吳巨龍, 陳家興, 嚴(yán) 俊

(江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

能源是人類在地球上得以延續(xù)和發(fā)展進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)之一,常規(guī)能源以礦物能源為主,截至2020年,全球使用能源的82%主要來(lái)自礦物燃料,包括煤炭、石油和天然氣[1-3].隨著全球經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng),汽車行業(yè)飛速發(fā)展,但傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)對(duì)于石油的依賴性很強(qiáng),這就使人們對(duì)石油的需求量持續(xù)升高,而大的需求量導(dǎo)致石油燃燒產(chǎn)生大量污染物,這些污染物會(huì)對(duì)全球環(huán)境和人類健康造成嚴(yán)重的危害[4-8].

近年來(lái),為了應(yīng)對(duì)化石燃料短缺和內(nèi)燃機(jī)廣泛應(yīng)用帶來(lái)的污染問題,替代燃料備受關(guān)注.目前可以用于替代內(nèi)燃機(jī)燃料的有天然氣、合成氣和其他生物燃料,其中可再生生物燃料,如生物柴油和生物乙醇,是目前研究的熱點(diǎn).生物乙醇,原料來(lái)自木質(zhì)纖維素、玉米、木材等,被認(rèn)為是最有前途的一種火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的替代燃料,具有熱效率高、排放低等優(yōu)點(diǎn)[9-12].另一個(gè)備受關(guān)注的清潔能源是氫氣.氫氣與碳?xì)淙剂匣旌峡梢蕴岣呷剂系幕鹧嫠俣?從而提高內(nèi)燃機(jī)的熱效率,而氫氣在燃燒后不會(huì)產(chǎn)生污染,是一種非常潔凈的能源,而且氫氣本身還可以作為助燃劑提高內(nèi)燃機(jī)的打火效率[13-15].因此,對(duì)富氫乙醇發(fā)動(dòng)機(jī)的研究很有價(jià)值,但是目前的研究大部分圍繞它的性能和排放方面展開,對(duì)一些基礎(chǔ)的燃燒性質(zhì)關(guān)注較少.

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)乙醇或者氫氣的層流燃燒特性進(jìn)行了研究,但是對(duì)于含氫乙醇的層流燃燒特性研究較少.Xu等[16]研究了包含乙醇、乙酸乙酯、乙醚、丙酮和2-丁酮混合燃料的層流燃燒特性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)量比為1.1的時(shí)候,混合燃料的燃燒速度最快;在相同當(dāng)量比下,層流燃燒速度隨初始溫度的升高而增加,隨初始?jí)毫Φ脑黾佣档?馬克斯坦長(zhǎng)度隨當(dāng)量比的增大而減小,當(dāng)量比為1.4時(shí),馬克斯坦長(zhǎng)度小于零,說明火焰不穩(wěn)定性隨著當(dāng)量比的增大而增大.Li等[17]研究了加氫對(duì)甲烷、乙烷和丙烷的層流火焰速度的影響,結(jié)果表明:隨著氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,甲烷層流燃燒速度的增加幅度明顯大于其他2種燃料.Li等[10]研究了在383 K、0.1 MPa下不同當(dāng)量比的乙醇?xì)錃饣旌衔锏膶恿魅紵匦?結(jié)果顯示:當(dāng)量比低于1.4時(shí),馬克斯坦長(zhǎng)度隨氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小,表明火焰不穩(wěn)定性隨氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加,而當(dāng)量比大于1.4時(shí)則有相反的結(jié)論.

實(shí)驗(yàn)采用定容燃燒彈法,配合紋影系統(tǒng),通過向外傳播的球形火焰來(lái)觀察層流火焰的燃燒特性.采用數(shù)值模擬仿真計(jì)算的方法,從化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的角度分析了乙醇-氫氣混合燃料的層流燃燒特性.

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)是在定容燃燒彈內(nèi)完成的,采用了Z型的高速紋影系統(tǒng)以及圖像采集系統(tǒng)來(lái)拍攝火焰?zhèn)鞑r(shí)的紋影圖像,實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,主要包括定容燃燒彈系統(tǒng),紋影成像系統(tǒng),點(diǎn)火系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimentalsetup

實(shí)驗(yàn)采用的定容燃燒彈是一個(gè)外形輪廓為0.2 m×0.2 m×0.2 m的正方體,內(nèi)部容積為2.067 L.定容燃燒彈的6個(gè)外表面均預(yù)留了直徑為122 mm的安裝孔,2個(gè)相對(duì)的側(cè)面安裝了直徑為90 mm的透明玻璃,這給Z型紋影成像系統(tǒng)提供了光學(xué)通道.剩余的幾個(gè)面安裝了加熱功率為60 W的加熱電阻以及溫度和壓力傳感器,通過加熱定容燃燒彈間接將其內(nèi)部的乙醇-氫氣-空氣混合氣加熱到指定溫度.每次實(shí)驗(yàn)前使用真空泵將定容燃燒彈內(nèi)壓力抽至0.01 MPa以下,低壓的環(huán)境可以使得乙醇快速汽化.定容燃燒彈內(nèi)有2個(gè)直徑0.4 mm的鉑金電極絲,點(diǎn)火系統(tǒng)控制其產(chǎn)生大約0.015 J的能量進(jìn)行電火花點(diǎn)火.實(shí)驗(yàn)時(shí),高速攝像機(jī)、點(diǎn)火系統(tǒng)、示波器通過同步觸發(fā)器同時(shí)啟動(dòng),保證點(diǎn)火后實(shí)時(shí)記錄圖像和信號(hào)信息.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后沖洗定容燃燒彈內(nèi)廢氣5次以保證下次實(shí)驗(yàn)的正確性.

實(shí)驗(yàn)設(shè)置初始溫度為400 K,初始?jí)毫?.1 MPa,當(dāng)量比為0.7～1.6,每次實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性.

1.2 定壓法計(jì)算層流燃燒速度

定壓法通常又被稱為圖像法,定壓法計(jì)算層流燃燒速度即根據(jù)火焰的紋影圖像來(lái)計(jì)算層流燃燒速度.在實(shí)驗(yàn)過程中,定容燃燒彈內(nèi)部的球形火焰通常都會(huì)受到點(diǎn)火能量和容彈彈體的影響,因此火焰在傳播時(shí)分為3個(gè)階段,分別為點(diǎn)火影響階段、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段以及容壁限制階段.在火焰發(fā)展前期和火焰后期均不符合準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)燃燒條件,因此本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的時(shí)候采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)燃燒階段.

初始溫度為400 K,初始?jí)毫?.1 MPa下,某一時(shí)刻火焰前鋒半徑為圖2所示的內(nèi)圓半徑.

圖2 火焰前鋒半徑Fig.2 Flame front radius

根據(jù)式(1)可以計(jì)算出實(shí)際火焰半徑,

(1)

式中:ru為實(shí)際火焰半徑,mm;Au為紋影火焰面積,mm2;A為紋影視窗面積,mm2;r為實(shí)際視窗半徑,mm.

在獲得了實(shí)際火焰半徑后,拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤梢杂墒?2)得到,

(2)

式中,Sb為拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣?mm·s-1;t為點(diǎn)火后經(jīng)過的時(shí)間,s.拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣仁腔鹧姘霃絩u對(duì)時(shí)間t的變化率.火焰在傳播期間會(huì)受到拉伸作用的影響,火焰拉伸率代表球狀火焰面上一個(gè)無(wú)限小單元面積的對(duì)數(shù)對(duì)時(shí)間的變化率,而對(duì)于球形膨脹火焰,對(duì)火焰拉伸率的推導(dǎo)過程如下:

(3)

式中,α為火焰拉伸率,s-1.

為了得到無(wú)拉伸層流火焰速度,必須消除火焰拉伸率對(duì)拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?一般用外推法來(lái)消除影響[16,18],包括線性外推法和非線性外推法.非線性外推法可以用式(4)來(lái)表示,

(4)

層流燃燒速度可以反映預(yù)混燃料的燃燒特性,也對(duì)燃燒模型的建立和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的驗(yàn)證有著重要作用.雖然燃料燃燒過程受膨脹的影響,但可以認(rèn)為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)燃燒期間的壓力是常數(shù),根據(jù)質(zhì)量守恒原理,初始狀態(tài)下層流燃燒速度可以表示為

(5)

式中:ρb和ρu是已燃?xì)馀c未燃?xì)獾拿芏? kg·m-3,可以通過Chemkin熱平衡反應(yīng)模型得到;Su是混合氣在初始溫度和初始?jí)毫ο碌膶恿魅紵俣?mm·s-1.

由于火焰面前后的已燃?xì)夂臀慈細(xì)饷芏鹊牟贿B續(xù)性,流體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性總會(huì)出現(xiàn)在球形膨脹火焰中.火焰厚度是反應(yīng)層流預(yù)混火焰不穩(wěn)定性的一個(gè)重要參數(shù),本文采用黏性火焰厚度來(lái)計(jì)算,見式(6).

(6)

式中:δ1為黏性火焰厚度,mm;v是未燃?xì)獾膭?dòng)力黏度,mm2·s-1.

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣?/h3>

乙醇和含體積分?jǐn)?shù)為50%的氫氣的乙醇混合氣燃燒拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣入S火焰拉伸率的變化如圖3所示.從圖中可以看到,拉伸率對(duì)拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣扔酗@著的影響,隨拉伸率的增加拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小,特別是在低當(dāng)量比時(shí)尤為明顯,同時(shí)當(dāng)量比φ范圍為0.7～1.4時(shí),含有50%氫氣的乙醇燃料在低當(dāng)量比時(shí)也可以被點(diǎn)燃,而乙醇卻不可以,這代表添加氫氣可以降低乙醇的可燃極限.由于乙醇和氫氣擴(kuò)散特性不同,氫氣的擴(kuò)散系數(shù)明顯高于乙醇,因此氫氣的加入促進(jìn)了乙醇的擴(kuò)散,從而增加了乙醇空氣的不穩(wěn)定性,使乙醇的可燃燒范圍得到了提升.將拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣入S火焰拉伸率的變化關(guān)系采用非線性外推的方法外推至拉伸率α=0時(shí),即可得到該當(dāng)量比下的無(wú)拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣?圖3(a)顯示乙醇燃料在當(dāng)量比為1.2時(shí)獲得了最大無(wú)拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣?為3.95 m·s-1.,而在圖3(b)中含有50%氫氣的乙醇燃料在當(dāng)量比為1.3時(shí)獲得了最大無(wú)拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣?為5.58 m·s-1,結(jié)果表明含有50%氫氣的乙醇燃料比純乙醇的最大無(wú)拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?增值為1.63 m·s-1..

(a) 乙醇(b) 含50%氫氣的乙醇

2.2 層流燃燒速度

乙醇和含有50%氫氣的乙醇層流燃燒速度隨當(dāng)量比的變化如圖4所示.含有50%氫氣的乙醇層流燃燒速度明顯大于純乙醇的層流燃燒速度,同一當(dāng)量比下層流燃燒速度差值最大達(dá)到394 mm·s-1.這是由于乙醇-氫氣混合氣的層流燃燒速度受到了氫氣的影響,氫氣的化學(xué)反應(yīng)速率要比乙醇大得多,在純乙醇燃料中加入氫氣使得混合燃料的總體化學(xué)反應(yīng)速率得到提升,混合燃料的層流燃燒速度變快.同時(shí)從圖中還可以看出在富燃一側(cè)含有50%氫氣的乙醇混合氣的層流燃燒速度比純乙醇快得多,而在貧燃一側(cè)這個(gè)差值沒那么大.橫向來(lái)看,純乙醇層流燃燒速度在當(dāng)量比為1.2時(shí)達(dá)到最大值,含有50%氫氣的乙醇層流燃燒速度在當(dāng)量比為1.3時(shí)達(dá)到最大值,表明燃料的層流燃燒速度隨當(dāng)量比的增大先變大再減小,而且隨著大量氫氣的加入,乙醇層流燃燒速度的最大值往右偏移.

圖4 乙醇和含有50%氫氣的乙醇層流燃 燒速度隨當(dāng)量比的變化Fig.4 The laminar burning rate of ethanol and ethanol containing 50% hydrogen varies with the equivalent ratio

2.3 火焰厚度

乙醇和含有50%氫氣的乙醇燃燒火焰厚度隨當(dāng)量比的變化如圖5所示.燃料在燃燒過程中存在流體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性,火焰厚度越大,其流體動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性越好.對(duì)應(yīng)不同當(dāng)量比,純乙醇的火焰厚度總是大于含有50%氫氣的乙醇混合燃料的火焰厚度.這表明在乙醇中添加氫氣使混合燃料的火焰厚度減小,流體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性增大.橫向來(lái)看,隨著當(dāng)量比的增加,純乙醇和含50%氫氣的乙醇燃燒火焰厚度均先減小后增大,且在當(dāng)量比為1.2時(shí)取得最小值,分別為30.368 μm和26.588 μm.

圖5 乙醇和含50%氫氣的乙醇燃燒火焰 厚度隨當(dāng)量比的變化Fig.5 Flame thickness changes of ethanol and ethanol containing 50% hydrogen with equivalent ratio

2.4 馬克斯坦長(zhǎng)度

乙醇和含50%氫氣的乙醇燃燒火焰的馬克斯坦長(zhǎng)度隨當(dāng)量比的變化如圖6所示.馬克斯坦長(zhǎng)度的絕對(duì)值反應(yīng)了拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣葘?duì)于拉伸率的敏感程度,當(dāng)馬克斯坦長(zhǎng)度為正值時(shí),說明拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣入S拉伸率的增大而減小,火焰前鋒面結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定,負(fù)值時(shí)則相反.從圖中可以看出,乙醇和含50%氫氣的乙醇燃燒火焰的馬克斯坦長(zhǎng)度都隨當(dāng)量比的增大而減小.乙醇在當(dāng)量比為0.9～1.4情況下,火焰的馬克斯坦長(zhǎng)度為正值,火焰前鋒面結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定,而在當(dāng)量比為1.5～1.6時(shí)變成了負(fù)值,說明在高當(dāng)量比情況下火焰前鋒面結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定.含50%氫氣的乙醇在當(dāng)量比為0.7～1.6區(qū)間內(nèi),其馬克斯坦長(zhǎng)度皆為正值,火焰前鋒面結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定.

圖6 乙醇和含50%氫氣的乙醇燃燒火焰的 馬克斯坦長(zhǎng)度隨當(dāng)量比變化Fig.6 The Markstein length of ethanol and ethanol containing 50% hydrogen varies with the equivalent ratio

2.5 數(shù)值仿真結(jié)果

使用Chemkin軟件對(duì)乙醇和含有50%氫氣的乙醇層流燃燒進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬,仿真所用到的乙醇氧化機(jī)理由Marinov[19]提出,氫氣氧化機(jī)理由Frenklach等[20]提出,通過優(yōu)化整合乙醇和氫氣的氧化機(jī)理,模擬出了乙醇-氫氣混合氣的燃燒過程.乙醇和含50%氫氣的乙醇層流燃燒速度實(shí)驗(yàn)值與數(shù)值仿真結(jié)果的比較如圖7所示,從圖中可以看到,仿真結(jié)果很好地預(yù)測(cè)了層流燃燒速度的整體趨勢(shì),乙醇仿真結(jié)果相較于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均相對(duì)偏差為5.8%.含有50%氫氣的乙醇混合氣的仿真結(jié)果相較于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均相對(duì)偏差為8.6%.

圖7 乙醇和含50%氫氣的乙醇層流燃燒速度 實(shí)驗(yàn)值與數(shù)值仿真結(jié)果的比較Fig.7 Comparison of experimental values and numerical simulation results of the laminar combustion rate of ethanol and ethanol containing 50% hydrogen

當(dāng)量比φ=1.2時(shí)乙醇和含有50%氫氣的乙醇燃燒中自由基H·、O·和OH·的摩爾分?jǐn)?shù)分布如圖8所示.隨火焰距離的延長(zhǎng),乙醇和含50%氫氣的乙醇的燃燒過程中自由基H·、O·和OH·的摩爾分?jǐn)?shù)都呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì).由于H·、O·和OH·具有很強(qiáng)的擴(kuò)散性,所以H·、O·和OH·摩爾分?jǐn)?shù)的大小會(huì)直接影響燃料整體的化學(xué)反應(yīng)速率.從圖中可以看出,含50%氫氣的乙醇燃燒在每一個(gè)火焰距離下,H·、O·和OH·的摩爾分?jǐn)?shù)總是比乙醇大,說明含50%氫氣的乙醇混合燃料的整體化學(xué)反應(yīng)速率快,這同時(shí)也驗(yàn)證了圖4中含50%氫氣的乙醇混合燃料的層流燃燒速度總是比乙醇快.因此,在乙醇燃料中加入氫氣后,燃料燃燒過程中整體的H·、O·和OH·的摩爾分?jǐn)?shù)上升,燃料的層流燃燒速度變大.

(a) H·的摩爾分?jǐn)?shù)分布(b) O·的摩爾分?jǐn)?shù)分布(c) OH·的摩爾分?jǐn)?shù)分布

乙醇和含有50%氫氣的乙醇混合燃料在當(dāng)量比為0.9、1.2、1.4時(shí)燃燒敏感性分析如圖9所示.圖中列出了對(duì)燃料燃燒過程中敏感性最大的10個(gè)基元反應(yīng),分別是圖中正值表示該基元反應(yīng)對(duì)燃燒有促進(jìn)作用,可以加快反應(yīng)進(jìn)程,提高層流燃燒速度,負(fù)值表示結(jié)果與正值相反. 最終的層流燃燒速度快慢取決于各基元反應(yīng)共同作用的結(jié)果.乙醇和含有50%氫氣的乙醇混合氣對(duì)反應(yīng)H·+O2=O·+OH·(R1)最敏感,該基元反應(yīng)通過消耗一個(gè)自由基H·產(chǎn)生2個(gè)自由基O·和OH·,對(duì)燃料燃燒有促進(jìn)作用,并且隨當(dāng)量比的增加,R1的敏感性系數(shù)變大,這表明在富燃條件下基元反應(yīng)R1對(duì)燃料燃燒促進(jìn)作用更明顯.而同樣具有促進(jìn)作用的基元反應(yīng)CO+OH·=CO2+H·(R24),隨當(dāng)量比的增加,R24的敏感性系數(shù)下降,在當(dāng)量比為0.9時(shí)對(duì)燃燒的促進(jìn)作用最大,所以當(dāng)量比為0.9時(shí),基元反應(yīng)R24是第二敏感反應(yīng).當(dāng)量比升高至1.4時(shí),基元反應(yīng)HCO·+M=H·+CO+M(R26)為第二敏感反應(yīng),由此推斷高當(dāng)量比有利于燃燒中間物的產(chǎn)生.

(a) 乙醇燃燒敏感性(b) 含50%氫氣的乙醇燃燒敏感性

3 結(jié) 論

在初始溫度為400 K,初始?jí)毫?.1 MPa的定容燃燒彈中,探討了乙醇和含有體積分?jǐn)?shù)為50%氫氣的乙醇在當(dāng)量比為0.7～1.6內(nèi)的層流燃燒特性,得出以下結(jié)論.

1) 氫氣的加入可以有效降低乙醇的可燃極限,提高乙醇的層流燃燒速度.在相同的初始條件下,改變?nèi)剂袭?dāng)量比,含有50%氫氣的乙醇的層流燃燒速度總體趨勢(shì)與乙醇相似;在燃料富燃一側(cè),含有50%氫氣的乙醇的層流燃燒速度比乙醇快,在貧燃一側(cè)兩者差距不是很大;同時(shí)氫氣的加入使含有50%氫氣的乙醇混合燃料的層流燃燒速度峰值位置發(fā)生改變,向右產(chǎn)生偏移.

2) 在乙醇中加入氫氣會(huì)使含有50%氫氣的乙醇混合燃料燃燒火焰厚度減小,對(duì)流體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性造成一定影響.

3) 乙醇和含有50%氫氣的乙醇燃燒火焰的馬克斯坦長(zhǎng)度均隨當(dāng)量比的增加而減小;乙醇燃燒火焰的馬克斯坦長(zhǎng)度在當(dāng)量比為1.5～1.6時(shí)出現(xiàn)負(fù)值,其火焰前鋒面結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定;含50%氫氣的乙醇燃燒火焰的馬克斯坦長(zhǎng)度均為正值,其火焰前鋒面結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定.

4) 在不同的工況條件下,通過數(shù)值模擬預(yù)測(cè)了層流燃燒速度的變化趨勢(shì),在乙醇中加入氫氣后,燃料燃燒過程中整體的H·、O·和OH·的濃度上升,燃料整體化學(xué)反應(yīng)速率增大,從而提高了混合燃料的層流燃燒速度.