甲烷-正十二烷-空气混合物预混层流燃烧特性的试验分析

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉 430063)

天然气的燃点较高，在压燃式发动机中不易被压燃。通常考虑向气缸中喷入微量的柴油以引燃天然气的方式来实现天然气在船用压燃式机的应用[1]。喷入气缸的柴油蒸发后会与缸内的天然气及空气混合，其预混物的燃烧是天然气-柴油双燃料发动机燃烧过程中的重要燃烧阶段之一[2]，对发动机的运行参数有一定的影响[3]。

甲烷作为天然气的主要成分，是常见的天然气燃烧特性研究的替代物,通常选用高碳烷烃作为其单组分替代物[4]。正十二烷(n-C12H26)的碳值、碳氢比、放热率、热解性等化学性质与柴油相近，且其蒸发与喷雾特性也与柴油相似[5-6]。因此,选择甲烷-正十二烷作为天然气-柴油研究的替代物燃料,通过试验及模拟手段研究正十二烷的含量对甲烷-正十二烷-空气混合物预混层流燃烧特性的影响。

1 试验方法

1.1 试验装置及数据处理

试验装置主要由圆柱形定容燃烧弹、温度控制系统、配气供液系统、点火控制系统、高速摄像纹影系统和数据采集处理系统等组成。容弹的容积为12.8 L，侧面开有直径为120 mm的石英玻璃视窗孔，供高速摄像机拍摄记录火焰传播的纹影图像。试验相机拍摄帧率为10 000帧/s。

试验初始温度选择为423 K以保证足够的过热度，使正十二烷在试验条件下均能完全蒸发可作为理想气体。初始压力为0.1 MPa，当量比φ从0.7～1.4。研究中空气为79%的氮气与21%的氧气的混合物，正十二烷含量指正十二烷在甲烷-正十二烷混合燃料中的摩尔分数，其值在0%～100%的范围内变动。

试验开始前，先通过加热系统将容弹内温度加热并保持在设定温度[7]。容弹被加热到设定温度后容弹内径向距离上的温度分布见图1，其中横坐标中0点为容弹中心。

图1 定容燃烧弹内沿重力轴向不同位置的温度分布

由图1可知，弹内温度沿着重力相反方向略有上升，在本试验装置的观察视窗范围(±60 mm)内温差在±2 K以内。

在将各组分气液按比例充入容弹后，为保证弹内气体均匀混合，需静置等待至少10 min。之后通过点火装置点燃容弹内的可燃混合物，同时触发高速相机记录下火焰的传播过程。为保证试验结果的准确性和可重复性，每组试验进行至少3次，将试验结果的平均值作为最终结果[8]。

利用软件对高速相机拍摄的球形传播火焰过程纹影图进行处理，获得火焰半径R随时间t的变化规律，拉伸火焰传播速度Sn可由求导Sn=dR/dt获得。将球形火焰表面上一个无限小面积的数值对时间的求导可得到球形传播火焰的拉升率α[21]，即α=2Sn/R。通过对Sn和α的关系进行拟合后可推算出α为0时的无拉伸火焰传播速度Sl，非线性关系式可以更好地与试验数据点拟合[9]。

(Sn/Sl)2ln(Sn/Sl)2=-2Lbα/Sl

(1)

式中:Lb为马克斯坦长度，用于评价球形火焰传播的不稳定性。

0.1 MPa、423 K条件下正十二烷-空气混合物的拉伸火焰传播速度随拉伸率变化的非线性拟合结果见图2。

图2 不同当量比下正十二烷-空气混合物拉伸火焰传播速度与拉升率的关系

可见拟合线与试验结果贴合较好，因此，后续工况的数据处理均采用非线性拟合。层流燃烧速度如下。

ul=Slρb/ρu

(2)

式中：ρu为未燃气体的密度，由理想气体的初始条件确定；ρb是已燃气体的密度，其比值可以通过化学平衡法计算求得。

1.2 模拟方法及机理选择

通过CHEMKIN PRO[10]软件模拟甲烷-正十二烷-空气的一维平面层流预混火焰，可以获得其层流燃烧速度和火焰结构等参数。模拟设置数值解梯度为0.03，曲率为0.03，网格点数在600以上，确保模拟计算有足够的精度。

采用You等[11]提出的正十二烷的详细化学动力学机理(简称You机理)，该机理是在USC-Mech II[12]的基础上添加了正十二烷等高碳烷烃的热解机理所得，包含了171个组分和1 306步反应。USC-Mech II是用于计算C1—C4低碳烷烃及合成气燃烧的反应机理，包含了甲烷燃烧详细的基础反应，所选机理能较好地预测甲烷的层流燃烧速度。

1.3 试验装置及机理验证

将试验所测得的甲烷及正十二烷的层流燃烧速度与现有文献的试验结果及You机理的模拟结果进行对比，结果见图3。可见，试验装置所获得的数据与文献中试验数据重合性较好。此外，You机理的预测结果与本文试验结果也具有较好的一致性。

图3 正十二烷-空气混合物及甲烷-空气混合物层流燃烧速度的试验及模拟结果的对比

2 结果与讨论

2.1 试验结果

2.1.1 层流燃烧速度

甲烷-正十二烷-空气火焰的层流燃烧速度在正十二烷含量较小时变化比较明显[13]，因此设置正十二烷含量步长在0%～30%的范围内取5%，在正十二烷含量较大时选取较大步长。在423 K、0.1 MPa，当量比φ为0.8、1.0、1.3条件下甲烷-正十二烷-空气混合物的层流燃烧速度随正十二烷含量变化的试验及模拟值见图4。

图4 不同当量比下甲烷-正十二烷-空气混合物的层流燃烧速度随正十二烷含量的变化

由图4可知，在当量比φ=1.0时，纯甲烷与纯正十二烷的层流燃烧速度相近，随着正十二烷含量的增加，甲烷-正十二烷-空气的层流燃烧速度提升甚微。而在当量比为0.8和1.3的条件下，甲烷-正十二烷-空气的层流燃烧速度随着正十二烷含量的增加表现出了明显的非线性增长，其增长幅度随着正十二烷含量的增加而减少；当正十二烷含量达到25%后，混合物层流燃烧速度的增长趋于平缓。此外，还可以看出，You机理模拟结果所显现的混合物层流燃烧速度变化趋势与试验值基本保持一致，表明其可以较好地预测甲烷-正十二烷混合物的层流燃烧速度。

2.1.2 马克斯坦长度

用马克斯坦长度评价火焰的不稳定性。在当量比φ为0.8、1.0和1.3的情况下，随着正十二烷含量的增加，甲烷-正十二烷-空气火焰的马克斯坦长度的变化见图5。

图5 不同当量比下甲烷-正十二烷-空气混合物火焰的马克斯坦长度随正十二烷含量的变化

在φ=1.0时，马克斯坦长度随正十二烷含量的增加而有略微的增加；在φ=0.8时，随着正十二烷含量的增加，马克斯坦长度在初期表现了出了较大幅度的增长，表明其火焰的不稳定性减弱，拉伸对火焰的传播的抑制作用增强；当含量超过约25%后，其增加幅度在慢慢变小并逐渐趋于稳定；在φ=1.3时，甲烷-正十二烷-空气火焰的马克斯坦长度随正十二烷含量的变化趋势与φ=0.8时的趋势相反。在φ为0.8和1.3条件下火焰的马克斯坦长度均在正十二烷含量较小的条件下有大幅度的变化，在正十二烷含量达到约为25%后趋于稳定。

2.2 化学动力学分析

2.2.1 层流燃烧速度的敏感性分析

选取φ=0.8，正十二烷含量分别为0%、25%、50%及100%的情况进行层流燃烧速度的敏感性分析。计算获得正敏感性系数最大的10个基元反应及负敏感性系数[14]最小的10个基元反应，结果见图6。

图6 甲烷-正十二烷-空气混合物层流燃烧速度的敏感性分析

由图6可见，正十二烷含量从0%增加到25%后主要基元反应对层流燃烧速度的敏感性系数有了很大的变化，而正十二烷含量提升到50%后变化则不是很明显。

2.2.2 自由基及基元反应速率分析

423 K、0.1 MPa下φ=0.8的甲烷-正十二烷-空气混合物燃烧过程中五种自由基浓度的峰值与正十二烷含量的关系见图7。

图7 φ=0.8时甲烷-正十二烷-空气火焰中主要自由基浓度峰值与正十二烷含量关系

随着正十二烷含量的提高，HO2的浓度峰值没有较大的变化，CH3有略微的下降，OH有略微的上升，而O与H的浓度峰值先有显著的上升，而在正十二烷含量达到25%后趋于稳定。

自由基会影响基元反应进行，进而影响火焰的层流燃烧速度。从敏感性分析的结果得到主要影响混合物层流燃烧速度的基元反应，速率峰值与正十二烷含量的关系见图8。

图8 φ=0.8时甲烷-正十二烷-空气火焰中重要反应的反应速率峰值与正十二烷含量的关系

可见具有正敏感性系数的基元反应(R1、R31、R40、R92)的反应速率峰值明显远高于具有负敏感性系数的反应(R88、R12、R35)，这保证了自由基浓度的持续增加。

对甲烷-正十二烷-空气混合物燃烧过程影响较大的自由基H、O的浓度以及基元反应R1、R31的反应速率峰值都随着正十二烷含量的提升而迅速上升，并在达到约25%以后开始趋于平缓，这也是导致甲烷-正十二烷-空气混合物层流燃烧速度随正十二烷含量而发生变化的内在原因。

2.2.3 甲烷反应路径分析

使用CHEMKIN PRO软件计算所得的正十二烷含量分别为0%、25%及50%时甲烷的反应路径，见图9。

图9 不同正十二烷含量下甲烷的反应路径

可以看出，正十二烷含量为25%时甲烷的反应路径与正十二烷含量为0%时有很大的差别，而与正十二烷含量为50%时甲烷的反应路径相差较小。随着正十二烷含量的增加，甲烷形成碳数更高烷烃的反应占甲烷消耗路径中的比重在增加，这与上述层流燃烧速度敏感性分析所获得的与C2—C3相关的基元反应对层流燃烧速度的影响在加入正十二烷后逐渐增强的趋势相符；此外，随着正十二烷的添加，在CH4、CH3、C2H6等多数物质的脱氢反应中，消耗H的反应的比重在减少，消耗OH的反应的比重在增加，这促使了R1(H+O2=O+OH)往正反应方向的进行，从而增加了活性自由基的生成，提高了混合物的层流燃烧速度。

3 结论

1)随着正十二烷含量的增加，甲烷-正十二烷-空气混合物的层流燃烧速度和火焰的马克斯坦长度快速变化并向正十二烷-空气的层流燃烧特性接近，当正十二烷含量增加到约25%后变化趋于平缓。

2)化学动力学分析的结果显示，混合物燃烧中主要的自由基H、O的浓度，以及对层流燃烧速度正敏感性系数最大的基元反应R1(H+O2=O+OH)、R31(CO+OH=CO2+H)的反应速率峰值随着正十二烷含量的增加表现出了较大的升高，其提升量在正十二烷含量达到约25%后不再明显。这也是混合物层流燃烧速度发生变化的内在原因。

3)对燃烧过程中甲烷的反应路径分析结果表示，正十二烷的加入对甲烷自身的燃烧反应也有一定的促进作用。