火焰前锋面的影响因素及展望

王秉华 孙咏 吴宇超 曹建明

摘 要：火焰燃烧的好坏直接影响排放的高低，火焰前锋面的影响因素十分复杂，且各因素之间相互关联、互相影响。因此，研究火焰前锋面的影响因素显得十分重要。文章所涉及的影响因素包括：EGR率、湍流强度和火核半径、混合气的当量比、混合燃料、路易斯数和火焰前锋面处密度梯度和火焰前锋面厚度，并对日后发展做出展望。

关键词：火焰前锋面;影响因素

中图分类号：U434+.13  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）10-256-02

Influence Factors and Prospect of Flame Front

Wang Binghua， Sun Yong， Wu Yuchao， Cao Jianming

（ School of Automobile， Chang'an University， Shaanxi Xi'an 710064 ）

Abstract： The quality of flame combustion directly affects the level of emission. The factors affecting the front of flame are very complex， and the factors are interrelated and influence each other. Therefore， it is very important to study the influence factors of flame front. The influencing factors involved in this paper include： EGR rate， turbulence intensity and core radius， equivalence ratio of mixture， mixed fuel， Lewis number， density gradient at front of flame and thickness of front of flame， and the future development is prospected.

Keywords： Frame front; Influence factor

CLC NO.： U434+.13  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）10-256-02

引言

在環境问题越来越严峻的今天，汽车的排放受到更多人的关注。而发动机作为汽车的动力源则是排放的根本所在，火焰燃烧的好坏直接影响排放的高低。汽车发动机绝大多数反应发生在火焰前锋面处，火焰前锋面将整个区域分成三部分，分别是已燃区、火焰前锋面处（反应区）和未燃区，三者热力状态分化十分明显。而火焰前锋面厚度非常小，难以实际测量，并且火焰前锋面具有很大的温度梯度和密度梯度，更加增大了研究的复杂性。本文旨在指出发动机火焰前锋面的影响因素，从而使发动机的燃烧反应尽力趋于理论的最优点。

1 火焰前锋面的影响因素

1.1 EGR率

当EGR率为5%增加到10%时，火焰传播速度减小，自燃现象减轻，自燃点减少。EGR率增加到15%时，火焰前锋面被稀释，火焰前锋面密度减小，自燃点持续下降。EGR率增加到20%时，火焰前锋面继续被稀释，火焰前锋面密度进一步减小，末端混合气自燃消失，基本无明显爆震产生^[1]。因此，随着EGR率增加，火焰前锋面被稀释，火焰前锋面密度减小，从而减小自燃，降低爆震概率。

1.2 湍流强度和火核半径

高的湍流强度和小尺寸的湍流能够有效的促进火焰前锋面的褶皱程度^[2]。在相同的湍流强度之下，随着火核半径的增大，火焰前锋面的褶皱程度也随之增大，而褶皱的火焰前锋面可以增大火焰前锋面积，从而增强火焰传播速度。

1.3 混合气的当量比

随着混合气当量比的增加，OH基高浓度分布区域由火焰前锋面附近转移到火焰边缘。当混合气较稀时，OH基主要分布在火焰前锋面附近且向已燃区发展，浓度呈现逐步递减趋势，此时扩散作用较强，火焰前锋面燃烧强度较低^[3]。化学当量比条件下，混合气OH基在火焰前锋面附近，火焰边缘区域浓度较高。掺混N₂和CO₂会导致火焰前锋面拉长，同时OH基浓度在火焰前锋面处减小，在扩散燃烧区增强，说明火焰的预混燃烧减弱，扩散燃烧增强。

1.4 混合燃料

如麻风树油替代燃料的混合，当量比为0.7～1.2时，火焰传播稳定，火焰前锋面较光滑;当量比增至1.3～1.5时，火焰前锋面出现大量裂纹，胞状结构和微型火团。并且火焰传播速度随当量比先增加后减小。原因是由于马克斯坦长度的降低，影响了火焰的稳定性^[4]。而火焰的不稳定性是燃料化学性质的表现形式，会影响火焰前锋面的结构和火焰前锋面的传播速度，也是层流燃烧向湍流燃烧转变的一个重要原因。

1.5 路易斯数

当质量扩散系数大于热扩散系数时，即当路易斯数小于1时，由于热扩散的影响，燃烧会出现不稳定性^[5]。在火焰的传播和燃烧过程中，原本光滑平整的火焰前锋面上会出现裂纹、褶皱和微型火团。

1.6 火焰前锋面处密度梯度和火焰前锋面厚度

火焰前锋面处密度梯度，与火焰前锋面两侧的已燃气和未燃气的密度比成正相关关系^[6，7]。火焰前锋面两侧的已燃气和未燃气的密度比越大，密度梯度越大，而火焰前锋面处密度梯度增大会导致流体力学不稳定性的增大，进而使火焰的稳定性降低，火焰前锋面会出现裂纹，当火核半径比较大时，影响效果更加明显。同时流体力学不稳定性与火焰前鋒面厚度成负相关关系，即火焰前锋面厚度越小，密度梯度会越大，流体力学不稳定性的增大，进而使火焰的稳定性降低。

2 展望

经过前文的介绍相信读者对火焰前锋面的影响因素有了比较深刻的认识，但文中影响因素都是单一作用且没有具体的量化，只对火焰前锋面的发展趋势加以描述。因此，接下来应该分为两个方面：一者，制造合适的实验条件，尽量降

低其它因素的影响，对单一因素对火焰前锋面进行细致的研究，力求量化。二者，因为在实际汽车正常行驶过程中，是多种影响因素共同作用的结果，且影响因素之间也会互相影响。故在第一步的基础上，综合各因素全面考虑其对火焰前锋面的影响，进行影响因素之间的耦合，从而得出可以指导实践的有用理论。

3 结论

（1）随着EGR率增加，火焰前锋面被稀释，火焰前锋面密度减小。

（2）在相同的湍流强度之下，随着火核半径的增大，火焰前锋面的褶皱程度也随之增大，传播速度增加。

（3）随着混合气当量比的增加，混合气由较稀增加到化学化学当量比时，火焰前锋面浓度和燃烧强度持续增加。

（4）混合燃料（如麻风树油）的增多，火焰前锋面由光滑变的出现大量裂纹，胞状结构和微型火团。

（5）当路易斯数小于1时，燃烧会出现不稳定性，原本光滑平整的火焰前锋面上会出现裂纹、褶皱和微型火团。

（6）火焰前锋面处密度梯度越大，流体力学不稳定性的增大，进而使火焰的稳定性降低，火焰前锋面会出现裂纹、胞状结构和微型火团。当火核半径比较大时，影响效果更加明显。同时火焰前锋面厚度越小，密度梯度会越大，流体力学不稳定性的增大，进而使火焰的稳定性降低。

参考文献

[1] 谢天驰.EGR对高压缩比汽油机爆震影响规律研究[D].吉林：吉林大学.2019.

[2] 蒋德明，刘亮，杨迪.定容燃烧弹中火核生成及初期发展的数值模拟[J].内燃机学报.Vol.16（1998）No.4.

[3] 卫之龙，王金华，舒新建，等.合成气预混层流火焰结构的实验和数值研究[J].西安交通大学学报.Vol.48No.4.Jul.2014.

[4] 吴宗霖，马洪安，付淑青，刘宇，曾文.麻疯树油/RP-3航油混合燃料燃烧特性实验研究[J].推进技术.Vol.40No.10.Oct.2019.

[5] 暴秀超，刘福水，孙作宇.预混火焰胞状不稳定性研究[J].西华大学学报.Vol.33.No.1.Jan.2014.

[6] Darrieus G. Propagation D'un Front de Flamme[J].La Tech-nique Moderne，1938，30： 18.

[7] Landau L D.On the theory of slow combustion[J].Acta Phys- icochim，1944，19： 77 -85.