低溫燃料化學(xué)特性對(duì)湍流預(yù)混火焰?zhèn)鞑サ挠绊?/h1>
2019-03-08 08:30:40鐘生輝堯命發(fā)彭志軍
物理化學(xué)學(xué)報(bào) 2019年2期
張 帆，任 哲，鐘生輝，堯命發(fā)，彭志軍
天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072
1 引言
在實(shí)際的內(nèi)燃機(jī)械中，燃料混合氣的湍流燃燒是熱功能量轉(zhuǎn)化的重要方式。目前，已有許多學(xué)者就Lewis數(shù)、擴(kuò)散、壓力等多元參數(shù)對(duì)于火焰結(jié)構(gòu)及湍流燃速的影響開(kāi)展了大量研究1–3，但大多研究主要著眼于不存在低溫化學(xué)反應(yīng)的小分子氣態(tài)碳?xì)淙剂希缂淄?、氫氣?。現(xiàn)實(shí)中主要使用的交通輸運(yùn)燃料大多為類似正庚烷、異辛烷等的大分子高碳?xì)浜咳剂希诟邏?、中低溫度的條件下普遍具有低溫化學(xué)反應(yīng)與兩階段點(diǎn)火的燃燒特性5,6。對(duì)于這類燃料，低溫化學(xué)反應(yīng)會(huì)消耗大部分初始反應(yīng)物，產(chǎn)生如CO、CH2O、C2H4等中間物質(zhì)，顯著改變反應(yīng)物組成與混合氣溫度、減少反應(yīng)物平均分子質(zhì)量、影響能量吸收及轉(zhuǎn)變過(guò)程，使燃料的組分、輸運(yùn)特性以及化學(xué)特性等發(fā)生急劇改變，繼而影響湍流火焰的燃燒速度及火焰結(jié)構(gòu)。
研究者通過(guò)實(shí)驗(yàn)與模擬的途徑7–11已經(jīng)發(fā)現(xiàn)燃料的低溫化學(xué)反應(yīng)會(huì)影響湍流火焰的動(dòng)力學(xué)特性。Lawes等人采用高速紋影成像技術(shù)，在湍流燃燒彈內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了不同湍流速度、不同當(dāng)量比及不同壓力條件下正辛烷的湍流燃燒速度12。Won等人在自主設(shè)計(jì)的槽型湍流反應(yīng)器(RATS)燃具內(nèi)，使用激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)檢測(cè)技術(shù)對(duì)庚烷的湍流燃燒速度及火焰分區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到正庚烷因初始反應(yīng)物溫度、入口速度、加熱流動(dòng)滯留時(shí)間的不同會(huì)導(dǎo)致燃料氧化及低溫化學(xué)反應(yīng)程度的不一，存在四種火焰分區(qū)，并深入探究了燃料的低溫化學(xué)反應(yīng)程度對(duì)湍流燃燒速度的影響13–15。本論文正是基于其試驗(yàn)數(shù)據(jù)開(kāi)始的數(shù)值模擬研究。近年來(lái)隨著計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，直接數(shù)值模擬(DNS)在燃料燃燒領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在新型均質(zhì)壓燃(HCCI)與火花塞輔助壓燃(SAHCCI)環(huán)境下，Gou等人16使用多時(shí)間尺度(MTS)與簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型模擬了庚烷的點(diǎn)火、火焰分區(qū)以及各個(gè)分區(qū)間的轉(zhuǎn)化，發(fā)現(xiàn)火焰的分區(qū)狀況會(huì)受初始溫度梯度與壓力的影響；低溫化學(xué)反應(yīng)的存在使得低溫火焰與高溫火焰具有迥異的動(dòng)力學(xué)和輸運(yùn)特性以及傳播速度；此外發(fā)現(xiàn)，負(fù)溫度系數(shù)效應(yīng)會(huì)促進(jìn)超音速自點(diǎn)火，在低溫度梯度下極大影響了點(diǎn)火鋒面與聲波的相互作用。Krisman等人17采用二維DNS模擬了二甲醚低溫反應(yīng)產(chǎn)生的“冷焰”對(duì)于二甲醚兩階段自點(diǎn)火尤其是高溫點(diǎn)火HTC的影響，與均勻混合氣相比，冷焰的產(chǎn)生將導(dǎo)致較濃混合氣區(qū)域內(nèi)第一階段自燃的點(diǎn)火延時(shí)在減小，并影響自燃核形成的位置及時(shí)間。之后Krisman等人18詳細(xì)模擬了在4000 kPa,400 K與900 K理想柴油機(jī)條件下二甲醚的湍流兩階段點(diǎn)火特性，發(fā)現(xiàn)其點(diǎn)火是個(gè)包含LTC/HTC/預(yù)混及非預(yù)混燃燒的復(fù)雜多級(jí)過(guò)程。Zhang等人采用三維DNS模擬研究了標(biāo)準(zhǔn)參考燃料PRF70在部分預(yù)混燃燒(PPC)內(nèi)燃機(jī)工況下的自點(diǎn)火及廢氣排放情況，并分析了燃燒中間產(chǎn)物CO的變化以深入了解部分預(yù)混燃燒區(qū)結(jié)構(gòu)以及燃燒污染物的產(chǎn)生機(jī)理19,20。
過(guò)去的研究大多基于傳統(tǒng)Borghi圖的燃燒模型，僅考慮了與層流火焰結(jié)構(gòu)有關(guān)的火焰燃燒時(shí)間尺度。在一些先進(jìn)燃?xì)鉁u輪燃燒器的高壓(＞ 2000 kPa)或高溫(＞ 1000 K)環(huán)境下，大分子碳?xì)淙剂系牡蜏攸c(diǎn)火延遲時(shí)間將急劇縮短至1 ms以內(nèi)，與湍流積分時(shí)間尺度及混合層流動(dòng)滯留時(shí)間具有可比性，此時(shí)傳統(tǒng)的小火焰假設(shè)與Borghi圖都不再適用14。因此高溫高壓環(huán)境下點(diǎn)火的影響也會(huì)成為影響火焰分區(qū)的重要因素之一，湍流與化學(xué)相互作用對(duì)于低溫燃燒的影響作用仍待探究。
本文主要著眼于燃料的負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域，研究了不同入口參數(shù)條件下正庚烷/空氣預(yù)混混合氣的流場(chǎng)、組分和溫度變化，探索了低溫反應(yīng)對(duì)湍流火焰的影響，并結(jié)合湍流時(shí)間尺度、流動(dòng)時(shí)間尺度與點(diǎn)火時(shí)間尺度，初步提出湍流/化學(xué)相互作用下新的火焰區(qū)域劃分依據(jù)。
2 數(shù)值模擬模型
2.1 計(jì)算方法
本文根據(jù)文獻(xiàn)14中的試驗(yàn)裝置，使用OpenFOAM平臺(tái)構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型。此模型可以分為自由發(fā)展段與火焰生成區(qū)兩部分。預(yù)混混合氣首先以不同入口溫度、速度條件流動(dòng)通過(guò)自由發(fā)展段，發(fā)生不同程度的低溫化學(xué)反應(yīng)；隨后進(jìn)入火焰生成區(qū)后經(jīng)由引燃火焰點(diǎn)火并形成穩(wěn)定火焰面。其初始參數(shù)由文獻(xiàn)14給出。
在自由發(fā)展段，燃料是否會(huì)發(fā)生低溫反應(yīng)以及反應(yīng)進(jìn)行的程度會(huì)各有不同，導(dǎo)致進(jìn)入火焰生成區(qū)的物質(zhì)組分發(fā)生重大改變。為準(zhǔn)確獲取火焰生成區(qū)入口處的實(shí)際組分含量，可將該部分正庚烷混合氣看作處于一維絕熱的流動(dòng)過(guò)程，不受外界影響而完全由初始狀態(tài)自由發(fā)展。通過(guò)對(duì)反應(yīng)流初始溫度與速度的設(shè)置，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后反應(yīng)流將完全流通達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)出口處各組分的含量即可視作該工況下進(jìn)入火焰生成區(qū)的實(shí)際組分。
預(yù)混混合氣經(jīng)過(guò)自由發(fā)展段后直接進(jìn)入火焰生成區(qū)，三維計(jì)算區(qū)域尺寸為140 mm × 82 mm ×90 mm，采用非均勻化網(wǎng)格對(duì)中間火焰部分進(jìn)行加密處理，網(wǎng)格數(shù)總數(shù)為799200。圖1a–c分別是RATS燃具示意圖，計(jì)算域和三維網(wǎng)格劃分情況。圖1a中黑色虛線部分為計(jì)算域，在三維圖中顯示為圖1b,c。在計(jì)算域內(nèi)部充滿了處于常溫常壓下的空氣。計(jì)算模型底面100 mm ×10 mm部分為預(yù)混燃料混合氣入口，即RATS燃具中的噴嘴出口。圖1c中顯示的中間網(wǎng)格密集處即為產(chǎn)生火焰的主要位置。在入口兩旁各有100 mm × 1 mm的長(zhǎng)槽面作為化學(xué)當(dāng)量比條件下的甲烷高溫引燃火焰，進(jìn)口計(jì)算域的最底面為燃料與引燃火焰的入口，通道平行且鄰近主反應(yīng)物流動(dòng)通道的每一側(cè)，如圖2a所示。在模型入口邊界上，燃料混合氣的組分給定初始值。本文是使用直接數(shù)值模擬的方法先生成了一個(gè)滿足一定湍流強(qiáng)度的各項(xiàng)同性湍流場(chǎng)，然后疊加在主流速度之上作為燃燒器的入口條件。在本算例的三維計(jì)算中，采用的RANS方法，湍流模型是k-ε。以初始反應(yīng)物溫度700 K，入口速度10 m·s-1為例，按實(shí)驗(yàn)數(shù)值設(shè)置初始湍流積分尺度為2.75 mm，湍流強(qiáng)度取12.5%，圖2b顯示了初始湍流速度場(chǎng)分布。
圖1 (a) 燃具示意圖；(b) 三維數(shù)值模擬計(jì)算域；(c) 計(jì)算域網(wǎng)格Fig.1 (a) Schematic of reactor-assisted turbulent slot burner;(b) computational domain of three-dimensional numerical simulation;(c) the grid mesh in the simulation.
2.2 化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理
在數(shù)值模擬計(jì)算中使用的是美國(guó) Sandia National Laboratories的Liu等人提出的簡(jiǎn)化正庚烷骨架機(jī)理21，包含44種物質(zhì)與112步基元反應(yīng)，可在計(jì)算能力允許的范圍內(nèi)較好反映燃料的化學(xué)特性。圖3為該簡(jiǎn)化機(jī)理與CURRAN ver 3.1詳細(xì)機(jī)理22在CHEMKIN零維均質(zhì)燃燒器中不同當(dāng)量比、溫度與壓力條件下的滯燃期對(duì)比。圖3a,b分別對(duì)應(yīng)的是化學(xué)當(dāng)量比φ = 1和0.6的正庚烷混合氣。本文中著火延遲時(shí)間定義為溫度梯度最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。從圖3a中可見(jiàn)在100 kPa，750 K條件當(dāng)量燃燒下，第一階段點(diǎn)火延時(shí) τ1st為9.6 ms；而壓力增至1350 kPa時(shí)，因分子碰撞加劇導(dǎo)致初始活性自由基團(tuán)數(shù)量增加，繼而使得 τ1st縮短至1.6 ms。在壓力P = 100 kPa的工況下，簡(jiǎn)化機(jī)理(實(shí)心紅點(diǎn))與詳細(xì)機(jī)理(藍(lán)色實(shí)線)滯燃期對(duì)比吻合較好。圖3b顯示在φ = 0.6，一個(gè)大氣壓條件下，簡(jiǎn)化機(jī)理與詳細(xì)機(jī)理的第二階段滯燃期基本吻合，第一階段滯燃期較長(zhǎng)，但是三維計(jì)算中的分析是基于第一階段點(diǎn)火之后的組分、溫度分布對(duì)湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?。因此本研究使用此?jiǎn)化機(jī)理替代詳細(xì)機(jī)理CURRAN ver 3.1。
圖4a，b表示了在初始100 kPa、700 K、φ = 0.6條件下該簡(jiǎn)化機(jī)理計(jì)算得到的兩階段點(diǎn)火特性：壓力、燃料以及中間組分CH2O隨時(shí)間的變化?？梢钥闯鲈诘谝?、第二點(diǎn)火階段壓力各有兩次快速提升，第一階段低溫化學(xué)反應(yīng)發(fā)生后，燃料正庚烷大量分解并產(chǎn)生各類中間產(chǎn)物；二次點(diǎn)火后燃料完全分解，反應(yīng)到達(dá)高溫階段。
圖2 計(jì)算域底面入口(a)和底面速度入口湍流場(chǎng)(b)Fig.2 Bottom inlet of the computational domain (a);inlet turbulent velocity (b).
圖3 簡(jiǎn)化機(jī)理與ver3.1詳細(xì)機(jī)理在φ = 1 (a)和φ = 0.6 (b)時(shí)的滯燃期對(duì)比Fig.3 Comparison of ignition delay time for n-heptane mechanism at φ = 1 (a) and φ = 0.6 (b) conditions between reduced and ver3.1 detailed mechanism.
圖4 簡(jiǎn)化機(jī)理壓力(a)和部分組分(b)隨時(shí)間變化Fig.4 Time-dependent change of pressure (a) and important species (b) of simplified mechanism.
2.3 初始參數(shù)設(shè)置
本文主要研究的是化學(xué)當(dāng)量比φ = 0.6的正庚烷空氣混合氣火焰燃燒情況。計(jì)算域內(nèi)大環(huán)境為常溫狀態(tài)下的空氣，這里取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度301 K，近似認(rèn)為空氣中僅含有氮?dú)馀c氧氣兩種物質(zhì)(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)的形式給出)。入口燃料由正庚烷、氧氣與氮?dú)馊邩?gòu)成，對(duì)于化學(xué)當(dāng)量比為φ = 0.6的正庚烷混合氣，表1給出了相應(yīng)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。根據(jù)自由發(fā)展段燃料滯留時(shí)間的不同，其初始混合物狀態(tài)(溫度、組分)做相應(yīng)的改變。
為點(diǎn)燃并穩(wěn)定主流火焰，引燃火焰一般采用甲烷、乙烯等簡(jiǎn)單燃料。在本模擬中引焰采用的是GRI3.0詳細(xì)甲烷動(dòng)力學(xué)機(jī)理，包含53種物質(zhì)，353步反應(yīng)。將經(jīng)過(guò)CHEMKIN燃燒計(jì)算后得到的主要高溫產(chǎn)物作為入口初始條件給入計(jì)算模型。CHEMKIN燃燒模型中初始溫度為298 K，甲烷/空氣當(dāng)量比φ = 1，燃燒后溫度為2230 K。引焰的目的是提供足夠的熱環(huán)境使得主流區(qū)的燃燒能夠順利進(jìn)行,并且保證周圍空氣對(duì)主流沒(méi)有干擾。本文選取的引焰中的組分是甲烷和空氣完全燃燒得到的主要產(chǎn)物，即：H2O，CO，CO2，O2，H2，OH 和N2。除組分構(gòu)成外，引焰的速度也會(huì)影響主焰的燃燒情況。在實(shí)際模擬計(jì)算前，針對(duì)入口主流速度10 m·s-1，分別研究了引焰速度 7.5 m·s-1與 10 m·s-1的燃燒情況。當(dāng)引焰速度為10 m·s-1時(shí)，引焰速度過(guò)快使得火焰面未能形成即被吹走，并未發(fā)生著火現(xiàn)象。這也說(shuō)明引焰的速度大小會(huì)影響到火焰的形成，因此在模擬計(jì)算中將引焰速度選取為主焰速度的0.75倍。
本文主要著眼于處于化學(xué)反應(yīng)凍結(jié)區(qū)與低溫點(diǎn)火區(qū)的火焰，即初始反應(yīng)物溫度T在450–700 K范圍之內(nèi)。入口速度U的大小將對(duì)脈動(dòng)速度u′與加熱流動(dòng)滯留時(shí)間 τres產(chǎn)生影響。滯留時(shí)間與對(duì)應(yīng)溫度下的第一階段點(diǎn)火燃期 τ1st存在著大小關(guān)系，影響著低溫反應(yīng)的發(fā)生與計(jì)算域入口組分的含量。算例中使用φ = 0.6的正庚烷/空氣混合氣。層流火焰速度SL由對(duì)應(yīng)機(jī)理通過(guò)CHEMKIN一維層流火焰自由傳播模塊計(jì)算得出。綜合考慮相關(guān)因素后，表2給出了本模擬研究中計(jì)算使用的12個(gè)算例的初始參數(shù)具體設(shè)置情況。
表1 φ = 0.6正庚烷混合氣組分含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table1 Component mass fraction of n-heptane mixture (φ = 0.6).
表2 算例初始參數(shù)Table2 Initial simulation parameters of 12 cases.
圖5 450–700 K，當(dāng)量比φ = 0.6混合氣NXC7H16 (a)和CH2O (b)組分隨時(shí)間變化情況Fig.5 Temporal evolution of NXC7H16 (a) and CH2O (b) mass fraction at 450–700 K with equivalence ratio φ = 0.6.
根據(jù)初始算例中不同初始溫度、燃料滯留時(shí)間，首先通過(guò)對(duì)自由發(fā)展段中燃料的化學(xué)動(dòng)力學(xué)特性做簡(jiǎn)要分析。圖5顯示初始溫度在450–700 K，當(dāng)量比φ = 0.6的混合氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)和中間組分CH2O隨時(shí)間的變化，圖中分別標(biāo)出了流動(dòng)滯留時(shí)間為63 ms與 106 ms的位置(即入口速度 10 m·s-1與 6 m·s-1)?？煽闯鲈?20 ms的時(shí)間范圍內(nèi)，較低溫度(450–600 K)的算例下正庚烷含量不發(fā)生改變，始終維持在初始值；溫度逐漸提升后，正庚烷隨時(shí)間增長(zhǎng)含量逐漸減小。隨著溫度逐漸增高(650–700 K)，正庚烷裂解消耗發(fā)生的時(shí)間也越早，組分變化曲線也更加陡急，說(shuō)明燃料裂解速度加快。從圖 5b也可得到相似結(jié)論，因低溫情況下燃料組分保持不變，CH2O一直沒(méi)有產(chǎn)生，數(shù)值上表現(xiàn)始終為零；對(duì)于高溫情況，CH2O的出現(xiàn)時(shí)間則會(huì)隨初始溫度增長(zhǎng)而逐漸提前。
結(jié)合圖4和5，對(duì)于存在低溫反應(yīng)的情況，在第一階段化學(xué)反應(yīng)發(fā)生后，壓力快速增長(zhǎng)，主體燃料與氧氣發(fā)生復(fù)雜異構(gòu)化與分解，正庚烷部分分解形成較小的中間產(chǎn)物CH2O、C2H4等。中間產(chǎn)物的形成一方面促進(jìn)了化學(xué)反應(yīng)，一方面使得混合氣平均分子質(zhì)量降低，導(dǎo)致局部區(qū)域 Le數(shù)減小，兩者都會(huì)對(duì)火焰湍流燃燒速度的提高起到一定作用。第一階段過(guò)后，大部分燃料被分解為中間組分。在第一階段后第二階段前，CH2O、OH等組分逐漸被消耗并放熱，在臨近第二點(diǎn)火延時(shí)τ2nd時(shí)H2O2分解放熱加速反應(yīng)，使得燃料組分進(jìn)入第二階段23,24。
圖6 U = 10 m·s-1、T = 450–700 K范圍內(nèi)穩(wěn)定火焰情況Fig.6 2D temperature distributions at the burner outlet from 3D results for different reactant temperatures(450–700 K) but the same inlet velocity (U = 10 m·s-1).
圖7 U = 6 m·s-1、T = 450–700 K范圍內(nèi)穩(wěn)定火焰情況Fig.7 2D temperature distributions at the burner outlet from 3D results for different reactant temperatures (450–700 K) but the same inlet velocity (U = 6 m·s-1).
3 結(jié)果與討論
3.1 火焰燃燒情況
在保持化學(xué)當(dāng)量比(φ)與入口速度(U)恒定(即流動(dòng)滯留時(shí)間一定)的情況下，通過(guò)改變混合氣初始反應(yīng)溫度(Treactor)，可得到正庚烷/空氣混合氣燃燒隨溫度的整體變化情況。圖6顯示了在當(dāng)量比φ = 0.6，入口速度保持在10 m·s-1的情況下，逐漸將反應(yīng)初始溫度從450 K增加至700 K所得到的穩(wěn)定后的湍流預(yù)混火焰狀態(tài)(三維模型的二維中間截面)。在相對(duì)較低的反應(yīng)溫度階段，燃燒火焰處于化學(xué)反應(yīng)凍結(jié)區(qū)(CF區(qū))，如圖6a,b所示，可得到類似于本生火焰的燃燒狀態(tài)。如圖6c–f所示，將溫度繼續(xù)增加，從500 K提升至700 K，可明顯看到最高火焰燃燒溫度隨之逐漸上升,且火焰高度逐漸下降，說(shuō)明湍流燃燒速度ST隨溫度升高逐漸增大。圖6d–f各溫度階段的火焰燃燒情況受低溫化學(xué)反應(yīng)程度的影響較大，屬于低溫點(diǎn)火區(qū)(LTI)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致14。
圖7同樣顯示了當(dāng)量比及流動(dòng)停留時(shí)間一定，改變初始反應(yīng)溫度得到的湍流火焰情況。不同于圖6，此時(shí)入口速度U = 6 m·s-1，流動(dòng)滯留時(shí)間雖仍保持恒定，但較圖6有所增加。由下圖可見(jiàn)火焰整體變化規(guī)律與圖6一致，隨著溫度增加火焰溫度逐漸提升，火焰面高度逐漸減小，湍流燃燒速度增加。
圖8 670 K與700 K不同入口速度火焰對(duì)比Fig.8 2D temperature distributions at the burner outlet for two reactant temperatures 670 K,700 K and two inlet velocities 6 m·s-1,10 m·s-1.
圖8 對(duì)比了同一溫度不同進(jìn)氣速度的火焰溫度圖像，發(fā)現(xiàn)不同入口速度對(duì)反應(yīng)溫度影響不大，但對(duì)火焰面高度有較大影響。從670 K與700 K兩種溫度四個(gè)算例的對(duì)比中可見(jiàn)，低入口速度(6 m·s-1)的火焰面高度明顯低于高入口速度(10 m·s-1)。這種情況的發(fā)生主要是由于不同的入口速度對(duì)應(yīng)不同的加熱流動(dòng)滯留時(shí)間，使得第一階段化學(xué)反應(yīng)的程度有所不同。在低速入口情況下，燃料在自由發(fā)展段有較長(zhǎng)停留時(shí)間(＞ 100 ms)，低溫化學(xué)反應(yīng)較為充分，在燃具出口的正庚烷大部分已發(fā)生分解轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g物質(zhì)，很快就能著火形成穩(wěn)定火焰；而對(duì)于高速入口情況，流動(dòng)滯留時(shí)間約為60 ms，與燃料的第一滯燃期近似或小于第一滯燃期，燃料的低溫反應(yīng)程度受溫度影響較大，所以化學(xué)反應(yīng)不如低速情況完全，進(jìn)入模型的燃料仍需要一段時(shí)間的發(fā)展才能繼續(xù)分解并著火形成火焰。
3.2 湍流火焰燃燒速度
模擬研究中需要測(cè)定的湍流火焰速度 ST根據(jù)質(zhì)量守恒定律由公式1確定:
式中U是噴嘴出口處混合氣平均流速；w是燃燒器的寬度，在本模擬模型中w = 10 mm；Pavg是平均火焰的長(zhǎng)度。在本模擬中，通過(guò)對(duì)火焰面上CH自由基的等值面擬合得到火焰面的錐形輪廓，繼而得到火焰面的平均長(zhǎng)度。通常OH-PLIF所顯示的火焰面包含了反應(yīng)區(qū)和高溫區(qū)，對(duì)應(yīng)火焰厚度比較寬。在計(jì)算中可以方便地提取CH分布，得到的是最中心的反應(yīng)層厚度，更適合用來(lái)定義火焰鋒面25。同樣方法可得到450–700 K各個(gè)算例不同溫度下的火焰面輪廓并求得其火焰面長(zhǎng)度。圖9顯示了化學(xué)當(dāng)量比φ = 0.6，溫度在450–700 K范圍內(nèi)，模擬計(jì)算所得12個(gè)工況下正庚烷/空氣混合氣的標(biāo)準(zhǔn)化湍流燃燒速度 ST/SL隨標(biāo)準(zhǔn)化湍流強(qiáng)度 u′/SL的變化關(guān)系。ST/SL表示由層流燃燒速度 SL標(biāo)準(zhǔn)化得到的湍流燃燒速度，所有層流燃燒速度 SL都是由CHEMKIN一維層流預(yù)混火焰模型計(jì)算得到。
圖9 被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)湍流燃速ST/SL與標(biāo)準(zhǔn)化湍流強(qiáng)度u'/SL的函數(shù)關(guān)系Fig.9 Measured turbulent burning velocity normalized by SL as a function of normalized turbulent intensity,u'/SL.
圖9 中的兩條實(shí)線是實(shí)驗(yàn)測(cè)定得出的多個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行擬合所得14，離散點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)本文12個(gè)數(shù)值模擬工況點(diǎn)。從圖中可以看出，標(biāo)準(zhǔn)化湍流燃燒速度與混合氣初始溫度以及流動(dòng)滯留時(shí)間有關(guān)。兩條實(shí)線中的下線可代表火焰的下限，主要由較低溫度的算例分布構(gòu)成(空心圖標(biāo)與部分實(shí)心圖標(biāo))。在下限范圍內(nèi)，混合氣溫度過(guò)低或流動(dòng)滯留時(shí)間過(guò)短，都不利于低溫燃料氧化反應(yīng)的發(fā)生，在這些情況下CH2O僅存在于薄反應(yīng)區(qū)中，在未燃燒反應(yīng)物區(qū)域中沒(méi)有 CH2O，表明進(jìn)入計(jì)算域的燃料不存在化學(xué)反應(yīng)。對(duì)應(yīng)的在上限處算例的初始反應(yīng)溫度較高(600–700 K)，流動(dòng)滯留時(shí)間較長(zhǎng)(＞ 100 ms)，出口處的焰前未燃區(qū)域內(nèi)存在大量 CH2O，表明在自由發(fā)展段混合氣發(fā)生了低溫氧化反應(yīng)，并改變了反應(yīng)物化學(xué)組成。圖9中兩個(gè)實(shí)點(diǎn)(算例8和10)靠近火焰下線是因?yàn)椋憷?(650 K，10 m·s-1)處于化學(xué)反應(yīng)凍結(jié)區(qū)/薄反應(yīng)區(qū)(CF區(qū))，CH2O只在薄反應(yīng)層出現(xiàn)，不受未燃區(qū)域燃料化學(xué)動(dòng)力學(xué)的影響。算例10(670 K，10 m·s-1)的燃料滯留時(shí)間與低溫化學(xué)反應(yīng)時(shí)間相當(dāng)，此時(shí)的火焰處于凍結(jié)區(qū)向低溫反應(yīng)區(qū)的過(guò)渡。圖10選取了500 K與670 K兩個(gè)不同工況在流動(dòng)滯留時(shí)間為100 ms情況下，主要中間產(chǎn)物的分布情況。明顯可見(jiàn)兩種工況分別屬于不同的火焰分區(qū)。在500 K算例工況下，CH2O如上文所述只存在于火焰面周圍，屬于薄反應(yīng)區(qū)(或化學(xué)反應(yīng)凍結(jié)區(qū))；在670 K工況下，CH2O存在于未燃反應(yīng)物區(qū)域內(nèi)，且CH2O最高含量約為500 K工況的4.4倍，燃燒位于低溫點(diǎn)火區(qū)。中間物質(zhì)的分布情況說(shuō)明了低溫化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生改變了火焰的湍流燃燒速度。
圖10 中間產(chǎn)物CH2O和OH在初始溫度500 K、670 K，流動(dòng)時(shí)間100 ms時(shí)的濃度對(duì)比Fig.10 2D contour of intermediate species (CH2O,OH) mass fraction comparisons for different reactant temperatures 500 K and 670 K at flow residence time of τres = 100 ms.
3.3 時(shí)間尺度關(guān)系
表3列出了本文所研究的12個(gè)算例中點(diǎn)火時(shí)間尺度 τ1st與流動(dòng)時(shí)間尺度 τflow的詳細(xì)數(shù)值及兩者大小關(guān)系，此外還分別劃分了每個(gè)算例火焰的化學(xué)區(qū)域，本文的研究范圍主要為化學(xué)反應(yīng)凍結(jié)區(qū)/薄反應(yīng)區(qū)(CF區(qū))與低溫點(diǎn)火區(qū)(LTI)。
根據(jù)入口燃料的初始溫度與入口速度不同，點(diǎn)火時(shí)間尺度、流動(dòng)時(shí)間尺度以及火焰時(shí)間尺度的關(guān)系會(huì)相應(yīng)有所區(qū)別，分別會(huì)對(duì)應(yīng)不同的火焰區(qū)域。當(dāng)初始溫度較低，如算例1–6的情況，第一點(diǎn)火階段不會(huì)發(fā)生或開(kāi)始時(shí)間較遲，此時(shí) τ1st＞ τflow＞ τflame，火焰尺度為主要尺度，火焰表現(xiàn)出層流燃燒特征，燃燒速度與層流速度一致。當(dāng)初始溫度增高，點(diǎn)火延時(shí)縮短，逐漸與另外兩者數(shù)值相近或小于流動(dòng)時(shí)間時(shí) τ1st～τflow～τflame，低溫化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生會(huì)改變反應(yīng)物的組分，對(duì)燃燒的影響占主要地位，此時(shí)的火焰屬于特殊的低溫湍流火焰點(diǎn)火區(qū)。當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，由圖4可以預(yù)測(cè)，高溫高壓下時(shí)間極快極短的第一階段點(diǎn)火(0.1–10 ms)將遠(yuǎn)小于流動(dòng)時(shí)間 τ1st＜＜ τflow，化學(xué)反應(yīng)更多將為高溫反應(yīng)，燃燒將位于高溫點(diǎn)火區(qū)域。
表3 12算例時(shí)間尺度關(guān)系及火焰分區(qū)Table3 Time scale relations and flame regimes for 12 cases.
4 結(jié)果與討論
本文使用了數(shù)值模擬的方法，研究了低溫化學(xué)反應(yīng)對(duì)正庚烷/空氣混合氣湍流燃燒火焰?zhèn)鞑サ挠绊憽Ｑ芯酷槍?duì)不同的初始條件，模擬了φ = 0.6、入口速度6 m·s-1與10 m·s-1、初始反應(yīng)物溫度450–700 K的 12種工況，發(fā)現(xiàn)了在負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域內(nèi)主要存在薄火焰區(qū)與低溫點(diǎn)火區(qū)兩種火焰分區(qū)，并推測(cè)出之后存在有高溫反應(yīng)區(qū)。對(duì)于普通的薄火焰區(qū)或化學(xué)反應(yīng)凍結(jié)區(qū)(CF)內(nèi)，中間產(chǎn)物CH2O等主要存在與薄反應(yīng)區(qū)中，在預(yù)熱區(qū)中并未被發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明第一階段化學(xué)反應(yīng)并未發(fā)生。隨著初始溫度的升高，點(diǎn)火時(shí)間尺度逐漸下降并與流動(dòng)時(shí)間尺度數(shù)值近似，燃料正庚烷在第一階段部分或全部氧化分解，產(chǎn)生大量可在入口處發(fā)現(xiàn)的中間產(chǎn)物，此時(shí)的火焰位于低溫點(diǎn)火湍流火焰區(qū)(LTI)。在LTI區(qū)域中，初始溫度及入口速度會(huì)造成湍流強(qiáng)度及流動(dòng)時(shí)間的改變，低溫反應(yīng)的作用極為主要。燃料的組分及輸運(yùn)特性受低溫反應(yīng)影響發(fā)生改變，使得標(biāo)準(zhǔn)化湍流燃燒速度隨LTC發(fā)生程度增加而逐漸提高。當(dāng)溫度進(jìn)一步提高后，燃料燃燒由負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域內(nèi)過(guò)渡到達(dá)高溫反應(yīng)區(qū)，燃料不再發(fā)生低溫化學(xué)反應(yīng)，此時(shí)的燃燒將處于高溫點(diǎn)火區(qū)。
致謝：本工作的計(jì)算資源使用了中國(guó)天津天河一號(hào)(TianHe-1A)服務(wù)器。感謝普林斯頓大學(xué)Yiguang Ju教授和瑞典隆德大學(xué)Riixn Yu教授共同的討論。
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張 帆，任 哲，鐘生輝，堯命發(fā)，彭志軍
天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072
1 引言
在實(shí)際的內(nèi)燃機(jī)械中，燃料混合氣的湍流燃燒是熱功能量轉(zhuǎn)化的重要方式。目前，已有許多學(xué)者就Lewis數(shù)、擴(kuò)散、壓力等多元參數(shù)對(duì)于火焰結(jié)構(gòu)及湍流燃速的影響開(kāi)展了大量研究1–3，但大多研究主要著眼于不存在低溫化學(xué)反應(yīng)的小分子氣態(tài)碳?xì)淙剂希缂淄?、氫氣?。現(xiàn)實(shí)中主要使用的交通輸運(yùn)燃料大多為類似正庚烷、異辛烷等的大分子高碳?xì)浜咳剂希诟邏?、中低溫度的條件下普遍具有低溫化學(xué)反應(yīng)與兩階段點(diǎn)火的燃燒特性5,6。對(duì)于這類燃料，低溫化學(xué)反應(yīng)會(huì)消耗大部分初始反應(yīng)物，產(chǎn)生如CO、CH2O、C2H4等中間物質(zhì)，顯著改變反應(yīng)物組成與混合氣溫度、減少反應(yīng)物平均分子質(zhì)量、影響能量吸收及轉(zhuǎn)變過(guò)程，使燃料的組分、輸運(yùn)特性以及化學(xué)特性等發(fā)生急劇改變，繼而影響湍流火焰的燃燒速度及火焰結(jié)構(gòu)。
研究者通過(guò)實(shí)驗(yàn)與模擬的途徑7–11已經(jīng)發(fā)現(xiàn)燃料的低溫化學(xué)反應(yīng)會(huì)影響湍流火焰的動(dòng)力學(xué)特性。Lawes等人采用高速紋影成像技術(shù)，在湍流燃燒彈內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了不同湍流速度、不同當(dāng)量比及不同壓力條件下正辛烷的湍流燃燒速度12。Won等人在自主設(shè)計(jì)的槽型湍流反應(yīng)器(RATS)燃具內(nèi)，使用激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)檢測(cè)技術(shù)對(duì)庚烷的湍流燃燒速度及火焰分區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到正庚烷因初始反應(yīng)物溫度、入口速度、加熱流動(dòng)滯留時(shí)間的不同會(huì)導(dǎo)致燃料氧化及低溫化學(xué)反應(yīng)程度的不一，存在四種火焰分區(qū)，并深入探究了燃料的低溫化學(xué)反應(yīng)程度對(duì)湍流燃燒速度的影響13–15。本論文正是基于其試驗(yàn)數(shù)據(jù)開(kāi)始的數(shù)值模擬研究。近年來(lái)隨著計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，直接數(shù)值模擬(DNS)在燃料燃燒領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在新型均質(zhì)壓燃(HCCI)與火花塞輔助壓燃(SAHCCI)環(huán)境下，Gou等人16使用多時(shí)間尺度(MTS)與簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型模擬了庚烷的點(diǎn)火、火焰分區(qū)以及各個(gè)分區(qū)間的轉(zhuǎn)化，發(fā)現(xiàn)火焰的分區(qū)狀況會(huì)受初始溫度梯度與壓力的影響；低溫化學(xué)反應(yīng)的存在使得低溫火焰與高溫火焰具有迥異的動(dòng)力學(xué)和輸運(yùn)特性以及傳播速度；此外發(fā)現(xiàn)，負(fù)溫度系數(shù)效應(yīng)會(huì)促進(jìn)超音速自點(diǎn)火，在低溫度梯度下極大影響了點(diǎn)火鋒面與聲波的相互作用。Krisman等人17采用二維DNS模擬了二甲醚低溫反應(yīng)產(chǎn)生的“冷焰”對(duì)于二甲醚兩階段自點(diǎn)火尤其是高溫點(diǎn)火HTC的影響，與均勻混合氣相比，冷焰的產(chǎn)生將導(dǎo)致較濃混合氣區(qū)域內(nèi)第一階段自燃的點(diǎn)火延時(shí)在減小，并影響自燃核形成的位置及時(shí)間。之后Krisman等人18詳細(xì)模擬了在4000 kPa,400 K與900 K理想柴油機(jī)條件下二甲醚的湍流兩階段點(diǎn)火特性，發(fā)現(xiàn)其點(diǎn)火是個(gè)包含LTC/HTC/預(yù)混及非預(yù)混燃燒的復(fù)雜多級(jí)過(guò)程。Zhang等人采用三維DNS模擬研究了標(biāo)準(zhǔn)參考燃料PRF70在部分預(yù)混燃燒(PPC)內(nèi)燃機(jī)工況下的自點(diǎn)火及廢氣排放情況，并分析了燃燒中間產(chǎn)物CO的變化以深入了解部分預(yù)混燃燒區(qū)結(jié)構(gòu)以及燃燒污染物的產(chǎn)生機(jī)理19,20。
過(guò)去的研究大多基于傳統(tǒng)Borghi圖的燃燒模型，僅考慮了與層流火焰結(jié)構(gòu)有關(guān)的火焰燃燒時(shí)間尺度。在一些先進(jìn)燃?xì)鉁u輪燃燒器的高壓(＞ 2000 kPa)或高溫(＞ 1000 K)環(huán)境下，大分子碳?xì)淙剂系牡蜏攸c(diǎn)火延遲時(shí)間將急劇縮短至1 ms以內(nèi)，與湍流積分時(shí)間尺度及混合層流動(dòng)滯留時(shí)間具有可比性，此時(shí)傳統(tǒng)的小火焰假設(shè)與Borghi圖都不再適用14。因此高溫高壓環(huán)境下點(diǎn)火的影響也會(huì)成為影響火焰分區(qū)的重要因素之一，湍流與化學(xué)相互作用對(duì)于低溫燃燒的影響作用仍待探究。
本文主要著眼于燃料的負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域，研究了不同入口參數(shù)條件下正庚烷/空氣預(yù)混混合氣的流場(chǎng)、組分和溫度變化，探索了低溫反應(yīng)對(duì)湍流火焰的影響，并結(jié)合湍流時(shí)間尺度、流動(dòng)時(shí)間尺度與點(diǎn)火時(shí)間尺度，初步提出湍流/化學(xué)相互作用下新的火焰區(qū)域劃分依據(jù)。
2 數(shù)值模擬模型
2.1 計(jì)算方法
本文根據(jù)文獻(xiàn)14中的試驗(yàn)裝置，使用OpenFOAM平臺(tái)構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型。此模型可以分為自由發(fā)展段與火焰生成區(qū)兩部分。預(yù)混混合氣首先以不同入口溫度、速度條件流動(dòng)通過(guò)自由發(fā)展段，發(fā)生不同程度的低溫化學(xué)反應(yīng)；隨后進(jìn)入火焰生成區(qū)后經(jīng)由引燃火焰點(diǎn)火并形成穩(wěn)定火焰面。其初始參數(shù)由文獻(xiàn)14給出。
在自由發(fā)展段，燃料是否會(huì)發(fā)生低溫反應(yīng)以及反應(yīng)進(jìn)行的程度會(huì)各有不同，導(dǎo)致進(jìn)入火焰生成區(qū)的物質(zhì)組分發(fā)生重大改變。為準(zhǔn)確獲取火焰生成區(qū)入口處的實(shí)際組分含量，可將該部分正庚烷混合氣看作處于一維絕熱的流動(dòng)過(guò)程，不受外界影響而完全由初始狀態(tài)自由發(fā)展。通過(guò)對(duì)反應(yīng)流初始溫度與速度的設(shè)置，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后反應(yīng)流將完全流通達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)出口處各組分的含量即可視作該工況下進(jìn)入火焰生成區(qū)的實(shí)際組分。
預(yù)混混合氣經(jīng)過(guò)自由發(fā)展段后直接進(jìn)入火焰生成區(qū)，三維計(jì)算區(qū)域尺寸為140 mm × 82 mm ×90 mm，采用非均勻化網(wǎng)格對(duì)中間火焰部分進(jìn)行加密處理，網(wǎng)格數(shù)總數(shù)為799200。圖1a–c分別是RATS燃具示意圖，計(jì)算域和三維網(wǎng)格劃分情況。圖1a中黑色虛線部分為計(jì)算域，在三維圖中顯示為圖1b,c。在計(jì)算域內(nèi)部充滿了處于常溫常壓下的空氣。計(jì)算模型底面100 mm ×10 mm部分為預(yù)混燃料混合氣入口，即RATS燃具中的噴嘴出口。圖1c中顯示的中間網(wǎng)格密集處即為產(chǎn)生火焰的主要位置。在入口兩旁各有100 mm × 1 mm的長(zhǎng)槽面作為化學(xué)當(dāng)量比條件下的甲烷高溫引燃火焰，進(jìn)口計(jì)算域的最底面為燃料與引燃火焰的入口，通道平行且鄰近主反應(yīng)物流動(dòng)通道的每一側(cè)，如圖2a所示。在模型入口邊界上，燃料混合氣的組分給定初始值。本文是使用直接數(shù)值模擬的方法先生成了一個(gè)滿足一定湍流強(qiáng)度的各項(xiàng)同性湍流場(chǎng)，然后疊加在主流速度之上作為燃燒器的入口條件。在本算例的三維計(jì)算中，采用的RANS方法，湍流模型是k-ε。以初始反應(yīng)物溫度700 K，入口速度10 m·s-1為例，按實(shí)驗(yàn)數(shù)值設(shè)置初始湍流積分尺度為2.75 mm，湍流強(qiáng)度取12.5%，圖2b顯示了初始湍流速度場(chǎng)分布。
圖1 (a) 燃具示意圖；(b) 三維數(shù)值模擬計(jì)算域；(c) 計(jì)算域網(wǎng)格Fig.1 (a) Schematic of reactor-assisted turbulent slot burner;(b) computational domain of three-dimensional numerical simulation;(c) the grid mesh in the simulation.
2.2 化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理
在數(shù)值模擬計(jì)算中使用的是美國(guó) Sandia National Laboratories的Liu等人提出的簡(jiǎn)化正庚烷骨架機(jī)理21，包含44種物質(zhì)與112步基元反應(yīng)，可在計(jì)算能力允許的范圍內(nèi)較好反映燃料的化學(xué)特性。圖3為該簡(jiǎn)化機(jī)理與CURRAN ver 3.1詳細(xì)機(jī)理22在CHEMKIN零維均質(zhì)燃燒器中不同當(dāng)量比、溫度與壓力條件下的滯燃期對(duì)比。圖3a,b分別對(duì)應(yīng)的是化學(xué)當(dāng)量比φ = 1和0.6的正庚烷混合氣。本文中著火延遲時(shí)間定義為溫度梯度最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。從圖3a中可見(jiàn)在100 kPa，750 K條件當(dāng)量燃燒下，第一階段點(diǎn)火延時(shí) τ1st為9.6 ms；而壓力增至1350 kPa時(shí)，因分子碰撞加劇導(dǎo)致初始活性自由基團(tuán)數(shù)量增加，繼而使得 τ1st縮短至1.6 ms。在壓力P = 100 kPa的工況下，簡(jiǎn)化機(jī)理(實(shí)心紅點(diǎn))與詳細(xì)機(jī)理(藍(lán)色實(shí)線)滯燃期對(duì)比吻合較好。圖3b顯示在φ = 0.6，一個(gè)大氣壓條件下，簡(jiǎn)化機(jī)理與詳細(xì)機(jī)理的第二階段滯燃期基本吻合，第一階段滯燃期較長(zhǎng)，但是三維計(jì)算中的分析是基于第一階段點(diǎn)火之后的組分、溫度分布對(duì)湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?。因此本研究使用此?jiǎn)化機(jī)理替代詳細(xì)機(jī)理CURRAN ver 3.1。
圖4a，b表示了在初始100 kPa、700 K、φ = 0.6條件下該簡(jiǎn)化機(jī)理計(jì)算得到的兩階段點(diǎn)火特性：壓力、燃料以及中間組分CH2O隨時(shí)間的變化?？梢钥闯鲈诘谝?、第二點(diǎn)火階段壓力各有兩次快速提升，第一階段低溫化學(xué)反應(yīng)發(fā)生后，燃料正庚烷大量分解并產(chǎn)生各類中間產(chǎn)物；二次點(diǎn)火后燃料完全分解，反應(yīng)到達(dá)高溫階段。
圖2 計(jì)算域底面入口(a)和底面速度入口湍流場(chǎng)(b)Fig.2 Bottom inlet of the computational domain (a);inlet turbulent velocity (b).
圖3 簡(jiǎn)化機(jī)理與ver3.1詳細(xì)機(jī)理在φ = 1 (a)和φ = 0.6 (b)時(shí)的滯燃期對(duì)比Fig.3 Comparison of ignition delay time for n-heptane mechanism at φ = 1 (a) and φ = 0.6 (b) conditions between reduced and ver3.1 detailed mechanism.
圖4 簡(jiǎn)化機(jī)理壓力(a)和部分組分(b)隨時(shí)間變化Fig.4 Time-dependent change of pressure (a) and important species (b) of simplified mechanism.
2.3 初始參數(shù)設(shè)置
本文主要研究的是化學(xué)當(dāng)量比φ = 0.6的正庚烷空氣混合氣火焰燃燒情況。計(jì)算域內(nèi)大環(huán)境為常溫狀態(tài)下的空氣，這里取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度301 K，近似認(rèn)為空氣中僅含有氮?dú)馀c氧氣兩種物質(zhì)(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)的形式給出)。入口燃料由正庚烷、氧氣與氮?dú)馊邩?gòu)成，對(duì)于化學(xué)當(dāng)量比為φ = 0.6的正庚烷混合氣，表1給出了相應(yīng)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。根據(jù)自由發(fā)展段燃料滯留時(shí)間的不同，其初始混合物狀態(tài)(溫度、組分)做相應(yīng)的改變。
為點(diǎn)燃并穩(wěn)定主流火焰，引燃火焰一般采用甲烷、乙烯等簡(jiǎn)單燃料。在本模擬中引焰采用的是GRI3.0詳細(xì)甲烷動(dòng)力學(xué)機(jī)理，包含53種物質(zhì)，353步反應(yīng)。將經(jīng)過(guò)CHEMKIN燃燒計(jì)算后得到的主要高溫產(chǎn)物作為入口初始條件給入計(jì)算模型。CHEMKIN燃燒模型中初始溫度為298 K，甲烷/空氣當(dāng)量比φ = 1，燃燒后溫度為2230 K。引焰的目的是提供足夠的熱環(huán)境使得主流區(qū)的燃燒能夠順利進(jìn)行,并且保證周圍空氣對(duì)主流沒(méi)有干擾。本文選取的引焰中的組分是甲烷和空氣完全燃燒得到的主要產(chǎn)物，即：H2O，CO，CO2，O2，H2，OH 和N2。除組分構(gòu)成外，引焰的速度也會(huì)影響主焰的燃燒情況。在實(shí)際模擬計(jì)算前，針對(duì)入口主流速度10 m·s-1，分別研究了引焰速度 7.5 m·s-1與 10 m·s-1的燃燒情況。當(dāng)引焰速度為10 m·s-1時(shí)，引焰速度過(guò)快使得火焰面未能形成即被吹走，并未發(fā)生著火現(xiàn)象。這也說(shuō)明引焰的速度大小會(huì)影響到火焰的形成，因此在模擬計(jì)算中將引焰速度選取為主焰速度的0.75倍。
本文主要著眼于處于化學(xué)反應(yīng)凍結(jié)區(qū)與低溫點(diǎn)火區(qū)的火焰，即初始反應(yīng)物溫度T在450–700 K范圍之內(nèi)。入口速度U的大小將對(duì)脈動(dòng)速度u′與加熱流動(dòng)滯留時(shí)間 τres產(chǎn)生影響。滯留時(shí)間與對(duì)應(yīng)溫度下的第一階段點(diǎn)火燃期 τ1st存在著大小關(guān)系，影響著低溫反應(yīng)的發(fā)生與計(jì)算域入口組分的含量。算例中使用φ = 0.6的正庚烷/空氣混合氣。層流火焰速度SL由對(duì)應(yīng)機(jī)理通過(guò)CHEMKIN一維層流火焰自由傳播模塊計(jì)算得出。綜合考慮相關(guān)因素后，表2給出了本模擬研究中計(jì)算使用的12個(gè)算例的初始參數(shù)具體設(shè)置情況。
表1 φ = 0.6正庚烷混合氣組分含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table1 Component mass fraction of n-heptane mixture (φ = 0.6).
表2 算例初始參數(shù)Table2 Initial simulation parameters of 12 cases.
圖5 450–700 K，當(dāng)量比φ = 0.6混合氣NXC7H16 (a)和CH2O (b)組分隨時(shí)間變化情況Fig.5 Temporal evolution of NXC7H16 (a) and CH2O (b) mass fraction at 450–700 K with equivalence ratio φ = 0.6.
根據(jù)初始算例中不同初始溫度、燃料滯留時(shí)間，首先通過(guò)對(duì)自由發(fā)展段中燃料的化學(xué)動(dòng)力學(xué)特性做簡(jiǎn)要分析。圖5顯示初始溫度在450–700 K，當(dāng)量比φ = 0.6的混合氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)和中間組分CH2O隨時(shí)間的變化，圖中分別標(biāo)出了流動(dòng)滯留時(shí)間為63 ms與 106 ms的位置(即入口速度 10 m·s-1與 6 m·s-1)?？煽闯鲈?20 ms的時(shí)間范圍內(nèi)，較低溫度(450–600 K)的算例下正庚烷含量不發(fā)生改變，始終維持在初始值；溫度逐漸提升后，正庚烷隨時(shí)間增長(zhǎng)含量逐漸減小。隨著溫度逐漸增高(650–700 K)，正庚烷裂解消耗發(fā)生的時(shí)間也越早，組分變化曲線也更加陡急，說(shuō)明燃料裂解速度加快。從圖 5b也可得到相似結(jié)論，因低溫情況下燃料組分保持不變，CH2O一直沒(méi)有產(chǎn)生，數(shù)值上表現(xiàn)始終為零；對(duì)于高溫情況，CH2O的出現(xiàn)時(shí)間則會(huì)隨初始溫度增長(zhǎng)而逐漸提前。
結(jié)合圖4和5，對(duì)于存在低溫反應(yīng)的情況，在第一階段化學(xué)反應(yīng)發(fā)生后，壓力快速增長(zhǎng)，主體燃料與氧氣發(fā)生復(fù)雜異構(gòu)化與分解，正庚烷部分分解形成較小的中間產(chǎn)物CH2O、C2H4等。中間產(chǎn)物的形成一方面促進(jìn)了化學(xué)反應(yīng)，一方面使得混合氣平均分子質(zhì)量降低，導(dǎo)致局部區(qū)域 Le數(shù)減小，兩者都會(huì)對(duì)火焰湍流燃燒速度的提高起到一定作用。第一階段過(guò)后，大部分燃料被分解為中間組分。在第一階段后第二階段前，CH2O、OH等組分逐漸被消耗并放熱，在臨近第二點(diǎn)火延時(shí)τ2nd時(shí)H2O2分解放熱加速反應(yīng)，使得燃料組分進(jìn)入第二階段23,24。
圖6 U = 10 m·s-1、T = 450–700 K范圍內(nèi)穩(wěn)定火焰情況Fig.6 2D temperature distributions at the burner outlet from 3D results for different reactant temperatures(450–700 K) but the same inlet velocity (U = 10 m·s-1).
圖7 U = 6 m·s-1、T = 450–700 K范圍內(nèi)穩(wěn)定火焰情況Fig.7 2D temperature distributions at the burner outlet from 3D results for different reactant temperatures (450–700 K) but the same inlet velocity (U = 6 m·s-1).
3 結(jié)果與討論
3.1 火焰燃燒情況
在保持化學(xué)當(dāng)量比(φ)與入口速度(U)恒定(即流動(dòng)滯留時(shí)間一定)的情況下，通過(guò)改變混合氣初始反應(yīng)溫度(Treactor)，可得到正庚烷/空氣混合氣燃燒隨溫度的整體變化情況。圖6顯示了在當(dāng)量比φ = 0.6，入口速度保持在10 m·s-1的情況下，逐漸將反應(yīng)初始溫度從450 K增加至700 K所得到的穩(wěn)定后的湍流預(yù)混火焰狀態(tài)(三維模型的二維中間截面)。在相對(duì)較低的反應(yīng)溫度階段，燃燒火焰處于化學(xué)反應(yīng)凍結(jié)區(qū)(CF區(qū))，如圖6a,b所示，可得到類似于本生火焰的燃燒狀態(tài)。如圖6c–f所示，將溫度繼續(xù)增加，從500 K提升至700 K，可明顯看到最高火焰燃燒溫度隨之逐漸上升,且火焰高度逐漸下降，說(shuō)明湍流燃燒速度ST隨溫度升高逐漸增大。圖6d–f各溫度階段的火焰燃燒情況受低溫化學(xué)反應(yīng)程度的影響較大，屬于低溫點(diǎn)火區(qū)(LTI)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致14。
圖7同樣顯示了當(dāng)量比及流動(dòng)停留時(shí)間一定，改變初始反應(yīng)溫度得到的湍流火焰情況。不同于圖6，此時(shí)入口速度U = 6 m·s-1，流動(dòng)滯留時(shí)間雖仍保持恒定，但較圖6有所增加。由下圖可見(jiàn)火焰整體變化規(guī)律與圖6一致，隨著溫度增加火焰溫度逐漸提升，火焰面高度逐漸減小，湍流燃燒速度增加。
圖8 670 K與700 K不同入口速度火焰對(duì)比Fig.8 2D temperature distributions at the burner outlet for two reactant temperatures 670 K,700 K and two inlet velocities 6 m·s-1,10 m·s-1.
圖8 對(duì)比了同一溫度不同進(jìn)氣速度的火焰溫度圖像，發(fā)現(xiàn)不同入口速度對(duì)反應(yīng)溫度影響不大，但對(duì)火焰面高度有較大影響。從670 K與700 K兩種溫度四個(gè)算例的對(duì)比中可見(jiàn)，低入口速度(6 m·s-1)的火焰面高度明顯低于高入口速度(10 m·s-1)。這種情況的發(fā)生主要是由于不同的入口速度對(duì)應(yīng)不同的加熱流動(dòng)滯留時(shí)間，使得第一階段化學(xué)反應(yīng)的程度有所不同。在低速入口情況下，燃料在自由發(fā)展段有較長(zhǎng)停留時(shí)間(＞ 100 ms)，低溫化學(xué)反應(yīng)較為充分，在燃具出口的正庚烷大部分已發(fā)生分解轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g物質(zhì)，很快就能著火形成穩(wěn)定火焰；而對(duì)于高速入口情況，流動(dòng)滯留時(shí)間約為60 ms，與燃料的第一滯燃期近似或小于第一滯燃期，燃料的低溫反應(yīng)程度受溫度影響較大，所以化學(xué)反應(yīng)不如低速情況完全，進(jìn)入模型的燃料仍需要一段時(shí)間的發(fā)展才能繼續(xù)分解并著火形成火焰。
3.2 湍流火焰燃燒速度
模擬研究中需要測(cè)定的湍流火焰速度 ST根據(jù)質(zhì)量守恒定律由公式1確定:
式中U是噴嘴出口處混合氣平均流速；w是燃燒器的寬度，在本模擬模型中w = 10 mm；Pavg是平均火焰的長(zhǎng)度。在本模擬中，通過(guò)對(duì)火焰面上CH自由基的等值面擬合得到火焰面的錐形輪廓，繼而得到火焰面的平均長(zhǎng)度。通常OH-PLIF所顯示的火焰面包含了反應(yīng)區(qū)和高溫區(qū)，對(duì)應(yīng)火焰厚度比較寬。在計(jì)算中可以方便地提取CH分布，得到的是最中心的反應(yīng)層厚度，更適合用來(lái)定義火焰鋒面25。同樣方法可得到450–700 K各個(gè)算例不同溫度下的火焰面輪廓并求得其火焰面長(zhǎng)度。圖9顯示了化學(xué)當(dāng)量比φ = 0.6，溫度在450–700 K范圍內(nèi)，模擬計(jì)算所得12個(gè)工況下正庚烷/空氣混合氣的標(biāo)準(zhǔn)化湍流燃燒速度 ST/SL隨標(biāo)準(zhǔn)化湍流強(qiáng)度 u′/SL的變化關(guān)系。ST/SL表示由層流燃燒速度 SL標(biāo)準(zhǔn)化得到的湍流燃燒速度，所有層流燃燒速度 SL都是由CHEMKIN一維層流預(yù)混火焰模型計(jì)算得到。
圖9 被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)湍流燃速ST/SL與標(biāo)準(zhǔn)化湍流強(qiáng)度u'/SL的函數(shù)關(guān)系Fig.9 Measured turbulent burning velocity normalized by SL as a function of normalized turbulent intensity,u'/SL.
圖9 中的兩條實(shí)線是實(shí)驗(yàn)測(cè)定得出的多個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行擬合所得14，離散點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)本文12個(gè)數(shù)值模擬工況點(diǎn)。從圖中可以看出，標(biāo)準(zhǔn)化湍流燃燒速度與混合氣初始溫度以及流動(dòng)滯留時(shí)間有關(guān)。兩條實(shí)線中的下線可代表火焰的下限，主要由較低溫度的算例分布構(gòu)成(空心圖標(biāo)與部分實(shí)心圖標(biāo))。在下限范圍內(nèi)，混合氣溫度過(guò)低或流動(dòng)滯留時(shí)間過(guò)短，都不利于低溫燃料氧化反應(yīng)的發(fā)生，在這些情況下CH2O僅存在于薄反應(yīng)區(qū)中，在未燃燒反應(yīng)物區(qū)域中沒(méi)有 CH2O，表明進(jìn)入計(jì)算域的燃料不存在化學(xué)反應(yīng)。對(duì)應(yīng)的在上限處算例的初始反應(yīng)溫度較高(600–700 K)，流動(dòng)滯留時(shí)間較長(zhǎng)(＞ 100 ms)，出口處的焰前未燃區(qū)域內(nèi)存在大量 CH2O，表明在自由發(fā)展段混合氣發(fā)生了低溫氧化反應(yīng)，并改變了反應(yīng)物化學(xué)組成。圖9中兩個(gè)實(shí)點(diǎn)(算例8和10)靠近火焰下線是因?yàn)椋憷?(650 K，10 m·s-1)處于化學(xué)反應(yīng)凍結(jié)區(qū)/薄反應(yīng)區(qū)(CF區(qū))，CH2O只在薄反應(yīng)層出現(xiàn)，不受未燃區(qū)域燃料化學(xué)動(dòng)力學(xué)的影響。算例10(670 K，10 m·s-1)的燃料滯留時(shí)間與低溫化學(xué)反應(yīng)時(shí)間相當(dāng)，此時(shí)的火焰處于凍結(jié)區(qū)向低溫反應(yīng)區(qū)的過(guò)渡。圖10選取了500 K與670 K兩個(gè)不同工況在流動(dòng)滯留時(shí)間為100 ms情況下，主要中間產(chǎn)物的分布情況。明顯可見(jiàn)兩種工況分別屬于不同的火焰分區(qū)。在500 K算例工況下，CH2O如上文所述只存在于火焰面周圍，屬于薄反應(yīng)區(qū)(或化學(xué)反應(yīng)凍結(jié)區(qū))；在670 K工況下，CH2O存在于未燃反應(yīng)物區(qū)域內(nèi)，且CH2O最高含量約為500 K工況的4.4倍，燃燒位于低溫點(diǎn)火區(qū)。中間物質(zhì)的分布情況說(shuō)明了低溫化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生改變了火焰的湍流燃燒速度。
圖10 中間產(chǎn)物CH2O和OH在初始溫度500 K、670 K，流動(dòng)時(shí)間100 ms時(shí)的濃度對(duì)比Fig.10 2D contour of intermediate species (CH2O,OH) mass fraction comparisons for different reactant temperatures 500 K and 670 K at flow residence time of τres = 100 ms.
3.3 時(shí)間尺度關(guān)系
表3列出了本文所研究的12個(gè)算例中點(diǎn)火時(shí)間尺度 τ1st與流動(dòng)時(shí)間尺度 τflow的詳細(xì)數(shù)值及兩者大小關(guān)系，此外還分別劃分了每個(gè)算例火焰的化學(xué)區(qū)域，本文的研究范圍主要為化學(xué)反應(yīng)凍結(jié)區(qū)/薄反應(yīng)區(qū)(CF區(qū))與低溫點(diǎn)火區(qū)(LTI)。
根據(jù)入口燃料的初始溫度與入口速度不同，點(diǎn)火時(shí)間尺度、流動(dòng)時(shí)間尺度以及火焰時(shí)間尺度的關(guān)系會(huì)相應(yīng)有所區(qū)別，分別會(huì)對(duì)應(yīng)不同的火焰區(qū)域。當(dāng)初始溫度較低，如算例1–6的情況，第一點(diǎn)火階段不會(huì)發(fā)生或開(kāi)始時(shí)間較遲，此時(shí) τ1st＞ τflow＞ τflame，火焰尺度為主要尺度，火焰表現(xiàn)出層流燃燒特征，燃燒速度與層流速度一致。當(dāng)初始溫度增高，點(diǎn)火延時(shí)縮短，逐漸與另外兩者數(shù)值相近或小于流動(dòng)時(shí)間時(shí) τ1st～τflow～τflame，低溫化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生會(huì)改變反應(yīng)物的組分，對(duì)燃燒的影響占主要地位，此時(shí)的火焰屬于特殊的低溫湍流火焰點(diǎn)火區(qū)。當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，由圖4可以預(yù)測(cè)，高溫高壓下時(shí)間極快極短的第一階段點(diǎn)火(0.1–10 ms)將遠(yuǎn)小于流動(dòng)時(shí)間 τ1st＜＜ τflow，化學(xué)反應(yīng)更多將為高溫反應(yīng)，燃燒將位于高溫點(diǎn)火區(qū)域。
表3 12算例時(shí)間尺度關(guān)系及火焰分區(qū)Table3 Time scale relations and flame regimes for 12 cases.
4 結(jié)果與討論
本文使用了數(shù)值模擬的方法，研究了低溫化學(xué)反應(yīng)對(duì)正庚烷/空氣混合氣湍流燃燒火焰?zhèn)鞑サ挠绊憽Ｑ芯酷槍?duì)不同的初始條件，模擬了φ = 0.6、入口速度6 m·s-1與10 m·s-1、初始反應(yīng)物溫度450–700 K的 12種工況，發(fā)現(xiàn)了在負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域內(nèi)主要存在薄火焰區(qū)與低溫點(diǎn)火區(qū)兩種火焰分區(qū)，并推測(cè)出之后存在有高溫反應(yīng)區(qū)。對(duì)于普通的薄火焰區(qū)或化學(xué)反應(yīng)凍結(jié)區(qū)(CF)內(nèi)，中間產(chǎn)物CH2O等主要存在與薄反應(yīng)區(qū)中，在預(yù)熱區(qū)中并未被發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明第一階段化學(xué)反應(yīng)并未發(fā)生。隨著初始溫度的升高，點(diǎn)火時(shí)間尺度逐漸下降并與流動(dòng)時(shí)間尺度數(shù)值近似，燃料正庚烷在第一階段部分或全部氧化分解，產(chǎn)生大量可在入口處發(fā)現(xiàn)的中間產(chǎn)物，此時(shí)的火焰位于低溫點(diǎn)火湍流火焰區(qū)(LTI)。在LTI區(qū)域中，初始溫度及入口速度會(huì)造成湍流強(qiáng)度及流動(dòng)時(shí)間的改變，低溫反應(yīng)的作用極為主要。燃料的組分及輸運(yùn)特性受低溫反應(yīng)影響發(fā)生改變，使得標(biāo)準(zhǔn)化湍流燃燒速度隨LTC發(fā)生程度增加而逐漸提高。當(dāng)溫度進(jìn)一步提高后，燃料燃燒由負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域內(nèi)過(guò)渡到達(dá)高溫反應(yīng)區(qū)，燃料不再發(fā)生低溫化學(xué)反應(yīng)，此時(shí)的燃燒將處于高溫點(diǎn)火區(qū)。
致謝：本工作的計(jì)算資源使用了中國(guó)天津天河一號(hào)(TianHe-1A)服務(wù)器。感謝普林斯頓大學(xué)Yiguang Ju教授和瑞典隆德大學(xué)Riixn Yu教授共同的討論。
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