曹甄俊，朱 彤

（同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海201804）

隨著工業(yè)化進(jìn)程的快速發(fā)展，能源與環(huán)境問題受到全球各國廣泛關(guān)注.化石燃料持續(xù)消耗導(dǎo)致溫室氣體及有害物質(zhì)大量排放，全球變暖已成為當(dāng)前最嚴(yán)重的環(huán)境問題［1］.研究表明，煙氣再循環(huán)（EGR）是降低燃燒過程N(yùn)Ox排放的有效措施［2－3］.利用爐內(nèi)煙氣稀釋反應(yīng)氣體，使得燃燒反應(yīng)在低氧狀態(tài)進(jìn)行，降低了火焰溫度，從而達(dá)到低NOx排放的目的.利用煙氣再循環(huán)技術(shù)可以擴(kuò)大燃燒放熱區(qū)域，降低放熱速率，并且能有效抑制燃燒過程熱聲振蕩現(xiàn)象的發(fā)生［4］.在煙氣再循環(huán)技術(shù)基礎(chǔ)上，近年來發(fā)展了稀薄燃燒技術(shù)（lean burn）［5］，高溫空氣燃燒技術(shù)（HiTAC，又稱無焰氧化燃燒flameless oxidation）［6］和多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)［7］等諸多高效潔凈燃燒技術(shù).然而，在稀釋燃燒條件下，火焰燃燒速度降低且易造成熄火.由于燃料及燃燒條件的不同，煙氣組分也有較大差異，利用煙氣再循環(huán)技術(shù)需要考慮不同混合氣組分及運(yùn)行參數(shù)對燃燒特性的影響，例如層流燃燒速度、點(diǎn)火延遲時(shí)間、可燃極限等.其中，層流燃燒速度SL是可燃混合氣的重要基礎(chǔ)參數(shù)，包含了燃燒過程的詳細(xì)熱化學(xué)信息，與燃料消耗速率、燃燒工況及污染物排放密切相關(guān)［8］.層流燃燒速度對進(jìn)一步研究湍流火焰有重要價(jià)值，它為湍流火焰結(jié)構(gòu)、湍流火焰速度研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（如在湍流火焰面模型（flamelet model）中為G 方程提供速度參數(shù)［9］）.

以天然氣（主要成分為CH4）為代表的清潔燃料正越來越多地應(yīng)用于工業(yè)加熱、大型鍋爐、燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)等領(lǐng)域中.因此，關(guān)于甲烷燃料基礎(chǔ)燃燒特性，包括層流燃燒速度、火焰穩(wěn)定性等引起廣泛關(guān)注［10－12］.Selle 等［13］利 用 實(shí) 驗(yàn) 和2 維 直 接 模 擬（DNS）方法對甲烷－空氣層流燃燒速度進(jìn)行測定和研 究.Huang 等［14］用 定 容 彈 法（constant－volume bomb），在常溫和常壓條件下對天然氣－氫氣－空氣混合氣體層流燃燒特性進(jìn)行研究，并給出混合氣體層流燃燒速度擬合公式.此外，Starik等［15］還研究了單態(tài)氧對甲烷－空氣層流火焰燃燒反應(yīng)速度.然而，對稀釋燃燒條件下甲烷燃燒熱化學(xué)特性研究較少，缺少關(guān)于不同稀釋氣體導(dǎo)致甲烷－空氣層流預(yù)混火焰燃燒反應(yīng)路徑、中間產(chǎn)物差異性分析.因此，開展對甲烷－空氣在稀釋條件下層流預(yù)混火焰燃燒特性研究不僅具有重要的理論價(jià)值，而且對于燃燒室和燒嘴設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)際意義.

本文利用詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理對甲烷－空氣－稀釋氣層流預(yù)混火焰燃燒特性進(jìn)行研究.改變稀釋氣體種類、化學(xué)當(dāng)量比、稀釋比和初始壓力等條件，對層流燃燒速度和火焰穩(wěn)定性進(jìn)行分析和比較，結(jié)合前人相同或相近實(shí)驗(yàn)條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對本文計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證.

1 計(jì)算模型

本文采用美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室提供的預(yù)混燃燒模型（PREMIX Code）［16］對絕熱穩(wěn)態(tài)平面預(yù)混火焰燃燒特性進(jìn)行研究.PREMIX Code可以對系統(tǒng)質(zhì)量守恒、能量守恒以及組分守恒方程聯(lián)立求解，能夠模擬具有復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)的層流火焰.計(jì)算過程中，未燃混合氣流量保持0.04g·（cm2·s）－1.對流項(xiàng)采用迎風(fēng)差分格式，采用混合物平均方法計(jì)算擴(kuò)散系數(shù).計(jì)算過程中使用自適應(yīng)網(wǎng)格，求解方程采用阻尼牛頓法，迭代過程的相對和絕對誤差均不超過10－6.為了減小計(jì)算邊界對混合區(qū)的影響，要求計(jì)算區(qū)域足夠長.經(jīng)驗(yàn)證，在本文中，計(jì)算區(qū)域取0 ～2.0cm，滿足計(jì)算要求.

在燃燒化學(xué)反應(yīng)模擬中，燃燒反應(yīng)機(jī)理的選擇對于燃燒特性及火焰結(jié)構(gòu)預(yù)測具有重要影響.目前，國際上關(guān)于甲烷燃燒詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理較多，比較著名的有GRI－Mech 3.0［17］（考慮了53種組分，325步基元反應(yīng)），San Diego Mechanism［18］（考慮了46種組分，235步基元反應(yīng)）以及USC Mech 2.0［19］（考慮了111種組分，784步基元反應(yīng)）.

為了驗(yàn)證上述3 種機(jī)理對于計(jì)算甲烷－空氣層流燃燒特性的適應(yīng)性，本文首先計(jì)算了不同化學(xué)當(dāng)量比下甲烷－空氣預(yù)混層流燃燒速度SL.其中，化學(xué)當(dāng)量比是控制燃燒的一個(gè)重要物理參數(shù)，化學(xué)當(dāng)量比定 義 為φ＝（A／F）stoic／（A／F）＝（F／A）／（F／A）stoic.式中，A表示氧化劑質(zhì)量，F(xiàn)表示燃料質(zhì)量，下標(biāo)stoic表示化學(xué)當(dāng)量.圖1給出了3種機(jī)理對應(yīng)的甲烷－空氣層流火焰燃燒速度SL計(jì)算值，并與Gu等［11－12，20］實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比.由圖1可知，隨著化學(xué)當(dāng)量比φ的增大，甲烷－空氣層流燃燒速度SL先增大而后變小，在化學(xué)當(dāng)量比φ＝1.0附近達(dá)到最大值.可以看出，利用這3種機(jī)理計(jì)算得到的甲烷－空氣層流火焰燃燒速度和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得非常好，特別是在φ＜1.25時(shí)，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值整體偏差在10%以內(nèi).然而，在φ＞1.25時(shí)，預(yù)測值略低于實(shí)驗(yàn)值.分析認(rèn)為，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因有2方面，一方面可能是由于實(shí)驗(yàn)測試手段誤差造成的，另一方面可能是由于在濃燃料燃燒條件下，上述3種反應(yīng)機(jī)理未包括燃燒過程中所出現(xiàn)的復(fù)雜反應(yīng)及中間產(chǎn)物.綜合考慮3種機(jī)理預(yù)測精度及計(jì)算復(fù)雜程度，本文采用GRI－Mech 3.0機(jī)理對甲烷－空氣層流預(yù)混火焰進(jìn)行研究，各研究工況為：初始溫度Tu＝298 K；化學(xué)當(dāng)量比φ＝0.5～1.5；壓力P＝0.05～0.40 MPa；稀釋氣體種類為N2，CO2，H2O；稀釋比X＝0～0.5.其中，稀釋比X定義為稀釋氣體摩爾數(shù)與混合氣體總摩爾數(shù)的比值.

圖1 不同當(dāng)量比下層流火焰燃燒速度計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值比較Fig.1 Comparison between predicted and measured burning velocities according to equivalence ratio for freely propagating premixed flames

2 結(jié)果與討論

2.1 層流預(yù)混火焰結(jié)構(gòu)分析

為了研究不同稀釋氣體對層流預(yù)混火焰燃燒速度的影響，首先需要對層流預(yù)混火焰結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.在φ＝1.0 時(shí)，4 種典型預(yù)混火焰（分別為無稀釋，XN2＝0.15，XH2O＝0.15及XCO2＝0.15）燃燒反應(yīng)物（CH4和O2）、主要燃燒產(chǎn)物（CO，CO2和H2O）、自由基（H，O，OH 和CH3）摩爾分?jǐn)?shù)分布情況及CH4反應(yīng)速率如圖2所示.

通過對CH4生成或消耗反應(yīng)速率進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)影響CH4生成或消耗速率主要反應(yīng)如下：

其中，反應(yīng)式右側(cè)標(biāo)號為該反應(yīng)在GRI－Mech 3.0中的序號.可見，OH，H，O 及CH3基團(tuán)對于CH4燃燒反應(yīng)非常重要.通過對4種CH4燃燒火焰結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，可知稀釋氣體的加入使得燃燒反應(yīng)物濃度下降，OH，O，H 及CH3基團(tuán)濃度也不同程度地降低，這在一定程度上抑制了鏈傳播和鏈引發(fā)反應(yīng)，最終造成CH4燃燒反應(yīng)速率變慢.

值得注意的是，一些稀釋氣體其實(shí)并非完全惰性.如在CO2稀釋情況下，CO2的加入可以影響CO氧化反應(yīng)，即.當(dāng)CO2濃度較高時(shí)，逆反應(yīng)速率將提高，CO2將被還原為CO.如圖2 所示，在采用CO2稀釋時(shí)，燃燒產(chǎn)生的CO 濃度高于其他稀釋燃燒工況.此外，稀釋氣體的加入使得火焰鋒面偏移至火焰下游，在CO2作為稀釋劑時(shí)影響最為明顯.由此推斷，稀釋氣體的參與使得燃燒反應(yīng)物濃度降低以及非反應(yīng)氣體比熱容增加，最終導(dǎo)致燃燒溫度的降低.故而，火焰中碳?xì)浠鶊F(tuán)（如CH3等）的燃燒反應(yīng)向溫度更高的下游位置移動.通過對不同稀釋劑燃燒條件下絕熱火焰溫度比較發(fā)現(xiàn)，CO2稀釋對燃燒溫度的降低最為明顯，因此在CO2稀釋下火焰鋒面偏移最為顯著，H2O 作為稀釋氣次之.可見，稀釋氣體的加入降低了可燃物及重要基團(tuán)濃度以及燃燒溫度，同時(shí)導(dǎo)致火焰鋒面位置產(chǎn)生偏移，這些因素最終對層流火焰燃燒特性及燃燒速度產(chǎn)生影響.

2.2 層流燃燒速度

圖3給出了甲烷－空氣－稀釋氣體層流燃燒速度計(jì)算值，并與Tahtouh等［21］在N2稀釋條件下測得的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對比.無論是N2，CO2還是H2O作為稀釋劑時(shí)，當(dāng)稀釋氣體成分增大時(shí)，層流火焰燃燒速度均逐漸變小.可以推斷，稀釋氣體的加入降低了反應(yīng)物濃度，使得燃燒溫度變低，從而導(dǎo)致燃燒反應(yīng)速率降低；在相同的稀釋比下，CO2稀釋條件下層流燃燒速度小于H2O 和N2稀釋時(shí)的層流燃燒速度.

圖3 不同稀釋氣體對層流燃燒速度的影響（Tu＝298K，P ＝0.1MPa，φ＝1.0）Fig.3 Comparison of laminar burning velocities as a function of dilution ratio according to the addition of diluents（Tu＝298K，P ＝0.1MPa，φ＝1.0）

圖4所示為在初始溫度Tu＝298K，甲烷－空氣預(yù)混氣體在不同壓力、不同化學(xué)當(dāng)量比下層流燃燒速度變化情況，計(jì)算值與Hassan等［22］實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合.計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)壓力升高時(shí)，層流火焰燃燒速度呈現(xiàn)下降趨勢.分析認(rèn)為，由于擴(kuò)散系數(shù)與壓力近似成反比，隨著壓力的升高，氣體運(yùn)動黏度逐漸變大，燃料從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的擴(kuò)散作用減弱，因此，壓力提高將導(dǎo)致火焰燃燒速度的降低.

圖4 不同壓力下甲烷－空氣層流預(yù)混火焰燃燒速度變化情況（Tu＝298K）Fig.4 Laminar burning velocity of methane／air flame as a function of equivalence ratio at various pressures（Tu＝298K）

2.3 火焰流動穩(wěn)定性及層流預(yù)混火焰厚度

通常，預(yù)混火焰中存在2 種固有火焰不穩(wěn)定性因素，即熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性和流動不穩(wěn)定性［11］.熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性主要源于反應(yīng)物各組分?jǐn)U散性質(zhì)不同，通常利用劉易斯數(shù)進(jìn)行表征；而流動不穩(wěn)定性則主要源于火焰鋒面的膨脹.本文主要探討稀釋氣體加入對層流預(yù)混火焰流動不穩(wěn)定性的影響.流動不穩(wěn)定性通常用熱膨脹比和火焰厚度來表征［23］.熱膨脹增大會增加流動不穩(wěn)定性，而火焰厚度增大則有利于抑制流動不穩(wěn)定性.

熱膨脹比定義為火焰前鋒面兩側(cè)未燃?xì)怏w與已燃?xì)怏w（反應(yīng)物與生成物）密度比.圖5為在Tu＝298K，P＝0.1MPa條件下，不同稀釋氣體在不同φ下熱膨脹比變化情況.可以看出，隨著稀釋比的增加，熱膨脹比逐漸變小，即火焰前鋒面兩側(cè)的密度比減小，因此，甲烷－空氣－稀釋氣火焰鋒面的流動不穩(wěn)定性得到抑制.從圖5中還可以看到，熱膨脹比隨著稀釋比變化斜率在研究范圍內(nèi)基本保持不變，當(dāng)φ＞0.8時(shí)，化學(xué)當(dāng)量比對熱膨脹比影響較小.計(jì)算結(jié)果表明，在本文研究范圍內(nèi)，3種稀釋氣體對熱膨脹率的影響并無顯著差異.

根據(jù)Poinsot等［24］推薦，較為準(zhǔn)確的層流火焰厚度δL定義為

式中：Tad表示絕熱火焰溫度；Tu表示未燃?xì)怏w溫度；T表示溫度；x表示軸向距離.

圖5 不同稀釋比下熱膨脹比（Tu＝298K，P＝0.1MPa）Fig.5 Thermal expansion ratio versus dilution ratio（Tu＝298K，P＝0.1MPa）

圖6 所 示 為 在 初 始 溫 度Tu＝298 K，P＝0.1 MPa，φ＝1.0條件下，火焰厚度隨稀釋比的變化情況.由圖可知，隨著稀釋比的增加，火焰厚度逐漸變大，這也意味著流動不穩(wěn)定性得到抑制.當(dāng)稀釋氣體為CO2時(shí)，火焰厚度變化最為顯著.

圖6 不同稀釋比下火焰厚度變化情況（Tu＝298K，P ＝0.1MPa，φ＝1.0）Fig.6 Flame thickness versus dilution ratio for different diluents（Tu＝298K，P ＝0.1MPa，φ＝1.0）

圖7所示為在初始溫度Tu＝298K，甲烷－空氣層流火焰厚度隨初始壓力P的變化情況.可以看到，隨著初始壓力P的變大，火焰厚度逐漸變小，在φ＝1.0附近達(dá)到最小值.然而，在相同當(dāng)量比下，進(jìn)一步提高初始壓力（P＞0.2 MPa），火焰厚度隨初始壓力升高變化不大.分析認(rèn)為，壓力對火焰燃燒溫度影響并不明顯，在不同壓力下火焰絕熱燃燒溫度變化較小.根據(jù)式（1）可知，此時(shí)火焰厚度主要取決于火焰溫度分布，即值的大小.故而，進(jìn)一步升高初始壓力對火焰厚度影響并不明顯.

圖7 不同化學(xué)當(dāng)量比下火焰厚度隨初始壓力的變化情況Fig.7 Flame thickness versus equivalence ratio for different initial pressures

3 結(jié)論

本文利用PREMIX Code結(jié)合GRI－Mech 3.0詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理對不同稀釋氣體下甲烷－空氣層流預(yù)混火焰特性進(jìn)行研究.研究結(jié)果表明，甲烷－空氣混合氣層流燃燒速度與稀釋氣體種類、稀釋比、化學(xué)當(dāng)量比及壓力等參數(shù)密切相關(guān).主要結(jié)論如下：

（1）隨著化學(xué)當(dāng)量比的增大，甲烷－空氣層流燃燒速度先增大而后變小，在當(dāng)量比φ＝1.0附近達(dá)到最大值.

（2）稀釋氣體的添加降低了反應(yīng)物濃度，導(dǎo)致火焰溫度下降，因此混合氣層流燃燒速度隨稀釋比的增加而減小.

（3）當(dāng)混合氣初始壓力升高時(shí)，層流燃燒速度及火焰厚度均降低，然而進(jìn)一步提高初始壓力，壓力增大對火焰厚度的影響并不明顯.

（4）隨著稀釋比的增加，火焰厚度逐漸增加，而熱膨脹比隨著稀釋比的增加而降低，火焰流動不穩(wěn)定性得到抑制.

（5）CO2作為稀釋氣對甲烷－空氣層流預(yù)混火焰燃燒速度及火焰厚度影響最大，N2作為稀釋氣影響最小，H2O 作為稀釋氣的影響介于兩者之間.

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