当量比对CH4/RP-3航空煤油混合燃料燃烧特性的影响

孙 震，汤 卓，刘 宇，赵 欢，曾 文，邓康耀

(1.沈阳航空航天大学 辽宁省航空推动系统先进测试技术重点实验室，沈阳 110136;2.上海交通大学 动力机械及工程教育部重点实验室，上海 200240)

近年来，随着全球航空燃油需求的不断增长以及石油资源的日趋紧缺，国际石油价格持续上涨。与此同时，航空煤油等碳氢燃料的大量消耗也正在加剧全球温室效应[1]。因此，为减少对化石燃料的依赖，实现航空减排，寻求和开发航空替代燃料已成为全球航空业当务之急[2-3]。

CH4具有存储丰富、价格便宜、燃烧排放少以及能够保证火灾爆炸安全等诸多优势，是极具潜力的航空煤油替代燃料。但CH4热值低、燃点较高、火焰传播速度较慢，对其在航空发动机中应用十分不利[4]。为避免CH4燃料以上缺点，目前，研究人员提出将CH4/RP-3航空煤油混合燃料作为航空发动机替代燃料以获得动力，但要对其混合燃料燃烧特性进行研究，才能根据其特性进行相关的燃烧室设计与研发。

目前，国内外学者已对甲烷以及多种航空煤油燃料的燃烧特性开展了大量研究。在甲烷燃烧特性方面，梁双[5]、谢烽[6]等人在定容燃烧弹中对甲烷燃料的燃烧特性进行实验研究，发现马克斯坦长度随着当量比的增加而增加，无拉伸火焰传播速率与层流燃烧速率出现先增加后降低的趋势，并在当量比为1.1时达到最大。在航空煤油燃烧特性方面，Far等[7]在定容燃烧弹中对JP-8/空气混合气的预混燃烧特性进行了试验测试，容弹中的火焰随着当量比从0.8增大到1.0，火焰前锋面更容易出现胞状结构；Ma Hongan[8]、张存杨[9]等人对国产RP-3航空煤油的燃烧特性进行了实验研究，发现随着当量比增加，马克斯坦长度会减小，层流燃烧速度会先增加后减小，且最大层流燃烧速度是在当量比为1.2工况下测量得出。到目前为止，国内外研究多集中在单组分燃料上，缺少对CH4/RP-3航空煤油混合燃料燃烧特性的研究。

当量比、初始温度、初始压力是影响燃料燃烧稳定性及层流燃烧速度的重要因素[10]，本文利用定容燃烧反应装置对20%和80%两种甲烷含量的CH4/RP-3航空煤油混合燃料在初始温度480 K、初始压力0.1 MPa、当量比0.7～1.5工况的燃烧特性进行研究，并分析当量比对CH4/RP-3航空煤油混合燃料燃烧特性的影响规律。初始温度和初始压力对CH4/RP-3航空煤油混合燃料燃烧特性的影响将在今后陆续展开。

1 实验装置及操作方法

定容燃烧反应实验系统布置如图1所示[11]，该装置包括定容燃烧弹、点火系统、加热系统、进排气系统、高速摄像与背影系统、数据采集系统等。定容燃烧弹两端装有厚度80 mm、直径130 mm的石英玻璃窗，形成光学通路。本实验采用拍摄速度为10 000 幅/秒的高速摄像机拍摄CH4/RP-3航空煤油混合燃料火焰发展图片。

本文中RP-3航空煤油与甲烷的部分物理化学性质如表1所示。本文根据RP-3航空煤油分子量和碳、氢含量百分比计算出RP-3航空煤油平均分子式为C10.451H19.591。

实验中，首先根据分压定律依次计算RP-3航空煤油、CH4、O2和N2的气态分压，制定配气表；其次，利用加热系统将定容燃烧弹加热到指定温度，再用真空泵将弹体抽成真空；然后通过液体燃料注射阀将RP-3航空煤油注入弹体内，液态RP-3航空煤油会瞬间气化，再通过进气系统依次向燃烧弹内充入CH4、O2与N2，分别达到指定分压；最后，待气体混合均匀，通过电极点火，同时触发高速摄像机对火焰发展进行拍照。

为了验证混合气是否混合均匀，在进行本实验前，对其中一种工况进行了多次测试，发现至少静置5分钟后，混合燃料各燃烧特性参数基本不变，即混合均匀。另外，为了使实验数据更为准确，本实验中对每种工况进行了3次实验测试。

图1 实验系统布置图

属性RP-3航空煤油甲烷化学式CmHnCH4分子量14516密度/(kg·m-3)806.0,@ 20℃0.678,@ 15℃粘度/(mm2·s-1)≥1.25,≤8.0-低热值/(MJ·kg-1)≥42.850.0自燃温度/℃﹥425650碳含量/%85.9775氢含量/%13.4325

当量比φ定义为

(1)

式(1)中,F/A为实际的燃料与空气质量比； (F/A)st为理论燃烧时的燃料与空气质量比。

甲烷含量的计算公式为

(2)

式(2)中，VCH4、VRP-3均为甲烷、RP-3航空煤油气态下的体积。

2 实验原理

对于球形扩散火焰，拉伸火焰传播速度Sl可表示为火焰半径对时间的变化率[12]。

(3)

式(3)中,r为照片中火焰的半径，t为时间。

火焰拉伸率α为火焰表面上一个无限小面积的对数值对时间的变化率

(4)

式(4)中,A为火焰前锋面积。

运用球形的面积公式，式(4)还可以表示为

(5)

在火焰出现胞状结构之前且容弹内压力变化很小的情况下，拉伸火焰传播速度和火焰拉伸率可近似成线性关系[13]，即

Sl-Sn=Lbα

(6)

利用式(3)与式(5)可以求出Sn与α，将Sn-α直线倒推至α=0，则无拉伸层流火焰传播速率Sl可表示为直线在Sn轴上的截距，马克斯坦长度Lb可表示为直线的斜率取相反数。

根据在火焰前锋面上的质量守恒，有

Aρuul=AρbSl

(7)

式(7)中，ρu与ρb分别为未燃区与已燃区混合气的密度，ρu由燃气的初始状态得到，ρb通过热平衡计算得到。

密度比σ可表示为

σ=ρu/ρb

(8)

由式(7)可获得层流燃烧速度ul

ul=(ρbSl)/ρu

(9)

进而可得到火焰厚度δl=v/ul

δl=v/ul

(10)

式(10)中v为未燃气体的运动粘度。

3 实验结果及分析

燃料在定容燃烧弹内燃烧时伴随着压力和温度的逐渐升高，要获得某一条件下层流燃烧速度，只有在未燃区温度和压力变化很小的情况下才能进行。Bradley[14]、Huang[15]和Lamoureux[16]等人研究表明，火焰半径为6～25 mm时，燃烧火焰锋面受初始点火能量及边界压力升高影响微弱，火核半径自由发展。因此，本文在对火焰发展图片进行测量半径分析时，所选火焰半径将在6～25 mm之间。

3.1 当量比对混合燃料燃烧稳定性的影响

图2给出了甲烷含量分别为20%和80%的CH4/RP-3航空煤油混合燃料在不同当量比下点火燃烧后球形火焰发展图片。从图2a中可以看出，甲烷含量为20%时，当量比0.8和1.0工况的火焰锋面较为光滑;当量比增加到1.2时，火焰发展末期火焰锋面在点火电极两侧出现少许裂纹;而当量比增加到1.4时，在火焰发展初期，火焰锋面已经出现突起和凹陷，火焰发展末期，火焰内部呈现出明显网格形胞状结构。而从图2b中可以看出，甲烷含量为80%时,当量比0.8、1.0和1.2工况的火焰锋面较为光滑;当量比增加到1.4时，点火电极两侧才出现少许裂纹。由此可知，随着当量比增加，混合燃料燃烧稳定性变差，另外，高甲烷含量混合燃料比低甲烷含量混合燃料燃烧更加稳定。

图2 不同当量比下球形火焰传播图片

拉伸火焰传播速率是指在火焰拉伸作用下，火焰锋面相对于静止燃烧壁面的运动速度。图3给出了混合燃料拉伸火焰传播速率随火焰半径的变化规律。如图3所示，甲烷含量为20%，当量比小于1.3时，拉伸火焰传播速率随火焰半径的增加而增加；当量比大于1.3，拉伸火焰传播速率均随火焰半径的增加而减小。而当甲烷含量为80%时，出现与之相似规律，临界值出现在当量比等于1.4。可见，两种甲烷含量混合燃料均出现随当量比增加，拉伸火焰传播速率随火焰半径变化趋势改变的现象，由此可知，当量比影响火焰拉伸率，进而影响拉伸火焰传播速率随火焰半径的变化规律。

本文采用马克斯坦长度表征火焰对拉伸的敏感程度。当马克斯坦长度为正值时，火焰传播速率随拉伸的增加而减小，因此当火焰锋面出现突起时，突起部分拉伸增加，其火焰传播速率将得到抑制，火焰趋于稳定；反之，若马克斯坦长度为负值时，火焰趋于不稳定[17]。

图4给出了混合燃料马克斯坦长度随当量比的变化规律。如图4所示，随着当量比增加，混合燃料马克斯坦长度逐渐减小，说明混合燃料燃烧稳定性逐渐变差。另外，甲烷含量为20%时的混合燃料马克斯坦长度的斜率比甲烷含量为80%时的斜率大，两条马克斯坦长度拟合曲线在当量比1.2处出现交叉，说明低甲烷含量混合燃料燃烧稳定性随当量比变化更为明显。且当量比小于1.2时，随着甲烷含量增加，燃烧稳定性变差，而当量比大于1.2时，随着甲烷含量增加，燃烧趋于稳定，但由于此时马克斯坦长度值已接近于0，燃烧仍难于稳定。

图3 混合燃料拉伸火焰传播速率随火焰半径的变化

图4 混合燃料马克斯坦长度随当量比的变化

火焰厚度和密度比是影响流体动力学的主要因素，进而影响燃烧稳定性。图5、图6分别给出了混合燃料火焰厚度和密度比随当量比的变化规律，火焰厚度和密度比分别由公式(10)、公式(8)求得。如图5、6所示，无论甲烷含量高低，随着当量比的增加，火焰厚度均呈现先减小后增加的趋势，最小值出现在当量比1.1附近；密度比均呈现先增大后减小的趋势，且在当量比为1.1时达到最大。

图5 混合燃料火焰厚度随当量比的变化

图6 混合燃料密度比随当量比的变化

对于定容燃烧试验，在火焰发展中后期，火焰厚度可定性预测火焰的稳定性，火焰越厚，稳定性越好。因此，当当量比小于1.1时，火焰厚度随当量比的增加而减小，火焰稳定性趋势减弱，而当量比大于1.1时，火焰稳定性增强。密度比的增加可导致燃烧稳定性变差，当量比小于1.1时，密度比随当量比增加而增加，火焰稳定性变差；而当量比大于1.1时，火焰稳定性有所提高。所以，这两种参数验证火焰稳定性所得到的结论相同。另外，通过分析可知，高甲烷含量混合燃料火焰稳定性较好。

相关研究表明，影响预混层流火焰燃烧稳定性的因素除了流体动力学外，还有体积力和热扩散因素。如图2所示，预混火焰未出现明显上浮，因此，可排除体积力对火焰不稳定性影响，而热扩散不稳定性是由火焰前锋面附近质量相对于热量的优先扩散引起的，强烈依赖于路易斯数。当量比对混合燃料热扩散不稳定性影响将在今后工作中展开。

3.2 当量比对混合燃料层流燃烧速率的影响

图7给出了混合燃料火焰半径随时间的变化规律。如图7所示，所有工况火焰半径均随时间增加而增加，且近似呈线性关系，由公式(3)可知，其斜率为拉伸火焰传播速度。从图7中可以看出，随着当量比增加，两种甲烷含量混合燃料的拉伸火焰传播速度均呈现先增大后减小的变化规律，且最大值出现在当量比1.1附近，即偏浓混合气一侧，这与理论相符，说明当量比影响拉伸火焰传播速度。

图7 混合燃料火焰半径随时间的变化

图8给出了混合燃料层流燃烧速度随当量比的变化规律，混合燃料层流燃烧速度可由公式(9)求得。如图8所示，随着当量比增加，不同甲烷含量混合燃料层流燃烧速度均呈现先增加后减小的变化规律。另外，甲烷含量对混合燃料层流燃烧速度略有影响。当量比小于0.9时，80%甲烷含量混合燃料层流燃烧速度略高于20%甲烷含量混合燃料，而当量比大于0.9时，20%甲烷含量混合燃料层流燃烧速度略高于80%甲烷含量混合燃料。

图8 混合燃料层流燃烧速度随当量比的变化

理论分析可知，燃料层流燃烧速度受绝热火焰温度影响较大。由于甲烷体积热值低，20%甲烷含量混合燃料绝热火焰温度要高于80%甲烷含量混合燃料。另外，相关研究表明，甲烷层流燃烧速度较低，因此，20%甲烷含量混合燃料层流燃烧速度要高于80%甲烷含量混合燃料。综上分析可知，理论上，20%甲烷含量混合燃料层流燃烧速度应高于80%甲烷含量混合燃料。而本文实验结果显示，当当量比小于0.9时，80%甲烷含量混合燃料层流燃烧速度略高于20%甲烷含量混合燃料，这与理论不符。因此，今后将进一步开展当量比对CH4/RP-3航空煤油混合燃料化学反应动力学影响，拟从化学反应机理角度解释上述原因。

4 结论

本文采用定容燃烧实验装置对CH4/RP-3航空煤油混合燃料的火焰燃烧特性进行了试验研究，并分析了当量比对混合燃料马克斯坦长度和层流燃烧速度等的影响规律，获得如下结论：

(1)获得当量比0.7～1.5范围混合燃料球形火焰发展图片，分析可知，随着当量比增加，混合燃料燃烧稳定性变差。

(2)随着当量比增加，两种甲烷含量下混合燃料火焰厚度均呈现先减小后增加的趋势，密度比均呈现先增大后减小的趋势，且临界值为1.1，说明当量比小于1.1时，火焰稳定性趋势减弱；当量比大于1.1时，火焰稳定性趋势增强。

(3)随着当量比增加，混合燃料马克斯坦长度逐渐减小，说明混合燃料燃烧稳定性逐渐变差，且低甲烷含量混合燃料燃烧稳定性随当量比变化更为明显。

(4)随着当量比增加，两种甲烷含量混合燃料层流燃烧速度均呈现先增加后减小的变化规律。当当量比小于0.9时，80%甲烷含量混合燃料层流燃烧速度略高于20%甲烷含量混合燃料，而当量比大于0.9时，20%甲烷含量混合燃料层流燃烧速度略高于80%甲烷含量混合燃料。