王美琪，陳 雷，曾 文，裴 歡，劉 宇，楊 昆

(沈陽航空航天大學 遼寧省航空推進系統(tǒng)先進測試技術重點實驗室，沈陽 110136)

隨著社會經濟的快速發(fā)展，全球能源的需求和污染物的排放問題成為人類社會可持續(xù)發(fā)展面臨的兩大難題[1]。天然氣由于其環(huán)保、儲量大等優(yōu)點，已經廣泛地應用在各個領域。但天然氣主要成分甲烷的C-H鍵斷裂過程需要較高能量,這會導致點火可靠性差等問題[2]。為了找到解決辦法，國內外許多學者對甲烷的燃燒特性進行了研究[3，4]。其中，等離子體由于包含大量非束縛態(tài)帶電粒子，可以加速燃料的點火，引起了研究人員的極大關注[5，6]。

胡宏斌[7]進行了等離子體輔助甲烷燃燒的實驗研究。結果表明，等離子體輔助低熱量氣體燃料的燃燒性能得到了顯著改善，具體表現(xiàn)為提高點火可靠性、擴大稀薄燃燒極限和提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?。張浩[8]采用有限元分析方法求解了一維等離子體助燃模型，研究結果表明：電離產生的等離子體增加了O的來源途徑，提高了O的生成速率，使著火延遲時間縮短。可以看出，在等離子體輔助甲烷燃燒領域已經取得了一些進展。但是，由于等離子體化學反應的復雜性以及電離產生活性粒子的多樣性[9-10]，目前對等離子體的研究仍局限于理論和基礎實驗，從微觀和機理的角度研究成果頗為少見。因此，有必要研究等離子體輔助燃燒的燃燒機理，并探索在輔助甲烷燃燒中起主要作用的關鍵活性顆粒的類型。

1 研究方法

1.1 構建機理

等離子體輔助CH4/空氣化學反應的機理分為兩部分，放電階段和點火階段[11]。放電階段是能量轉移和中性粒子活化的過程。經過粒子激發(fā)、離解、電離、電荷交換、激發(fā)粒子淬滅、電子離子重組等一系列反應，最終產生了大量的活性粒子[12]。在點火階段，將放電階段產生的活性粒子作為初始成分添加到CH4/空氣混合物中，模擬等離子體增強甲烷點火的整個過程。本文在GRI 3.0的基礎上添加O3的相關化學反應方程式，形成等離子體激勵甲烷燃燒反應機理，著重研究了O3粒子對反應的刺激作用。表1為O3相關的部分化學反應方程式。

表1 O3相關化學反應

1.2 著火延遲時間

著火延遲時間是可燃物已達到著火條件時，由初始狀態(tài)到躍變狀態(tài)所需要的時間[13]。開展等離子體增強甲烷點火的著火延遲時間的化學反應動力學分析，能夠對提高發(fā)動機熱效率和減少污染排放的可持續(xù)發(fā)展提供理論指導[14]，并對理解等離子體增強甲烷的著火特性、燃燒機理、污染物生成和構建合理的燃燒反應模型提供理論數(shù)據(jù)支撐。設定著火時間有多種方法，可以選擇溫度、壓力和自由基發(fā)射光譜強度的變化來設定著火延遲時間[15]。本文選擇反應開始時刻到OH自由基生成速率最快的時刻之間的時間間隔作為著火延遲時間。

2 計算結果

在起始溫度T為1 200 K、起始壓強P為1atm、不考慮能量損失和周圍活性顆粒擴散的情況下，分別計算正常燃燒和等離子體助燃條件下，不同當量比(Φ=0.8、1.0、1.2)、不同壓力(p=1、5、10 bar)的著火延遲時間隨溫度的變化情況；并計算了不同當量比燃燒的溫度變化以及燃燒產物的摩爾濃度隨時間的變化。

2.1 不同溫度對著火延遲時間的影響

圖1為初始溫度對著火延遲時間的影響。從圖1中可以明顯看出，GRI 3.0機理和加入0.5%O3的等離子體助燃機理隨著初始溫度的升高，著火延遲時間明顯減小。這是因為當溫度升高時，燃料分子能量增加，反應中的活性粒子數(shù)量增多，極大提升了反應速率，因此縮短了著火延遲時間。在反應中加入0.5% O3后，著火延遲時間比正常燃燒的著火延遲時間縮短了很多。在1 600 K時，加入0.5%O3的著火延遲時間大約為4.8×10-4s，甲烷自點火的著火延遲時間大約為1.88×10-3s。

2.2 摩爾分數(shù)隨時間的變化

圖2為燃燒反應過程中的主要反應物和燃燒產物的摩爾分數(shù)隨時間的演化過程。如圖2a、圖2b所示，CH4在開始時緩慢消耗，反應速率較慢，在著火時刻反應速率迅速增大，CH4迅速被消耗，直至摩爾分數(shù)變?yōu)?。如圖2c、圖2d所示，圖2c OH的摩爾分數(shù)剩余量約為0.015,反應過程中OH的最大摩爾分數(shù)為0.139。圖2d OH的摩爾分數(shù)剩余量約為0.017,反應過程中OH的最大摩爾分數(shù)為0.144。加入O3后生成OH的時間縮短，同時促進了OH消耗，因此縮短了著火延遲時間。

圖1 著火延遲時間隨溫度的變化

2.3 不同當量比對著火延遲時間的影響

圖3顯示了當量比分別為0.8、1.0、1.2時著火延遲時間隨初始溫度的變化趨勢。在不同的溫度下，CH4/空氣/O3混合氣的著火延遲時間隨著當量比的變化而變化明顯，著火溫度與著火延遲時間呈線性關系。在相同的初始溫度下，隨著混合氣當量比的增加，混合氣從富氧混合氣達到化學恰當比，再到貧氧混合氣，混合氣的著火延遲時間呈增加趨勢。

從圖4中可以看出，燃料燃燒的溫度上限在當量比為1.0時最大，其次是濃混合氣，稀混合氣的燃燒最高溫度最小。當量比為1.0時，溫度升高速率最大。這是由于濃混合氣活性分子數(shù)量多，反應速度加快，但隨著燃燒的進行，氧分子被消耗，使最終的放熱量減少，燃燒最高溫度降低。稀混合氣則是由于缺少燃料，最終的放熱率減少，燃燒最高溫度低。在理論空燃比附近，燃料分子和氧分子的燃燒最為充分，放出的總熱量最多，燃燒最高溫度最大。

圖3 當量比對著火延遲時間的影響

圖4 當量比對溫度上限的影響

2.4 溫度敏感性分析

為了更好地理解加入O3對甲烷點火的影響，選擇了14個對甲烷著火延遲時間有重要影響的化學反應。在初始溫度1400K，標準大氣壓和加入0.5%O3的條件下，進行了自點火的敏感性分析。結果如圖5所示，加入0.5%O3后，各反應式對著火延遲時間的影響明顯增強，可以看出R38、R119和R156的敏感性系數(shù)非常高且大于0。這3個反應是產生OH自由基的主要反應。加入O3后，敏感性系數(shù)增加，OH自由基的產生速率增加，因此著火延遲時間減少。盡管加入0.5%O3也會在不同程度上提高負敏感性系數(shù)以增加著火延遲時間，但CH4/空氣/O3混合氣的總體著火延遲時間卻有所減少。

圖5 敏感性分析

3 結論

對CH4/空氣/O3混合氣體的點火過程進行了數(shù)值計算，并與CH4/空氣混合氣體的點火過程進行對比。得出了O3對甲烷著火延遲時間的影響規(guī)律，結論如下：

(1)與CH4燃燒反應機理相比，加入O3后燃燒起始時間明顯加快，在1 600 K時，著火延遲時間減少了78.7%。隨著初始溫度的升高，著火延遲時間減小，O3對著火延遲時間的影響作用降低。O3有助于加快反應速度，減少著火延遲時間。

(2)當量比為1.0時，不同壓力下的著火延遲時間與著火溫度呈線性關系；同時，隨著著火溫度與壓力的升高，著火延遲時間逐漸縮短。

(3)根據(jù)敏感性分析，加入0.5%O3后，各反應式對著火延遲時間的影響明顯增強。R38、R119和R156的反應式明顯減少了CH4混合氣的著火延遲時間。盡管加入0.5%O3也會在不同程度上提高負敏感性系數(shù)導致增加著火延遲時間，但CH4/空氣/O3混合氣的總體著火延遲時間卻減少了。