, 卢莉莉. 初始温度和初始压力对甲烷-甲醇裂解气预混层流燃烧特性的影响[J].吉林大学学报（工学版）, 2018,48(5): 1475-1482
QIN Jing, XU He, PEI Yi-qiang, ZUO Zi-nong, LU Li-li. Influence of initial temperature and initial pressure on premixed laminar burning characteristics of methane-dissociated methanol flames[J]. Journal of Jilin University Engineering and Technology Edition, 2018,48(5): 1475-1482  
Doi:10.13229/j.cnki.jdxbgxb20170847
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初始温度和初始压力对甲烷-甲醇裂解气预混层流燃烧特性的影响
秦静1, 徐鹤1,2, 裴毅强2, 左子农2, 卢莉莉1,2
1.天津大学 内燃机研究所,天津 300072
2.天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室,天津 300072
通信作者:裴毅强(1967-),男,副教授,博士.研究方向:高效清洁发动机燃烧技术.E-mail:peiyq@tju.edu.cn

作者简介:秦静(1979-),女,副研究员,博士.研究方向:高效清洁发动机燃烧技术.E-mail:qinjing@tju.edu.cn

基金:国家自然科学基金项目(51676136)
摘要

利用定容燃烧弹试验系统,研究了不同初始温度、初始压力、甲醇裂解气添加比例和当量比对甲烷-甲醇裂解气预混层流燃烧速度和火焰的胞状不稳定性的影响,并在相同工况下进行了甲烷-一氧化碳混合燃料的试验,用以探究一氧化碳在甲醇裂解气中的作用。研究结果表明,甲烷-甲醇裂解气混合燃料的层流燃烧速度随着温度和甲醇裂解气添加比例的升高而增大,随压力的升高而降低;提高初始压力对热扩散不稳定性几乎没有影响,主要是由于火焰厚度减少使流体动力学不稳定性增强,从而导致火焰的胞状不稳定性增强。

关键词: 动力机械工程; 甲烷-甲醇裂解气混合燃料; 层流燃烧速度; 火焰的胞状不稳定性
中图分类号:TK464 文献标志码:A 文章编号:1671-5497(2018)05-1475-08
Influence of initial temperature and initial pressure on premixed laminar burning characteristics of methane-dissociated methanol flames
QIN Jing1, XU He1,2, PEI Yi-qiang2, ZUO Zi-nong2, LU Li-li1,2
1.Internal Combustion Engine Research Institute, Tianjin University, Tianjin 300072, China
2.State Key Laboratory of Engines, Tianjin University, Tianjin 300072, China
Abstract

Experiments were conducted in a constant-volume combustion chamber system to study the laminar burning velocity and flame cellular instability of methane with dissociated methanol at different temperatures, pressures, dissociated methanol fractions, equivalence ratio. Experiments were also done to methane with carbon monoxide in the same conditions. The results show that the laminar burning velocity increases with the temperature and dissociated methanol fraction, while decreases with the increase in pressure. With the increase in pressure, hydrodynamic effect caused by significant reduction of the flame thickness plays an important role in the flame cellular instability.

Keyword: power machinery and engineering; methane-dissociated methanol fuel; laminar burning velocity; flame cellular instability
0 引 言

天然气(主要成分为CH4)作为非常有潜力的发动机替代燃料之一, 如今已得到了广泛应用。但是天然气发动机存在燃烧持续期长、循环变动大、燃烧效率较低等缺点[1, 2]。而氢气(H2)的燃烧速度快, 将H2添加到天然气中能够明显缩短燃烧持续期, 降低循环变动, 提高燃烧效率[3, 4, 5]。但是, H2的工业制备成本较高, 且难以储存和运输。而甲醇原料来源广泛, 制备工艺成熟, 成本也较低, 可以利用发动机废气余热将甲醇催化裂解为甲醇裂解气(DM, 主要成分为H2和CO), 再通过进气道导入缸内燃烧[6], 弥补H2的不足, 更具有研究价值。此外, 中国煤资源比较丰富, 通过裂解煤来制取甲醇也可以达到清洁利用煤的目的。

燃烧学界对天然气掺氢(CH4/H2混合燃料)以及甲醇裂解气(H2/CO混合燃料)的预混层流燃烧进行了大量研究, 但是, 对于CH4/H2/CO混合燃料的研究相对较少:Hu等[7]研究了初始温度、初始压力和H2浓度对CH4/H2混合燃料预混层流燃烧速度的影响; Okafor等[8]发现H2浓度的增大将导致火焰不稳定性增强; Lapalme等[9]研究了CH4、CO2的添加对H2/CO层流燃烧速度的影响, 发现将CH4加入到H2/CO中会使层流燃烧速度降低; Liu等[10]用数值模拟的方法研究了将H2和CO添加到CH4中对其层流火焰特性的化学效应和热扩散效应的影响; Cheng等[11]在常压和室温条件下研究了燃料成分的变化对CH4/H2/CO混合燃料火焰特性的影响, 但H2的含量仅有10%和20%, 且并未研究初始温度和初始压力的影响。在此基础上, 有必要全面研究初始温度、初始压力、燃料比例和当量比等参数对CH4/DM混合燃料层流燃烧特性的影响, 这不仅能够丰富CH4/H2/CO混合燃料层流燃烧基础数据, 也能够为天然气-甲醇裂解气在发动机上的实际应用提供重要的基础理论支撑。

随着火焰可视化技术的发展, 在定容燃烧弹内采用纹影法可直接记录火焰的发展历程, 且试验过程容易控制, 同时数据处理也较为方便。所以本文采用了定容燃烧弹-纹影系统进行预混层流燃烧特性的试验研究。因为天然气的主要成分为CH4、甲醇完全裂解产物为H2和CO、干空气的主要成分为N2和O2, 为了方便研究, 本文采用了CH4来代替天然气, 并用体积比H2: CO=2: 1的混合气来模拟甲醇裂解气, 用体积比N2: O2=79: 21的混合气来模拟干空气。此外, 为了探究CO在DM中的作用, 本文同时进行了CH4/CO混合燃料预混层流燃烧特性的研究。试验中涉及到的初始温度为343、393、443 K, 初始压力为0.1、0.3、0.5 MPa, DM(或CO)体积比为0%、20%、40%、60%、80%, 当量比为0.8~1.4。

1 试验装置和方法

试验装置主要包括定容燃烧弹、点火系统、高速摄像与纹影系统、进排气系统、控制系统和数据采集系统, 如图1所示。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic representation of experimental system

定容燃烧弹为内径350 mm, 容积22.4 L的球形空腔, 其两侧装有视窗有效通径为100 mm, 厚度为40 mm的石英玻璃, 为纹影系统提供光学通路。弹体外部均匀包裹着加热带, 通过温度控制系统, 使试验温度保持在给定温度的± 5 K范围内。为了保证定容燃烧弹受热均匀, 将其加热至试验温度并静置半小时后再进行试验。定容燃烧弹内装有中心电极, 点火间隙为0.15 mm, 通过电容放电来实现点火。在点火之前静置5 min, 以确保混合气混合均匀。高速摄像与纹影系统由100 W的钨卤素灯、凹面镜、反射镜和Phantom V7.3高速摄像机组成, 试验中采用的拍摄速度为10000幅/s, 能够达到512× 512像素。

试验时, 在给定的当量比及混合气比例下, 依据分压法原理, 依次将CH4、H2、CO和干空气通过入口阀充入定容燃烧弹。通过控制系统实现点火和高速摄像同步触发。在完全燃烧后, 通过进、排气系统实现排气、扫气和抽真空过程, 再继续进行下一次试验。试验至少重复两次, 以确保测试的可靠性。试验中所用H2纯度为99.9%, CO纯度为99.5%, CH4纯度为99.9%。此外, 定义XDM为甲醇裂解气在CH4/DM混合燃料中的体积分数, XCO为CO在CH4/CO混合燃料中的体积分数:

XDM=VH2+VCOVH2+VCO+VCH4(1)XCO=VCOVCO+VCH4(2)

式中: VH2、VCO、VCH4分别为混合燃料中氢气、一氧化碳和甲烷的体积。

2 数据计算方法
2.1 层流燃烧速度和Markstein长度

层流燃烧速度是燃烧过程中的基本参数, 也是湍流燃烧速度测定的基本参数, 可用于验证化学反应机制, 对内燃机的设计与优化具有重要的意义。而Markstein长度则反映了可燃混合气燃烧速度对火焰拉伸的敏感程度, 可以预测层流燃烧的稳定性。

球形火焰传播过程中存在的火焰拉伸现象是由火焰面积随时间的变化引起的。拉伸火焰传播速度 Sn定义为火焰半径R随时间t的变化率:

Sn=dRdt(3)

对于球形火焰面, 在火焰表面任意点上的拉伸率K一般定义为火焰表面任意微元面积A的对数值对时间t的导数:

K=d(lnA)dt=2RdRdt=2RSn(4)

在火焰膨胀的早期阶段, Sn与K之间存在经典的线性关系:

Sl-Sn=LbK(5)

式中: Sl为无拉伸火焰传播速度; Lb为Markstein长度。

Chen[12]发现拉伸火焰速度随着拉伸速率的变化会受到Lewis数(Le)的影响, 采用线性方法计算存在一定误差, 并提出了相关的非线性模型:

当Le≤ 1时:

ln(Sn)=ln(Sl)-SlLb2RSn(6)

当Le≥ 1时:

Sn=Sl-SlLb2R(7)

因为混合物中有多种燃料, 所以本文采用基于体积加权计算方法得到的混合物有效Lewis数L eeff[13, 14]:

Leeff=∑k=1n(XkLek)(8)

式中:n为混合燃料中物质种类的总数目; Xk为混合燃料中k组分所占的体积分数; Lek为混合燃料中k组分对应的Le。

无拉伸层流燃烧速度 Su0计算方法如下:

S0u=Sl(ρbρu)(9)

式中: ρb、ρu分别为已燃和未燃混合气的密度。

2.2 影响试验结果准确性分析

影响试验结果准确性的因素主要来自试验设备和数据计算方法。本文采用了大体积的球形定容燃烧弹, 减小了容弹对火焰发展过程的影响。此外, 为避免点火初期点火能量以及火焰发展后期压力升高的影响[15], 在计算 Sn时选取的R范围为8~24 mm, 考虑到在不同工况下由于混合气成分、当量比、温度和压力不同, 而导致出现胞状结构的时间不同, 因此还需要根据实际情况来选取胞状结构产生之前的R[16]。

在提取 Sl和 Lb时, 本文采用了Chen[12]提出的改进后的非线性方法。对于Le改变比较大的混合物, 相比线性方法, 非线性模型对 Sl的改善在10%以内, 但却对 Lb的改善达到了100%, 甚至更大。

本文中, CH4/DM混合燃料和CH4/CO混合燃料的层流燃烧速度始终高于0.2 m/s, 因此浮力不稳定性和辐射的影响较小, 可以忽略[17]。最后, 考虑到燃料配比等实际操作控制, 发现同一工况下的不同重复试验得到的 S0u的误差不超过5%。

2.3 影响胞状不稳定性的重要参数

除了层流燃烧速度, 在火焰表面形成并发展的胞状结构是预混火焰最重要的热物理特性之一。影响胞状不稳定性的主要因素是流体动力学不稳定性和热扩散不稳定性。流体动力学不稳定性主要通过热力学膨胀比σ 和火焰扩散厚度lf表征。σ 越大, lf越小, 则流体动力学不稳定性越强。σ 定义为未燃区混合气密度与已燃区混合气的密度之比:

σ=ρu/ρb(10)

本文采用Law等[18]提出的特征火焰厚度lf:

lf=λ/CpρuS0u(11)

式中: λ和Cp分别为混合物的热导率和定压比热容。根据Mathur等[19] 的建议, λ根据不同物质的体积加权得到, Cp根据不同物质的质量加权得到。

热扩散不稳定性是由火焰的热扩散和质扩散不对等引起的, 主要通过无量纲参数Leeff表征。

3 结果与分析
3.1 层流燃烧速度和Markstein长度与当量比的关系

图2(a)为不同XDM和XCO下层流燃烧速度 S0u与当量比 Φ的关系。图中给出了Cai等[20]在353 K、0.3 MPa下得到的CH4/空气的层流燃烧速度数据(用实心星形图标代表), 与本文试验结果相比一致性较好。研究表明, CH4的层流燃烧速度峰值出现在Φ =1.1处[21], DM的层流燃烧速度峰值出现在Φ =1.8处[22]。本文将CH4与DM掺混后, 当XDM为20%、40%、60%时层流燃烧速度峰值出现在Φ =1.2处, 恰好在Φ =1.1~1.8区间。当XDM=80%时, 层流燃烧速度峰值向浓混合气方向移动。此外, 当量比一定时, 层流燃烧速度会随着XDM的增加而显著升高, 也会随着XCO 的增加有一定提高, 但二者相比CO对CH4层流燃烧速度的提升效果却远不如相同添加比例的DM, 证明DM中的H2对提高CH4层流燃烧速度起主要的促进作用。图2(b)(c)为CH4/DM混合燃料在不同初始温度和不同初始压力下, 层流燃烧速度与当量比的关系。由图可知, 层流燃烧速度随着初始温度升高而增大, 随着初始压力的升高而降低。

图2 层流燃烧速度与当量比的关系Fig.2 Laminar burning velocities versus equivalence ratio

图3(a)为不同XDM下Markstein长度与当量比的关系。由图可知, 随着XDM的增加, Markstein长度减小, 说明添加DM后火焰对拉伸不敏感, 火焰趋于不稳定, 且添加比例越大, 火焰的不稳定性倾向越强。当XDM一定时, Markstein长度随当量比的升高而增大, 说明稀燃时火焰的不稳定性倾向更加明显。图3(b)为CH4/DM混合燃料在不同初始温度下Markstein长度与当量比的关系。由图可知, 不同初始温度下的Markstein长度变化较小。图3(c)为CH4/DM混合燃料在不同初始压力下Markstein长度与当量比的关系。由图可知, 随着初始压力的增加, Markstein长度减小, 这表明升高压力火焰不稳定性倾向增加。

图3 Markstein长度与当量比的关系Fig.3 Markstein length versus equivalence ratio

3.2 火焰的胞状不稳定性

图4给出了初始温度为343 K, 添加气比例为40%时, 不同初始压力和不同当量比下添加气分别为DM和CO的纹影图像。由图4(a)可知, 当添加气为DM、初始压力为0.1 MPa时, 火焰表面始终保持光滑。而当初始压力升高后, 火焰表面开始产生裂纹, 这些裂纹不断生长和分支, 直到胞状结构出现在整个火焰表面, 如图4(c)所示。由图4(b)可知, 当添加气为CO、初始压力为0.3 MPa时, 火焰表面始终保持光滑, 初始压力升高到0.5 MPa后胞状结构出现, 由此可见, 升高压力使CH4/CO火焰趋于不稳定, 这与在CH4中加入DM的趋势一致。

图4 Φ =0.8、1.0、1.2时不同初始压力下的纹影图像Fig.4 Schlieren images at different initial pressures when Φ =0.8、1.0、1.2

图5给出了初始温度为343 K、添加气比例为40%时, 不同初始压力下添加气分别为DM和CO的混合物其有效Lewis数、热力学膨胀比及火焰厚度与当量比的关系。图5(a)中, 同种添加气下, 升高初始压力, 混合物的质扩散系数和热扩散系数同时减少, 导致混合物有效Lewis数几乎保持相同的值, 这说明在相同当量比下改变初始压力对火焰的热扩散不稳定性影响极小。此外, 当添加气为DM时, 混合物的有效Lewis数均小于1; 当添加气为CO时, 混合物的有效Lewis数均大于1。这表明添加DM更容易导致火焰的热扩散不稳定性增强, 这是因为H2的Lewis数较小, 所以加入含有H2的DM使火焰的热扩散不稳定增强。图5(b)中, 同种添加气下, 随着初始压力的升高, 热力学膨胀比增加, 但增加的幅度较小。图5(c)中, 同种添加气下, 随着初始压力的升高, 火焰厚度大幅减小, 曲率的影响变弱, 火焰不稳定的倾向加强。这表明, 对于CH4/DM混合燃料和CH4/CO混合燃料, 随着初始压力的升高, 因火焰厚度显著减少而产生的流体动力学效应对火焰的胞状不稳定起到主要作用。此外, 在初始压力一定时, 将添加气由DM变为CO, 热力学膨胀比略微增加, 火焰厚度基本不变, 即流体动力学不稳定性略微增强, 然而火焰的胞状不稳定性减弱, 这说明添加气为CO时热力学效应对于火焰的胞状不稳定性起到十分重要的作用, 这与参考文献[10]用数值模拟的方法得出的结论一致。

图5 不同初始压力下的混合物有效Lewis数、热力学膨胀比和火焰厚度Fig.5 Leeff、σ and lf at different initial pressures

由图4(a)和图4(b)可知, 在当量比为0.8~1.2、添加气为DM时, 增加当量比会使火焰趋于稳定; 当添加气为CO时, 增加当量比会使火焰趋于不稳定, 这与图3得出的结论一致。图5(a)中, 当添加气为DM时, 随着当量比增加, 混合物有效Lewis数增大, 热扩散不稳定性减弱; 当添加气为CO时, 随着当量比增加, 混合物有效Lewis数基本不变, 热扩散不稳定性维持稳定。图5(b)中, 随着当量比增加, 热力学膨胀比先增后减, 这表明随着当量比的增加, 由热力学膨胀比引起的流体动力学不稳定性先增后减。图5(c)中, 随着当量比的增加, 火焰厚度减小, 由火焰厚度引起的流体动力学不稳定性增强。这表明当量比从0.8增加到1.2的过程中, 对于CH4/DM混合燃料, 热力学效应对火焰的胞状不稳定性起到了主导性作用; 对于CH4/CO混合燃料, 流体动力学效应对火焰的胞状不稳定性起到了主导性作用。

图6给出了初始压力为0.3 MPa, 添加气比例为40%时, 不同温度和不同当量比下, 添加气分别为DM和CO的纹影图像。由图6(a)和图6(b)可知, 在同种添加气下, 当升高初始温度时, 火焰表面形态变化不大, 这说明火焰的胞状不稳定性对初始温度不敏感, 这与图3得出的结论一致。

图6 Φ =0.8、1.0、1.2时不同温度下的纹影图像Fig.6 Schlieren images at different initial temperatures when Φ =0.8、1.0、1.2

图7给出了初始压力为0.3 MPa、添加气比例为40%、不同初始温度下添加气分别为DM和CO的混合物其有效Lewis数、热力学膨胀比及火焰厚度与当量比的关系。图7(a)中, 在同种添加气下随着初始温度的升高, 混合物有效Lewis数略有增加, 表明升高初始温度会导致热扩散不稳定性略微减弱。由图7(b)和图7(c)可知, 在同种添加气下, 随着初始温度的升高, 热力学膨胀比和火焰厚度均减小。热力学膨胀比减小导致流体动力不稳定性减弱, 然而火焰厚度减小将导致流体动力不稳定性增强。这表明, 对于CH4/DM混合燃料和CH4/CO混合燃料, 升高初始温度, 热力学效应和流体动力学效应的综合影响使得火焰的胞状不稳定性变化不大。

图7 不同初始温度下的混合物有效Lewis数、热力学膨胀比和火焰厚度Fig.7 Leeff、σ and lf at different initial temperatures

4 结 论

(1)在CH4中添加DM或CO均能增加层流燃烧速度, 但是CO对CH4层流燃烧速度的提升效果远不如相同添加比例下的DM, 即DM中的H2对提高CH4层流燃烧速度起主要的促进作用。对于CH4/DM混合燃料, XDM=20%、40%、60%时层流燃烧速度峰值出现在Φ =1.2处, XDM=80%时层流燃烧速度峰值向浓混合气方向移动。CH4/DM混合燃料的层流燃烧速度随初始温度增加而升高, 随初始压力的增加而降低。

(2)在CH4中加入DM后火焰的胞状不稳定性显著增加, 而加入CO对火焰的胞状不稳定性影响较小, 即DM中H2对于增加火焰的胞状不稳定性起主导作用。对于CH4/CO混合燃料, 热力学效应对于火焰的胞状不稳定性起到十分重要的作用。

(3)对于CH4/DM混合燃料, 提高初始压力对热扩散不稳定性几乎没有影响, 主要是由于火焰厚度减少使流体动力学不稳定性增强, 从而导致火焰的胞状不稳定性增强。提高初始温度, 热扩散不稳定性和流体动力学不稳定性的综合影响使得火焰的胞状不稳定性变化不大。

The authors have declared that no competing interests exist.

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