等离子体对CH4-空气着火特性的影响因素分析

2021-01-27王美琪

沈阳航空航天大学学报 2020年6期

王美琪，陈雷，曾文，裴欢，刘宇，杨昆

(沈阳航空航天大学辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室，沈阳 110136)

随着社会经济的快速发展，全球能源的需求和污染物的排放问题成为人类社会可持续发展面临的两大难题[1]。天然气由于其环保、储量大等优点，已经广泛地应用在各个领域。但天然气主要成分甲烷的C-H键断裂过程需要较高能量,这会导致点火可靠性差等问题[2]。为了找到解决办法，国内外许多学者对甲烷的燃烧特性进行了研究[3，4]。其中，等离子体由于包含大量非束缚态带电粒子，可以加速燃料的点火，引起了研究人员的极大关注[5，6]。

胡宏斌[7]进行了等离子体辅助甲烷燃烧的实验研究。结果表明，等离子体辅助低热量气体燃料的燃烧性能得到了显著改善，具体表现为提高点火可靠性、扩大稀薄燃烧极限和提高火焰传播速度。张浩[8]采用有限元分析方法求解了一维等离子体助燃模型，研究结果表明：电离产生的等离子体增加了O的来源途径，提高了O的生成速率，使着火延迟时间缩短。可以看出，在等离子体辅助甲烷燃烧领域已经取得了一些进展。但是，由于等离子体化学反应的复杂性以及电离产生活性粒子的多样性[9-10]，目前对等离子体的研究仍局限于理论和基础实验，从微观和机理的角度研究成果颇为少见。因此，有必要研究等离子体辅助燃烧的燃烧机理，并探索在辅助甲烷燃烧中起主要作用的关键活性颗粒的类型。

1 研究方法

1.1 构建机理

等离子体辅助CH4/空气化学反应的机理分为两部分，放电阶段和点火阶段[11]。放电阶段是能量转移和中性粒子活化的过程。经过粒子激发、离解、电离、电荷交换、激发粒子淬灭、电子离子重组等一系列反应，最终产生了大量的活性粒子[12]。在点火阶段，将放电阶段产生的活性粒子作为初始成分添加到CH4/空气混合物中，模拟等离子体增强甲烷点火的整个过程。本文在GRI 3.0的基础上添加O3的相关化学反应方程式，形成等离子体激励甲烷燃烧反应机理，着重研究了O3粒子对反应的刺激作用。表1为O3相关的部分化学反应方程式。

表1 O3相关化学反应

1.2 着火延迟时间

着火延迟时间是可燃物已达到着火条件时，由初始状态到跃变状态所需要的时间[13]。开展等离子体增强甲烷点火的着火延迟时间的化学反应动力学分析，能够对提高发动机热效率和减少污染排放的可持续发展提供理论指导[14]，并对理解等离子体增强甲烷的着火特性、燃烧机理、污染物生成和构建合理的燃烧反应模型提供理论数据支撑。设定着火时间有多种方法，可以选择温度、压力和自由基发射光谱强度的变化来设定着火延迟时间[15]。本文选择反应开始时刻到OH自由基生成速率最快的时刻之间的时间间隔作为着火延迟时间。

2 计算结果

在起始温度T为1 200 K、起始压强P为1atm、不考虑能量损失和周围活性颗粒扩散的情况下，分别计算正常燃烧和等离子体助燃条件下，不同当量比(Φ=0.8、1.0、1.2)、不同压力(p=1、5、10 bar)的着火延迟时间随温度的变化情况；并计算了不同当量比燃烧的温度变化以及燃烧产物的摩尔浓度随时间的变化。

2.1 不同温度对着火延迟时间的影响

图1为初始温度对着火延迟时间的影响。从图1中可以明显看出，GRI 3.0机理和加入0.5%O3的等离子体助燃机理随着初始温度的升高，着火延迟时间明显减小。这是因为当温度升高时，燃料分子能量增加，反应中的活性粒子数量增多，极大提升了反应速率，因此缩短了着火延迟时间。在反应中加入0.5% O3后，着火延迟时间比正常燃烧的着火延迟时间缩短了很多。在1 600 K时，加入0.5%O3的着火延迟时间大约为4.8×10-4s，甲烷自点火的着火延迟时间大约为1.88×10-3s。

2.2 摩尔分数随时间的变化

图2为燃烧反应过程中的主要反应物和燃烧产物的摩尔分数随时间的演化过程。如图2a、图2b所示，CH4在开始时缓慢消耗，反应速率较慢，在着火时刻反应速率迅速增大，CH4迅速被消耗，直至摩尔分数变为0。如图2c、图2d所示，图2c OH的摩尔分数剩余量约为0.015,反应过程中OH的最大摩尔分数为0.139。图2d OH的摩尔分数剩余量约为0.017,反应过程中OH的最大摩尔分数为0.144。加入O3后生成OH的时间缩短，同时促进了OH消耗，因此缩短了着火延迟时间。

图1 着火延迟时间随温度的变化

2.3 不同当量比对着火延迟时间的影响

图3显示了当量比分别为0.8、1.0、1.2时着火延迟时间随初始温度的变化趋势。在不同的温度下，CH4/空气/O3混合气的着火延迟时间随着当量比的变化而变化明显，着火温度与着火延迟时间呈线性关系。在相同的初始温度下，随着混合气当量比的增加，混合气从富氧混合气达到化学恰当比，再到贫氧混合气，混合气的着火延迟时间呈增加趋势。

从图4中可以看出，燃料燃烧的温度上限在当量比为1.0时最大，其次是浓混合气，稀混合气的燃烧最高温度最小。当量比为1.0时，温度升高速率最大。这是由于浓混合气活性分子数量多，反应速度加快，但随着燃烧的进行，氧分子被消耗，使最终的放热量减少，燃烧最高温度降低。稀混合气则是由于缺少燃料，最终的放热率减少，燃烧最高温度低。在理论空燃比附近，燃料分子和氧分子的燃烧最为充分，放出的总热量最多，燃烧最高温度最大。

图3 当量比对着火延迟时间的影响

图4 当量比对温度上限的影响

2.4 温度敏感性分析

为了更好地理解加入O3对甲烷点火的影响，选择了14个对甲烷着火延迟时间有重要影响的化学反应。在初始温度1400K，标准大气压和加入0.5%O3的条件下，进行了自点火的敏感性分析。结果如图5所示，加入0.5%O3后，各反应式对着火延迟时间的影响明显增强，可以看出R38、R119和R156的敏感性系数非常高且大于0。这3个反应是产生OH自由基的主要反应。加入O3后，敏感性系数增加，OH自由基的产生速率增加，因此着火延迟时间减少。尽管加入0.5%O3也会在不同程度上提高负敏感性系数以增加着火延迟时间，但CH4/空气/O3混合气的总体着火延迟时间却有所减少。