史增凱，席文雄，金 星，張玉坤

0　引言

二次燃燒自點火是常見熱力設備和高速推進燃燒室內(nèi)的重要現(xiàn)象，在能源、材料、推進領域中有著廣泛的應用[1～3]。在傳統(tǒng)燃燒室中，常利用二次燃燒現(xiàn)象，提高能源利用效率，實現(xiàn)盡可能完全的燃燒，從而減少尾氣污染，如HCCI發(fā)動機中廢氣循環(huán)技術；二次燃燒現(xiàn)象也存在重大安全隱患，如在燃油、燃氣和煤粉爐中，它會使尾部受熱面超過容許熱強度，從而使空氣預熱器和省煤器等過熱變形或者燒壞。

實際研究中，二次燃燒處于一次燃燒產(chǎn)生的高溫、貧氧尾流中，且受復雜流動及物質(zhì)化學動力學效應的耦合影響。德國宇航中心Julia M.Fleck等[4]研究了高壓污染空氣（15bar，1173K，200m/s）來流下不同比例氫氣/天然氣（NG）/氮氣射流自點火過程，研究表明較小的NG分數(shù)會增加點火延遲時間，致使火核遠離噴嘴，而當增加氫氣或減少天然氣時，點火延遲時間減小，火核更加接近燃料噴嘴；劍橋大學J.Sidey等人[5]發(fā)現(xiàn)甲烷橫向射流自點火中，在來流溫度處于1234K-1838K，氧氣摩爾分數(shù)處于3.7%～8.7%范圍內(nèi)的組合下，自點火火焰能到穩(wěn)定；康涅狄克大學Jason A.Wagner等[6]對預混乙烯/空氣在貧油燃燒產(chǎn)物中的二次燃燒火焰研究中，重點考察了迎風側(cè)和背風側(cè)火焰穩(wěn)定位置在不同時刻變化情況。

上述研究表明，一次燃燒尾氣溫度、成分對二次燃燒有著重要影響，但研究更多集中于定性分析實驗現(xiàn)象，目前尚未理解二次燃燒自點火機制。因而本文借助CHEMKIN軟件從化學動力學角度[7]模擬研究了不同當量比下甲烷貧燃燃燒產(chǎn)物再次與補充的甲烷氣體摻混時發(fā)生的二次燃燒自點火現(xiàn)象，重點研究當量比和甲烷添加量對二次燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸?guī)律。

1　研究方案

火焰?zhèn)鞑ニ俣戎富鹧媲颁h沿其法線方向相對于未燃可燃混合氣的推進速度，表征了火焰前鋒在空間的移動速度，是研究火焰穩(wěn)定性的重要數(shù)據(jù)之一。本文主要借助CHENKIN中相應模塊，分為以下兩個部分：①采用平衡器計算甲烷與空氣在貧燃工況下燃燒產(chǎn)物的絕熱火焰溫度和產(chǎn)物中各組分濃度；②采用火焰速度反應器參數(shù)化研究上述燃燒產(chǎn)物中添加不同量甲烷時的一維預混火焰的火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠嬎惆齻€反應器模型——入口、火焰速度反應器和出口。具體來說，即把平衡器計算獲得的不同當量比Φ1甲烷貧燃燃燒產(chǎn)物的摩爾分數(shù)和添加甲烷量M1作為入口中物質(zhì)的初始摩爾分數(shù)，把平衡器計算獲得的絕熱火焰溫度T1作為未燃氣溫度T2，從而得到自點火火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓闆r。局部當量比Φ2定義為反應器中添加甲烷量與貧燃燃燒產(chǎn)物中所余氧氣的當量比。本文主要關注當量比Φ1和甲烷添加量M1對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸?guī)律。

數(shù)值模擬中采用甲烷燃燒的詳細化學反應機理GRI-Mech3.0，機理包含了53種組分和325個化學反應；計算所涉及的空氣組成為氮氣：氧氣=79：21，忽略空氣中的二氧化碳、水等成分，壓力值均為1atm。

2　數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1　當量比對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/h3>

本文平衡器計算得出了不同當量比Φ1時甲烷貧燃燃燒產(chǎn)物中各組分摩爾分數(shù)及絕熱火焰溫度，以此為火焰速度反應器的入口條件，在甲烷添加量M1=0.05時計算所得不同當量比Φ1時絕熱火焰溫度、局部當量比及火焰?zhèn)鞑ニ俣热绫?所示，其中v表示火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

表1　不同當量比時絕熱火焰溫度、局部當量比及火焰?zhèn)鞑ニ俣龋∕1=0.05）Tab.1 Adiabatic flame temperature，localequivalence ratio and flame propagation velocity at different equivalence ratios.（ M1=0.05）

由表1知，隨著當量比Φ1由0.3增加到0.5，火焰?zhèn)鞑ニ俣扔?35.18cm/s增加到577.67cm/s；之后隨著當量比增加到0.7，火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饾u下降至148.00cm/s；但當Φ1=0.8時火焰?zhèn)鞑ニ俣扔煮E增至181.03cm/s，而Φ1進一步增加到0.9，無火焰?zhèn)鞑ィ醋渣c火不成功。結(jié)合不同當量比時絕熱火焰溫度與局部當量比，分析表明：局部當量比處于1附近時，火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_到最大，而局部當量比過低或過大時，無火焰產(chǎn)生，自點火失??；在Φ1=0.8時，盡管局部當量比為2.70，大于Φ1=0.7時的1.75，火焰?zhèn)鞑ニ俣葏s突然升高，本文推測是此時絕熱火焰溫度即反應器內(nèi)未燃混合氣溫度較高的原因。

為了確定未燃混合氣溫度T2對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸?guī)律，接下來只選取當量比Φ1=0.3、T0=300K時甲烷貧燃燃燒產(chǎn)物（T0表示平衡器初始溫度），而不考慮未燃氣溫度改變帶來的平衡組分改變，并向其中添加甲烷的摩爾分數(shù)M1=0.1，又已知此工況下絕熱火焰溫度T1=1066K，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c未燃混合氣溫度T2的關系曲線如圖1。由圖像看出，當T2=400K時，火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?.91cm/s，而當T2=1000K時，其為138.66cm/s，增長了約28倍，表明隨著未燃氣溫度的升高，火焰?zhèn)鞑ニ俣蕊@著增加。

圖1　火焰?zhèn)鞑ニ俣入S未燃混合氣溫度的變化（Φ1=0.3，T0=300K，M1=0.1）Fig.1 Flame propagation velocity versus unburned mixture temperature.（Φ1=0.3，T0=300K，M1=0.1）

2.2　甲烷添加量對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/h3>

結(jié)合2.1節(jié)，局部當量比會影響火焰?zhèn)鞑ニ俣?，而甲烷添加量會顯著影響局部當量比的大小，為了進一步研究甲烷添加量對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸?guī)律，本小節(jié)選取Φ1=0.3和0.6兩種典型工況。

選取Φ1=0.3、T0=300K時甲烷貧燃燃燒產(chǎn)物，且未燃氣溫度T2=1066K，由平衡器計算知此時燃燒產(chǎn)物中氧氣摩爾分數(shù)為0.142，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c甲烷添加量M1的關系曲線如圖2所示。由圖像知，隨著甲烷添加量的增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣认仍黾雍鬁p少，于M1=0.08時達到最大值267.76cm/s，此時局部當量比為1.13，再次證明局部當量比接近1時，火焰?zhèn)鞑プ羁臁＿x取當量比0.6、T0=300K時甲烷貧燃燃燒產(chǎn)物，且未燃氣溫度T2=1666K，又知此時燃燒產(chǎn)物中氧氣摩爾分數(shù)為0.078，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c甲烷添加量M2的關系見表2。由表知，甲烷添加量為0.02時，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲鬄?33.44cm/s，此時甲烷/氧氣=0.26。

圖2　火焰?zhèn)鞑ニ俣入S甲烷添加量的變化（Φ1=0.3，T0=300K，T2=1066K）Fig.2 Flame propagation velocity versus molar fraction of added methane.（Φ1=0.3，T0=300K，T2=1066K）

表2　火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c甲烷添加量M2的關系（T2=1600K）Tab.2 Adiabatic flame temperature versus molar fraction of added methane，M2（ T2=1600K）

綜上分析表明，一次燃燒當量比對自點火過程火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懼饕憩F(xiàn)在局部當量比與一次燃燒尾氣溫度的耦合作用，且尾氣溫度較低時，局部當量比起到主要作用，在接近1時火焰?zhèn)鞑プ羁?；而隨著尾氣溫度升高到一定程度，即便局部當量比較大，火焰?zhèn)鞑ヒ部赡芨臁４送?，甲烷添加量對于火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸彩峭ㄟ^改變局部當量比實現(xiàn)的，在甲烷/氧氣接近于1時，火焰?zhèn)鞑プ羁欤渣c火延遲時間也就越小。

3　結(jié)論

本文借助CHEMKIN軟件模擬計算了甲烷二次燃燒自點火火焰?zhèn)鞑ニ俣?，研究了當量比和甲烷添加量對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸?guī)律，主要得出以下結(jié)論：

在一定范圍內(nèi)，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著當量比的增加而增加；但當當量比增加到一定程度后，火焰?zhèn)鞑ニ俣却笾码S當量比增加而減少。

局部當量比處于1附近時，火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_到最大，而局部當量比過低或過大時，無火焰產(chǎn)生，自點火失敗；隨著未燃氣溫度的升高，火焰?zhèn)鞑ニ俣蕊@著增加。

一次燃燒當量比對自點火過程火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懼饕憩F(xiàn)在局部當量比與一次燃燒尾氣溫度的耦合作用，且尾氣溫度較低時，局部當量比起到主要作用，在接近1時火焰?zhèn)鞑プ羁欤欢S著尾氣溫度升高到一定程度，即便局部當量比較大，火焰?zhèn)鞑ヒ部赡芨臁?/p>

參考文獻：

[1]R.Sullivan，B.Wilde，D.R.Noble，J.M.Seitzman，T.C.Combust.Flame 161（2014） 1792-1803.

[2]Daniel J.Micka，James F.Driscoll.Stratified jet flames in a heated（1390K） air cross-flow with autoigni-tion[J]，2012，159 （3）：1205-1214.

[3]R.W.Grout，A.Gruber.Direct numerical simulation of flame stabilization downstream of a transverse fuel jet in cross-flow[Z].Proceedings of the Combustion Institute 33 （2011）1629-1637.

[4]Fleck，Julia M.，Griebel，Peter，Steinberg.Autoignition of hydrogen/nitrogen jets in vitiated air crossflows at different pressures[Z].Proceedings of the Combustion Institute 34 （2013）3185-3192.

[5]J.Sidey，E.Mastorakos.Visualization of MILD combustion from jets in cross-flow[Z].Proceedings of the Combustion Institute 35 （2015）3537-3545.

[6]Jason A.Wagner，Stephen W.Grib，Michael W.Renfro，Baki M.Cetegen.Flowfield measure-ments and flame stabilization of a premixed reacting jet in vitiated crossflow[J]，2015，162（10）：3711-3727.

[7]張鵬.基于等離子體簡化模型的甲烷點火特性研究[D].北京：裝備學院，2012.