低浓度煤层气火焰传播特性的实验研究

刘冬霞， 刘瑞祥

(山东理工大学 交通与车辆工程学院， 山东 淄博 255091)

随着工业化的快速发展，一方面对能源的需求越大，能源的不可再生性导致可利用能源越来越少；另一方面由于燃料的燃烧产生很多对人体有害的污染物，使得人类赖以生存的环境越来越差，全球变暖，产生温室效应.这两方面使得能源与环境问题称为全球广泛关注的焦点，因此充分利用各种能源是非常必要的.低热值气体燃料是一种来源广泛、成本较低的燃料，可以在一定程度上缓解能源压力.低热值气体燃烧作为发动机燃料是其应用的主要方式之一[1].煤层气作为发动机替代燃料，具有杂质少、燃烧清洁、燃烧效率高和发动机低温易起动等特性[2-3].

发动机燃烧特性和燃烧过程的研究手段主要有实机实验、理论数值模拟、模拟实验三种.由于燃烧过程的复杂性，模拟实验就变成必不可少的手段.它忽落了某些参数，有选择的控制燃烧过程中的主要参数，这样大大简化了实验工作，方便找出主要参数与燃烧特性之间的关系.本文在定容燃烧弹中，利用高速摄影仪和数据采集器采集数据来研究低浓度煤层气当量比、浓度、温度等对层流燃烧特性和火焰稳定性.

1 实验装置和实验条件

本实验中定容燃烧弹内腔为一圆柱体，其高为100mm，底面直径为130mm，容积为1.3L，定容弹壁厚为35mm[4].在一端开有石英窗口，另一端安装美国STITT公司生产火花塞和K型热电偶，顶部安装KISTLER生产的6117BFD17型压力传感器，定容燃烧弹外面利用加热套加热.高速摄影仪采用加拿大MREL Group of Companies生产的TSHRCS型的摄影仪，可调节焦距和拍摄速度.DEWE2010高速数据采集仪用来采集压力传感器传递的燃烧压力.图1为定容燃烧弹实验装置结构简图.

图1 定容燃烧弹实验装置结构简图

低浓度煤层气主要包括甲烷、氮气、二氧化碳、氧气等成分.为了便于处理实验，本实验对组成进行了简化.用氮气和甲烷来配置低浓度煤层气，氮气和氧气来配置空气.采用分压定律来配气不同初始条件的预混合气.实验条件如表1.

表1 实验条件

2 计算方法

采集的数字图像中每一帧照片的拍摄时间间隔是已知的，火焰半径可以有相关软件计算获得.这样就可以求的火焰半径和时间的关系，进一步可求得火焰传播速度和时间的关系.

定容燃烧弹中火焰传播是以火花塞为中心，向周围近似球形扩散的.在球形火焰中，拉伸火焰传播速度定义为火焰半径对时间的变化率[5].

(1)

式中：ru为火焰半径；t为火焰传播到这个半径所用的时间.

火焰拉伸率α可以定义为火焰表面一微小面积A的对数值对时间求导

(2)

对于球形火焰传播

(3)

在火焰扩散的初期阶段，容弹内的压力变化较小，拉伸火焰传播速度和火焰拉伸率近似成线性关系[6].

Sl-Sn=Lb·α

(4)

由式(1)和(3)式可以分别求出拉伸层流火焰传播速度和火焰拉伸率，将直线Sn-α倒推至火焰拉伸率为0，这时，直线在Sn上的截距就代表无拉伸层流火焰传播速度Sl[7].直线的斜率就代表马克斯坦常数，马克斯坦常数反映火焰传播的稳定性.

3 实验结果与分析

图2给出了当量比Ф=1，初始压力为300kPa,初始温度为300K,低浓度煤层气含量分别为28%(组分1)、22%(组分2)、16%(组分3)时的火焰传播半径和时间的关系.由图2可以看出，当火焰达到同一半径下时，所用的时间不同，组分1(CH4：28%、N2：72%)所用的时间比组分2(CH4：22%、N2:78%)和组分3(CH4：16%、N2：84%)都要短.这一现象表明，随着甲烷含量的增加以及氮气含量的增加，化学反应速率加快，火焰传播速度加快.

由于这里的低浓度煤层气是由甲烷和氮气组成的，甲烷浓度的升高必将使氮气的浓度降低.这样，一方面煤层气中甲烷和氧气之间反应分子的接触增加，碰撞几率增加，产生的热量增加；另一方方面，惰性气体氮气的减少，对活化能的吸收作用减弱，对反应所产生的热量的吸收作用也减弱，使得反应物的温度增加，化学反应速率增加.

图2 不同浓度煤层气火焰半径随时间的变化关系

图3给出了在相同组分、初始压力和初始温度下，不同当量比时火焰半径随时间的变化关系.火花塞点火后火焰开始传播，点火能量对火焰传播初期有很大的影响，火焰传播中期主要受当量比的影响，由图可以看出当量比为1时火焰传播的速度最快，当量比增加，可燃混合气的浓度增加，活化分子增加，化学反应速率增加，火焰传播速度就快.当量比为1.2时混合气中可燃气体过多、氧气过少，当量比为0.8时混合气中可燃气体过少、氧气过量，都会导致不完全燃烧.这样，产生的热量减少，且未燃气体还要吸收部分热量，反应物的热量减少，使得反应速率减慢.

图3 不同当量比下火焰半径随时间的变化关系

由图4可以看出随着温度的增高，拉伸火焰传播速度均呈上升趋势，当火焰前锋扩散时，拉伸火焰传播速度出现不同程度的波动，并且温度越高，波动的幅度越大.实验结果表明，适当的提高预混合气的初始温度，能够加快反应物之间的活化能、加速分子之间的碰撞，在火焰发展早期，拉伸火焰传播速度随温度提高呈上升趋势，并且，温度越高，上升的越快.火焰发展中期，火焰前锋扩散过程中，未燃区和火焰前锋接触面积受到限制，导致新鲜未燃混合气无法快速燃烧，使得拉伸火焰传播速度下降.火焰传播后期，拉伸作用对燃烧的影响减弱，拉伸火焰传播速度有所提高.最后受到容弹壁的冷却作用，拉伸火焰传播速度呈下降趋势.

图4 不同温度下拉伸火焰传播速度随半径的影响

图5给出了不同初始温度条件下马克斯坦常数.由图可以看出随着混合气初始温度的增加，无拉伸层流火焰传播速度增加，马克斯坦常数减小；随着甲烷浓度的增加马克斯坦常数增加.由于马克斯坦常数可以用来表征火焰稳定性，所以可得出，随着初始温度的增加，火焰传播的稳定性降低.

图5 初始温度对马克斯坦常数的影响

4 结论

本文利用高速摄影技术采集燃烧弹火焰传播情况，用球形扩散理论研究了低浓度煤层气对层流燃烧特性的影响.主要结论如下：

1)相同初始压力、初始温度下，当量比一定时，火焰半径随着甲烷浓度的增加而增加.

2)相同初始压力、初始温度，甲烷浓度一定条件下，火焰半径随着当量比的增加先增加后减小，当量比为1是最快.

3)相同初始压力、初始温度和当量比下，随着温度的升高，拉伸火焰传播速度增加，中间有稍微的幅度.

4)相同初始压力、初始温度和当量比下，随着甲烷浓度增加，马克斯坦常数增加，火焰稳定性好，初始温度的增加，马克斯坦常数减小，火焰稳定性减弱.

[1] 靳彪，郭林福，王煜.发动机燃用煤层气的燃烧性能研究[J].小型内燃机与摩托车，2010(12):41-45.

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[7] 刘岩，杨清勇，苗海燕，等.甲烷含量对煤层气层流燃烧速率的影响[C]//中国内燃机学会，2010年APC学术年会论文集，宜昌：2010，8:122-125.