高温高压条件下甲醇_空气_稀释气层流燃烧速度测定

图 1 实验系统示意图
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第 18 卷 第 11 期 2008 年 11 月
H G2100 K , 拍摄幅数在 1000 —10000/ s , 本文采用 10000/ s. 容弹内静止混合气低压 (初始压力小于等 于 01 1 M Pa) 时各组分分压用水银测量计测量 , 高压 (初始压力大于 01 1 M Pa) 时用压力变送器测量. 功 率为 2400 W 的加热带均匀缠绕在容弹外部 , 容弹 内部混合气的初始温度用热电偶测量 , 测量精度为 1 K. 加热到预定初始温度后 , 控制装置自动断开电
un = S
S
n
ρb ρu
(7)
unr
=
ρb ρb - ρu
(
un
-
Sn)
(8)
S 为修正函数 , 取决于火焰半径和两区的密度 比[12 ] , 其表达式如下
S = 1 + 1. 2
δl
ru
ρu ρb
2. 2
- 0. 15
δl
ru
ρu ρb
2. 2
2
(9)
式中δl
=
v ul
,
v 是未燃气体的运动粘性系数 ,
可燃气体的层流燃烧速度是混合气体状态参数 的函数 , 受未燃气体压力 、温度以及燃气物性和当 量比等诸多因素的影响. 而在封闭空间内进行的球 形火焰传播过程中 , 必然伴随着压力和温度的逐渐 升高. 因此需要特别指出 : 采用容弹法求取层流火 焰燃烧速度火焰分析应该限定在未燃区气体温度和 压力变化很小的范围内. 在这个火焰范围内 , 火焰 的辐射损失较小 , 此时已燃气体经历的是一个准定
层流燃烧速度是表征层流火焰燃烧特性的重要 参数 , 它在燃烧科学研究的诸多方面 (如燃烧室设 计 、爆炸预测等) 有很重要的意义. 测定的层流燃 烧速度还可以用来验证化学动力学模型的有效性以 及用作湍流燃烧模型的基本输入数据[2] , 所以 , 层 流燃烧速度的精确测定显得尤为重要. 目前 , 测量 可燃混 合气 层 流 燃 烧 速 度 的 方 法 一 般 分 为 两 类 : (1) 非稳态火焰法 , 如逆流双火焰法[3] ; (2) 稳态 火焰法 , 如球形火焰传播法[4] . 逆流双火焰法无论 对于气体还是液体燃料容易控制混合物的组成 , 但 是在复杂 的 流 场 中 必 须 纠 正 拉 伸 对 火 焰 速 度 的 影 响 , 而且利用这种方法难以测量高压条件下的火焰 速度. 球形火焰传播法的拉伸率定义简单明确 , 火 焰面上拉伸分布均匀 , 模型简单 , 数据处理方便 , 易于用来 研 究 火 焰 拉 伸 与 层 流 火 焰 特 性 之 间 的 关 系 , 能更精确测量火焰的层流燃烧速度 , 并能同时 推导出火焰特性其他特征参数 , 如 Markstein 数 , 因而被 国 际 上 广 泛 地 应 用 在 测 量 层 流 燃 烧 速 度
本文利用高速纹影摄像法在定容燃烧弹内研究 了不同初始温度 (373 , 423 和 473 K) 、不同初始压 力 (01 1 , 01 25 , 01 5 和 01 75 M Pa) 、不同气体稀释 度 (01 05 , 01 1 和 01 15) 和不同 燃空 当量 比 ( 01 7 — 11 8) 下的甲醇2空气2稀释气混合气的层流燃烧特性 和火焰传播特性 , 基于向外扩张的球形火焰分析了 拉伸 对 火 焰 和 燃 烧 稳 定 性 的 影 响 , 获 得 了 甲 醇2 空气2稀释气混合气的层流燃烧速率和 Markstein 长 度 , 分析了初始压力 、初始温度 、气体稀释度和燃 空当量比对混合气层流燃烧速率的影响规律.
根据火焰前锋面的质量守恒 , 有
A fρu u l = A fρb S l
(5)
式中 A f 为火焰前锋面的面积 ; ρb 、ρu 分别为 已燃区和未燃气的密度 ; ρu 由燃气的初始状态得 到 ; ρb 通过热平衡计算获得.
由此可推出
ul = ρbS l /ρu
(6)
由于火焰厚度的影响 , 拉伸层流燃烧速率可定 义为燃气的消耗速率 un 和产物的生成速率 u nr , 前 者定义在火焰锋面的外侧 , 后者定义在火焰锋面的 内侧 , 分别用 (7) , (8) 式计算 ,
α=
d (ln A) dt
=
1 A
dA dt
(2)
对于球面层流火焰 , 有
α=
1 A
dA dt
=
2 ru
d ru dt
=
2 ru
S
n
(3)
由 Mar kstein 理论[10] , 球形膨胀火焰的无拉伸层流 火焰传播速度 S l 与拉伸层流火焰传播速度 S n 之间 存在如下线性关系
S l - S n = L αb
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高温高压条件下甲醇2空气2稀释气层流 燃烧速度测定 3
张志远 黄佐华 33 向 俊 王显刚 王锡斌 苗海燕
西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室 , 西安 710049
摘要 利用高速纹影摄像法在定容燃烧弹内研究了不同初始压力 、初始温度 、气体稀释度和燃 空当量比下甲醇2空气混合气预混层流燃烧速度和 Markstein 长度 , 分析了火焰拉伸对火焰传播速 度的影响. 基于火焰纹影照片 , 分析了火焰前锋面形态随混合气初始状态的变化规律. 结果表明 : 甲醇2空气混合气层流燃烧速度随初始压力的增加而降低 , 随初始温度的增加而增加. 氮气作为稀 释气添加后 , 混合气的燃烧速度随稀释度增加而减小. Markstein 长度值随初始压力增加而减小 , 随初始温度增加而减小 , 随气体稀释度增加而增大. 随初始压力增加 , 火焰前锋面不稳定性增加 , 皱褶火焰前锋面出现的时刻提前.
ul 为
无拉伸层流燃烧速度.
由于火焰厚度的存在 , un 和 u nr 之间必然存在
差别. 分析二者的差别有助于理解火焰早期传播过
程的本质特征.
3 实验结果和分析
31 1 火焰传播速度和 Markstein 长度 图 3 给出了某一条件下甲醇2空气预混合气火焰
传播的纹影照片. 可以看出 , 对于无气流运动条件 下的可燃预混合气 , 点火后 , 火核呈球型形状由已 燃区向未燃区传播 , 火焰前锋面呈现出光滑球面.
图 3 甲醇2空气预混合气火焰传播纹影照片 甲醇2空气 , <= 11 0 , 初始温度 T u = 373 K, 初始压力 Pu = 01 1 MPa , 照片间隔时间 2 ms
图 4 不同当量比下火焰半径与时间的关系
图 4 给出了甲醇2空气混合气火焰半径与时间的 关系. 由图可知 , 不同当量比下火焰半径随时间呈 线性变化关系. 图 5 (a) 给出了拉伸火焰传播速度与 火焰半径的关系. 火焰在以球形向外膨胀发展过程 中 , 随着火焰半径的增加 , 火焰的传播速度呈现逐 渐增加趋势. 但在火核形成的早期 , 火焰传播速度 出现由高到低随后又增加的现象 , 其原因主要是电 极对早期火焰的散热作用. 图 5 (a) , ( b) 分别给出 了初始压力 Pu = 01 1 M Pa , 初始温度 Tu = 373 K 时不同当量比下拉伸火焰传播速度与火焰半径的关
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压绝热燃烧过程 , 同时未燃区气体仍然近似保持初 始状态. 通过测定的燃烧压力发现 , 在火焰半径小 于 25 mm 时 , 未燃区压力和温度变化甚小. 另外 , 为了消除电极和点火对火焰发展的影响 , 要求火焰 半径大于 6 mm , 所以本文测定的层流火焰速度依 据火焰半径 ru在 6 —25 mm 的范围内的数据进行.
图 2 定容燃烧弹结构图
2 层流燃烧速度和 Markstein 长度
在球形扩散火焰中 , 拉伸火焰传播速度由火焰 半径和时间的关系式给出[6 ]
Sn
=
d ru dt
(1)
式中 静止流场内 , 火焰表面上任何一点的
火焰拉伸率α定义为火焰表面上一个无限小面积 A 的对数值对时间的变化率 , 即
2008201209 收稿 , 2008204206 收修改稿 3 国家自然科学基金 (批准号 : 50576070) 和国家自然科学基金创新研究群体科学基金 (批准号 : 50521604) 资助项目 3 3 通信作者 , E2mail : zhhuang @mail . xjt u. edu. cn
(4)
上式将 S n 外推至α = 0 处 , 即可得到 S l . 拟 合直线 S n - α的斜率 L b 为已燃气体 Markstein 长度 的负值 , 它表征层流预混火焰对拉伸的敏感程度 , 反映了火焰的稳定性. L b 为正值时 , 反映出火焰传 播速率随拉伸的增加而减小 , 这样 , 当火焰锋面出 现突起时 (拉伸增加) , 突起部分的火焰传播速率将 得到抑制 , 使火焰趋于稳定 ; 反之 , L b 为负值时 , 火焰传播速率随拉伸的增加而增加 , 当火焰锋面出 现突起时 (拉伸增加) , 突起部分的火焰传播速率将 进一步增加 , 火焰的不稳定性增加[11 ] .
关键词 甲醇 层流燃烧速度 Markstein 长度 火焰拉伸
化石燃料的短缺已成为世界各国面临的主要问 题 , 寻求石油替代燃料已成为内燃机和燃烧领域研 究的热点. 目前 , 汽油机的替代燃料主要有甲醇 、 乙醇 、压缩天然气和液化石油气. 其中 , 甲醇燃料 作为汽油机的替代燃料具有来源丰富 (可以从煤 、 天然气 、生物中提取) , 可以规模化生产 , 生产成 本低等优点 , 而且 , 甲醇燃料燃烧常规排放污染 低 , 因此 , 人们对甲醇燃料做为内燃机燃料的研究 开展了大量的工作. 现阶段甲醇燃料的研究比较多 的集中在发动机动力性 、燃油经济性 、排放特性等 方面的台架实验和道路实验方面 , 而在甲醇燃料的 基础燃烧特性方面的研究相对较少 , 如燃烧速度 、 Markstein 长度 、燃料的着火性能和火焰稳定性等. 这些基础燃烧特性不仅对于分析和优化发动机的燃 烧性能 , 指导发动机的优化设计具有重要的指导价 值[1] , 而且补充和发展了甲醇2空气预混层流燃烧的 基础数据. 因此 , 开展甲醇2空气混合气燃烧的基础 研究具有重要的学术价值和工程指导价值.
源 , 加热停止. 然后用微量进样器或移液器把指定 初始温度 、压力 、燃空当量比和气体稀释度条件下 预先计算好的燃料量通过液体燃料注射阀送入容弹 内. 接下来根据计算得到的空气分压和稀释气分压 通过进气阀把新鲜空气和稀释气顺序送进容弹内. 混合气均匀混合 5 —10 min 后点火 , 以确保混合气 处于静止状态.
1 实验装置和实验过程
实验装置由定容燃烧弹 、加热系 统 、点 火系 统 、数据采集系统和高速摄像与纹影系统等组成 , 如图 1 所示. 实验中所用定容燃烧弹为内径180 mm、 容积 010055 m3 的不锈钢圆柱体 , 如图 2 所示. 容弹 内布置中心电极 , 用来点燃混合气. 容弹圆柱体外 部分别安装有压力变送器 、热电偶 , 压力传感器 , 液体燃料注射阀 , 进排气阀. 容弹的两个端面装有 石英玻璃窗 , 视窗直径 80 mm , 为纹影系统提供光 学通路. 高速摄像机为美国 Redlake 公司生产的
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中[5 ,6] . 本文采用球形火焰传播法进行层流火焰燃 烧速度的测定与分析.
气体燃料的层流燃烧因具有混合气配制简便 , 容 易均匀混合等特点而开展了比较广泛的研究. 液体燃 料如醇类燃料 、醚类燃料、汽油等由于燃料需加热蒸 发和混合相对困难等诸多方面原因 , 对其均质混合气 层 流 燃 烧 的 研 究 相 对 较 少. Metghalchi 等[7] , Gülder[8] , Saeed 等[2] 先后测定了特定条件下甲醇2空 气火焰在封闭的燃烧弹中的层流燃烧速度. 由于前期 的研究未对火焰传播进行连续性可视化观察 , 层流燃 烧速度的测定一般是基于容弹内燃烧压力变化的燃烧 模型来进行 , 而这些方法忽略了拉伸对燃烧速度的影 响. Liao 等[9] 用高速纹影摄像法在定容燃烧弹内研究 了常压下一定当量比范围内甲醇2空气混合气的层流 燃烧特性. 然而 , 已有的研究仅限于常压下部分当量 比范围内 , 数据范围有限. 本文开展了更加宽广的混 合气浓度和高温高压条件下甲醇2空气预混合气层流 燃烧的基础研究 , 考虑到内燃机上常用废气再循环 ( EGR) 来降低燃烧温度和抑制 NOX 的生成量 , 因此 本文对常压下氮气作为稀释气对甲醇2空气预混合气 层流燃烧速度的影响也进行了研究.