微管流动反应器中大分子直链烷烃着火特性

刘筱璇，谢圣荣，李 星，汪小憨

微管流动反应器中大分子直链烷烃着火特性

刘筱璇1, 2，谢圣荣1, 3，李 星1，汪小憨1

(1. 中国科学院广州能源研究所，广州 510640；2. 中国科学技术大学纳米学院，苏州 215123；3. 中国科学院大学，北京 100049)

利用实验及数值计算研究了当量比为1的正癸烷、正十一烷、正十二烷、正十四烷和正十六烷/空气混合气在具有确定温度边界微管流动反应器内的着火特性．研究分析了几种直链烷烃低流速弱火焰在0.1～0.5MPa压力下的火焰结构、热释放率及反应特性．计算结果表明几种典型单组分燃料有相似的火焰结构．其弱火焰呈现冷焰、蓝焰和热焰这3个反应阶段．随压力增加，冷焰位置未出现显著偏移，蓝焰位置向低温段移动，热焰向高温段偏移．以正癸烷为对象深入分析了压力对高碳直链烷烃弱火焰各阶段反应特性的影响，研究发现压力增大时，冷焰热释放贡献率增大，热焰热释放贡献率减小．

大分子直链烷烃；着火特性；微管流动反应器；压力；数值计算

航空煤油品质对航空发动机的工作性能具有重要影响，世界各国航空煤油的组分具有一定的差别[1-3].由于航空煤油成分的复杂性，目前国内外对于航空煤油组成结构及燃烧机理的相关研究还不够完善．航空煤油替代组分的建立及研究对于航空发动机研制及航空煤油品质管控具有重要指导意义．

近年来国内外学者对航空煤油着火和燃烧特性进行了研究并提出多种航空煤油替代燃料[4-12]．曾文等[4]提出了摩尔分数80%正癸烷与20%三甲基苯的Jet A-1替代燃料，并对该替代燃料在激波管中的着火延迟特性及在预混燃烧炉和预混搅拌反应器中的预混燃烧过程进行了详细的数值计算．Patterson等[5]采用摩尔分数分别为 89%的正癸烷与11%的甲苯作为Jet A-1的替代燃料，对其在喷射搅拌反应器和预混平板火焰中的燃烧特性进行了数值模拟．Dagaut等[6]用正癸烷(74%，体积分数)、丙基苯(15%)、丙基环己烷(11%)组成Jet A-1的三组分替代燃料，计算了燃料在射流搅拌反应器(JSR)中燃烧的物种浓度并构建燃烧机理．肖保国等[7]提出了79%(摩尔分数)正癸烷、13%三甲基环己烷和8%己基苯的三组分替代燃料，并计算了RP-3航空煤油在等容条件下的点火延迟时间．刘宇等[8-9]构建了65%(摩尔分数)正癸烷、10%甲苯和25%丙基环己烷的三组分RP-3替代燃料并在激波管和定容燃烧弹中对其着火与燃烧特性进行了数值研究．徐佳琪等[10]提出了73.0%(质量分数)正十二烷，14.7% 1，3，5-三甲基环己烷，12.3%正丙基苯作为RP-3航空煤油的三组分替代模型，同时在激波管中对其着火延迟进行了研究．Zhang等[11]提出了88.7%(摩尔分数)正癸烷和11.3% 1，2，4-三甲基苯的RP-3双组分替代燃料，并通过数值计算研究了不同温度及压力下的着火延迟特性．郑东等[12]提出了摩尔分数40%正癸烷、42%正十二烷、13%乙基环己烷和5%对二甲苯的四组分RP-3航空煤油替代燃料模型，并研究了其着火延迟特性．Cathorment等[13]用78%(摩尔分数)正癸烷、9.8%环己烷和12.2%甲苯组成的替代燃料模拟了JP-8在JSR中的燃烧特性．

以上相关研究建立的替代燃料模型多由正构烷烃、支链烷烃、环烷烃和芳香烃等构成，且直链烷烃的占比较大．直链烷烃的相关着火及燃烧性能对所构建的航空煤油模型有重要的作用[14-16]．因此掌握大分子直链烷烃燃烧特性对航空发动机研制及航空煤油组分配比具有重要指导意义．

燃料混合物着火性能是反映燃料燃烧特性的一项重要参数．传统的研究中利用激波管和快压机来获取燃料混合物的着火延迟时间．近年来一些日本学者[17-21]发展了具有确定温度边界微管流动反应器来研究燃料的燃烧和着火特性．理论研究表明，在低流速下，温度分布可控的微管流动反应器内的弱火焰可以等同于燃料的着火过程[17]．且微管流动反应器装置具有温度范围稳定，实验环境理想，燃料质量流量小等特点，可以很好地研究燃料在低流速下的着火特性[18-21]．

本研究采用具有确定温度边界的微管流动反应器模型对正癸烷、正十一烷、正十二烷、正十四烷和正十六烷(以下分别简称为nC10、nC11、nC12、nC14和nC16)5种生物质航空煤油中大分子直链烷烃着火特性进行实验及数值研究，并以正癸烷为对象深入研究分析压力对高碳直链烷烃着火过程及反应特性的影响．

1 实验装置及原理

具有确定温度边界微管流动反应器的装置示意图如图1所示．其反应器主体采用外径4mm、内径2mm的石英管，通过H2/空气预混火焰对微型圆管进行加热．由于石英低导热系数和大比热特性，在外部热源的作用下石英管内壁面沿流动方向形成由初始温度(400～500K)到1300K的一个温度分布．采用直径为50μm的K型热电偶对温度分布进行测量．将当量比()为1的几种大分子直链烷烃/空气混合气以低流速通入微管内，采用配有CH滤镜的单反相机对火焰进行长曝光拍照．燃料混合物在固体壁面加热作用下逐渐升温并发生相关化学反应，通过火焰化学发光来获得各反应阶段的位置．

图1 实验装置示意

2 计算方法及模型验证

2.1 计算方法

采用了基于PREMIX的预混一维稳态计算程序[19,22]，并结合详细化学反应机理对具有确定温度边界微管流动反应器内混合物着火过程进行数值研究，基本控制方程如下所示：

2.2 模型验证

通过实验获得了＝1、＝3cm/s时nC10、nC12和nC163种燃料混合物弱火焰图像，图2(a)和2(b)分别为弱火焰图像及火焰中心位置无量纲光强分布．可见温度由低到高的过程中，大分子烷烃弱火焰呈现冷焰、蓝焰和热焰三个氧化过程．将三阶段火焰位置所处温度提取出来，并与数值计算所得结果进行对比，如图3所示．其中实线为计算所得的热释放率曲线，短划线为本研究实验值．对比可见当前数值计算与实验结果吻合较好．

图2 nC10、nC12和nC16弱火焰图像及火焰中心位置无量纲光强分布

图3 nC10、nC12及nC16火焰位置计算值与实验值对比

3 不同燃料着火特性比较

3.1 nC10～nC16大分子直链烷烃弱火焰结构

图4为压力0.1MPa时nC10～nC16弱火焰结构数值计算结果．热释放率HRR曲线及组分分布结果表明在常压下nC10～nC16单组分燃料的弱火焰结构相似，其反应区域较长，燃料的消耗集中在第一和第二阶段．O2和燃料的消耗摩尔分数在第一阶段急剧降低，随后在第二和第三阶段缓慢降低．CH2O及H2O2摩尔分数峰值在冷焰及蓝焰之间，CH4及CO摩尔分数峰值在蓝焰与热焰之间．

图4 压力为0.1MPa时的不同燃料弱火焰结构

3.2 nC10～nC16大分子直链烷烃弱火焰热释放特性

热释放率能够有效反映火焰内部化学反应特性，对研究比较燃料的着火能力和反应特性有重要指导意义．通过数值计算得到了nC10～nC16在0.1～0.5MPa时的热释放率曲线，如图5所示．计算结果表明，5种直链烷烃单组分的热释放率曲线变化形势一致．且各单组分弱火焰中的冷焰和蓝焰的热释放率峰值随压力的升高而增大，而热焰的热释放率峰值随压力的升高先增大后减小．

图5 nC10～nC16弱火焰的热释放率曲线

为进一步探究压力对各阶段基本反应特性的影响，比较了5种大分子直链烷烃对应三阶段火焰热释放峰值位置，如图6所示．计算结果表明对于一种特定燃料，随着压力的升高冷焰热释放率峰值位置移动不明显，蓝焰峰值位置向低温阶段偏移，热焰峰值位置向高温阶段偏移．

图6 压力对nC10～nC16弱火焰热释放峰值位置的影响

4 压力对正癸烷着火过程及反应特性的影响

以上研究结果表明各单组分直链烷烃的火焰结构、热释放率、各阶段热释放率峰值位置等着火特性均有相似的分布及变化规律．因此选用结构相对简单的nC10为对象深入研究分析压力对高碳直链烷烃着火过程及反应特性的影响．

4.1 压力对弱火焰结构的影响

图7为nC10在0.1MPa、0.3MPa和0.5MPa时的弱火焰计算结果，随着压力的增加，在冷焰部分正癸烷与O2的消耗速率增加，CO、CH4及H2O的生成速率增加；对比可见压力升高CH2O和H2O2生成量及生成速率均增加，促进冷焰和蓝焰阶段的热释放强度，反应物消耗速率增加；低压时的CH2O和H2O2曲线分布范围较宽，峰值较低；高压时CH2O和H2O2分布区域相对减小，而峰值增大；同时可见不同压力时火焰结构分布规律基本一致．

4.2 压力对热释放率的影响

为了进一步研究压力对大分子直链烷烃着火特性的影响，对比了nC10在0.1～0.5MPa时各阶段的热释放率占总热释放的比率，其结果如图8所示．对比结果表明几个不同压力条件下，冷焰和蓝焰的热释放贡献率较低，热焰的热释放贡献率较高．随着压力的增大，冷焰的热释放贡献率增大，热焰的热释放贡献率减小．

4.3 压力对各阶段反应特性的影响

对不同压力下冷焰阶段的反应路径进行了分析，结果如图9所示．0.1MPa压力时冷焰阶段nC10发生一系列裂解氧化反应，生成C5H11CO、CH2O、C3H6等小分子，C5H11CO继续裂解氧化最终生成大量CH2O和H2O．0.3MPa时路径中各主要反应强度明显增强，并多出C3H6→CH4和CO→CH3两个主要路径，促进了CH2O生成．0.5MPa时各主要反应强度进一步增强，C2H4转化活跃，其主要反应途径由C2H4＋OH→C2H3转变为C2H4＋OH→H2O，促进H2O的生成，因此冷焰阶段热释放强度进一步加强．

图8 不同压力下nC10弱火焰中各阶段的热释放贡献率

图10为不同压力下蓝焰阶段的反应路径，该阶段0.1MPa时主要发生C3H6小分子的转化反应，最终生成大量CH4、CO、H2O和少量CO．在高压下燃料的消耗强度增加，CH3O＋M→CH2O、HCO→CO、CO→CO2的反应通量明显增加；C10H22和CH2O消耗路径增加，促进CH4、CO、H2O等的生成；同时加速OH的消耗，蓝焰热释放强度加强．0.5MPa时HCO＋O2→CO反应通量进一步增加，nC10H21消耗路径增加，热释放强度进一步加强．蓝焰的峰值位置随压力增加向低温区偏移，热释放贡献率增大．

热焰阶段不同压力下的主要反应路径如图11所示．该阶段0.1MPa时CH3和CH2O转化活跃，最终生成大量CO2和H2O．其中CH2O主要生成途径有CH3→CH3OH→CH2OH→CH2O以及CH3→CH2OH→CH2O，间接促进CH2O的生成．在0.3MPa时CO＋O2→CO2反应通量明显增加，CH3→CH2O路径简单化且通量增加，CH4消耗途径增加，促进CO2和H2O生成，热焰热释放强度增强，峰值位置向高温区移动．0.5MPa下CH3向CH4转化路径增多，H2＋OH→H2O的反应通量增加而CO＋O2→CO2的反应通量减小，同时放热反应强度减小而吸热反应增强，故随压力增加热焰热释率峰值先加强后减弱，峰值位置向高温区移动．

图10 nC10的蓝焰阶段的反应路径

图11 nC10弱火焰热焰阶段的反应路径

5 结 论

对当量比为1的nC10～nC16/空气混合气在微管流动反应器内低流速下的着火特性进行了数值研究．通过对火焰结构、热释放率曲线及主要反应路径的分析，得到以下结论．

(1) nC10～nC16直链烷烃有相似的弱火焰结构，温度由低到高呈现冷焰、蓝焰和热焰3个着火阶段；几种直链烷烃弱火焰3个阶段峰值位置随压力升高变化一致，即冷焰位置未出现显著偏移，蓝焰位置向低温段移动，热焰向高温段偏移．

(2) 不同压力下nC10弱火焰结构的研究分析表明，冷焰阶段nC10发生一系列裂解氧化反应，且随压力增加，冷焰的热释放强度和产物生成速率增强，热释放贡献率增大．

(3) 随压力增大，蓝焰热释放强度增强，产物生成速率增加，峰值位置向低温反应阶段移动．

(4) 三阶段热焰的热释放强度随压力升高先增强后减弱，热释放贡献率减小，峰值位置向高温反应阶段移动．

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Ignition Characteristics of Straight Chain Alkanes in Micro Flow Reactor

Liu Xiaoxuan1, 2，Xie Shengrong1, 3，Li Xing1，Wang Xiaohan1

(1. Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China；2. Nano Science and Technology Institute，University of Science and Technology of China，Suzhou 215123，China；3. University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

The ignition characteristics of stoichiometric n-decane，n-undecane，n-dodecane，n-tetradecane and n-cetane/air mixtures in a micro flow reactor with a controlled temperature profile were studied experimentally and numerically. The mixtures were fixed at a low inlet flow velocity and the pressure varied from 0.1 to0.5MPa. The flame structure，heat release rate and reaction characteristics of the fuels were investigated. The results reveal that the weak flames at a low flow velocity of the fuels show a similar structure. The weak flames of those fuels show three stages in oxidation processes，which are cool flame，blue flame and hot flame. With the increase of pressure，the position of the cool flame shows no remarkable change，the blue flame shifts to the low temperature region，and the hot flame shifts to the high temperature segment. The oxidation processes of the stoichiometric n-decane/air mixture was analyzed in detail to interpret the effect of pressure on the ignition characteristics of straight chain alkanes. It was found that the contribution of cool flame to the overall heat release increases with the increasing pressure，while that of hot flame decreases.

large molecular straight chain alkane；ignition characteristics；micro-flow reactor；pressure；numerical calculation

TK6

A

1006-8740(2022)02-0206-08

10.11715/rskxjs.R202202023

2021-04-14.

国家重点研发计划资助项目(2018YFB1501500).

刘筱璇（1996—  ），女，硕士，lxx722@mail.ustc.edu.cn.

李 星，男，博士，副研究员，lixing@ms.giec.ac.cn.

(责任编辑：梁 霞)