添加非平衡等离子体对甲烷着火性能的影响

王美琪，陈 雷，曾 文，杨 昆，马洪安，裴 欢

(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)

甲烷是自然界中分布最广、最简单的碳氢化合物[1]，研究等离子体辅助甲烷燃烧机理对其他烃类的研究具有重要意义。但等离子体激发甲烷燃烧反应机理的研究仍缺乏完整的机理文献和足够的数据支持，有待进一步研究[2-3]。

Nagaraja[4]研究了脉冲纳秒介质阻挡放电等离子体的点火特性，发现在放电初始产生的活性粒子如OH、H和O等加速了混合气中H原子的离解，并使反应温度有较大程度的提高;Ju[5]在等离子体助燃条件下对煤油-空气和甲醚-空气预混扩散火焰进行实验研究，结果显示，非平衡等离子体可以有效地促进低温点火成功和燃料氧化；等离子体中的活性粒子能够增强燃料的氧化程度从而导致点火成功。

目前，等离子体助燃反应机理的模拟研究还处于探索阶段，对等离子体强化燃烧的机理问题尚未进行深入研究[6-7]。为了探究等离子体对甲烷的点火特性影响，本文在CH4/空气混合气体中分别添加不同浓度的H、OH自由基来模拟等离子体激励甲烷燃烧，研究等离子体对甲烷着火延迟时间的影响。

1 研究方法

1.1 模型选择

等离子体增强甲烷点火过程涉及等离子体化学、物理和燃烧理论[8-9]。在此过程中，各组分之间存在着高度复杂的物理化学反应、能量转换以及自由基的积累和消耗[10-11]。

基于已有的甲烷燃烧反应机理GRI Mech 3.0建立化学反应动力学模型[12-13]，在CH4/空气混合气的基础上分别添加H自由基和OH自由基，模拟等离子体激励甲烷点火过程。形成等离子体激励甲烷燃烧机理，着重研究H自由基和OH自由基对甲烷点火过程的刺激作用。

1.2 敏感性分析

敏感性分析对于了解一个机理复杂的燃烧过程有着重要作用。敏感性分析是指机理中反应参数变化对模型计算结果影响的研究，即研究计算结果对反应参数的敏感程度[14-15]。

敏感性系数一般用控制方程来表示

F(φ(α);α)=0

(1)

其中F是方程中的残差，φ是方程中的解向量，F受到参数α的影响。式(1)微分获得了敏感性系数的控制矩阵方程

(2)

2 计算结果分析

初始条件分别为：初始温度范围为1 400～2 400 K、初始压力1atm、当量比1.0；H自由基浓度分别为0.1%、0.5%、1.0%，OH自由基浓度分别为0.1%、0.5%、1.0%。在具体的模拟计算过程中，每一次计算选择一个参数作为独立变量，固定其他条件不变，以研究此独立变量对甲烷燃烧的影响。

2.1 H自由基的影响

2.1.1 不同浓度的H自由基对着火延迟时间的影响

图1给出了加入不同浓度的H自由基条件下，着火延迟时间随温度的变化情况。从图1中可以看出，甲烷的着火延迟时间随着温度的增加逐渐减少。温度不变的条件下，随着加入H自由基浓度的增加，甲烷的着火延迟时间在不同程度地减小。在温度为1 400 K时，与正常燃烧的着火延迟时间相比，加入0.1% H自由基的着火延迟时间减小约54.6%，加入0.5%H自由基的着火延迟时间减小约89.4%，加入1.0%H自由基的着火延迟时间减小约95.7%。

图1 不同浓度的H自由基对着火延迟时间的影响

2.1.2 敏感性分析

为了进一步研究H 自由基对甲烷着火延迟时间的影响，接下来主要分析点火过程中影响H自由基生成和消耗的主要化学反应的敏感性系数。图2给出了影响甲烷着火延迟时间的10个化学反应式。横坐标表示敏感性系数，敏感性系数大于零，表示对甲烷点火过程有增强作用(减少着火延迟时间)，敏感性系数小于零表示对甲烷点火过程有减弱作用(增加着火延迟时间)。

在反应初始阶段加入0.5%H自由基的情况下，点火阶段的开始已经存在H自由基，所以自由基H的生成反应(R91)敏感性系数降低，H自由基的消耗反应(R38、R53、R144)作用增强，敏感性系数向着减小着火延迟时间的方向增加。同时，因为H自由基的加入OH的生成和消耗速率均增加。提高了反应的整体速度，因此加入0.5%H减少了甲烷的着火延迟时间。

图2 温度敏感性分析

2.2 OH自由基的影响

2.2.1 不同浓度的OH自由基对着火延迟时间的影响

从图3中明显看出，加入不同浓度的OH自由基，不同程度减少了着火延迟时间。这主要是由于OH自由基对于点火链式反应是起促进作用的，强化了甲烷的氧化反应过程，从而加速反应速度，减少着火延迟时间。

在温度为1 400 K条件下加入0.1%OH自由基相比正常燃烧着火延迟时间减小约97.5%，加入0.5%OH自由基着火延迟时间减小约81.7%，加入1.0%OH自由基着火延迟时间减小约93.3%。但随着温度的增加，加入OH自由基对甲烷的着火延迟时间的影响降低。

图3 不同浓度的OH自由基对着火延迟时间的影响

2.2.2 敏感性分析

在初始温度为1 400 K，未加入和加入0.5%OH自由基条件下选出对甲烷着火延迟时间有重要影响的12个化学反应式，对甲烷着火延迟时间进行了敏感性分析。结果如图4所示。

在甲烷/空气自点火过程中，R38减少了甲烷的着火延迟时间。而当加入0.5%OH自由基后，强化了各反应式对甲烷/空气着火延迟时间的影响作用，特别对减小着火延迟时间的R101、R113等反应式明显增强。虽然加入0.5%OH自由基之后，也不同程度增加了一些负敏感性系数，但整体上还是减小了甲烷/空气的着火延迟时间。

图4 温度敏感性分析

3 结论

通过研究，得出以下结论：

(1)加入不同浓度的H自由基，可以不同程度减少着火延迟时间。在1 400 K,加入0.5%H着火延迟时间减少了89.4%。随着初始温度的升高，着火延迟时间减小，H自由基对着火延迟时间的影响降低。根据敏感性分析，加入0.5%H后，R38、R53、R144的反应式明显减少了混合气的着火延迟时间。

(2)在1 400 K,加入0.5%的OH自由基，着火延迟时间减少了81.7%。随着初始温度的升高，着火延迟时间减小，OH自由基对着火延迟时间的影响作用降低。根据敏感性分析，加入0.5%OH后，R101、R113的反应式明显减少了CH4混合气的着火延迟时间。虽然加入0.5%OH自由基之后，也不同程度增加了一些负敏感性系数，但整体上还是减小了甲烷/空气的着火延迟时间。