1、中国工程热物理学会 燃烧学学术会议论文 编号：144023丙烷 /丁烷/空气预混层流燃烧特性研究汤成龙， 张双，司占博，黄佐华(西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室，西安 710049）（联系方式： 18789430158 E-mail: ）摘要：利用高速纹影摄像法和球形火焰理论研究了不同初始条件下丙烷/丁烷/空气的层流燃烧特性，得到了马克斯坦长度和层流火焰燃烧速率等数据，并且开展了一维自由传播火焰的数值模拟，对燃烧过程进行了化学特性分析。研究结果表明，层流火焰速率随着初始压力的增加而降低，随着初始温度的增加而增加，随着丙烷含量的增加而略微降低，且在当量比为 1.1 时达到最大值。随着当
2、量比或初始压力的增加火焰不稳定，随着丙烷含量的增加，火焰稳定。关键词：丙烷；丁烷；层流火焰速率0 引言内燃机及汽车工业的发展加剧了由于燃烧化石燃料带来的燃料短缺和大气污染问题，故对人类经济发展和社会进步带来了新的挑战。寻求清洁发动机替代燃料和发展高效清洁燃烧技术已成为内燃机和燃烧学界的热点问题1 。液化石油气（LPG）是目前国内外较为成熟的车用清洁替代燃料。LPG 具有成本低，辛烷值高，抗爆震性能好，NO x、HC 等污染物的排放少等优点2 。LPG 是丙烷和丁烷的混合物，通常还伴有少量的丙烯和丁烯。目前 LPG 的应用研究主要集中在发动机燃用 LPG、LPG/汽油、 LPG/柴油时发动机的排
3、放特性方面5 或多数研究 LPG 在发动机上的应用3,4 ，然而对丙烷/丁烷的基础燃烧特性方面的研究相对较少。Myung 等6在一个乘用车发动机上比较了燃用汽油和 LPG 的排放物排放情况，结果表明，使用LPG 时，颗粒物、多环芳香烃等排放物的排放量明显降低。Huzayyin 等7 分别研究了当量比为 0.7-2.2，初始温度为 295K-400K，初始压力为 50-400kPa 时的 LPG/空气和丙烷/空气的爆炸指数，得到了不同的模型计算的层流火焰速率。Peter 等8研究了在常压和 343K 的初始温度下的正丙醇、异丙醇和丙烷的层流火焰速率，实验结果表明，正丙醇/空气和丙烷/空气的层流火
4、焰燃烧速率接近，并且对正丙醇和异丙醇的燃烧过程进行了敏感性分析。但是他们都没有对 LPG 的主要化学物质丙烷和丁烷的基础燃烧特性进行研究。燃料的基础燃烧特性研究是了解燃料燃烧过程、提高燃烧效率和发展高效清洁燃烧控制策略的必要过程。预混层流燃烧是湍流燃烧的基础，而层流火焰速率是燃烧过程中一个重要的参数，也是校验燃料氧化过程化学反应动力学的重要参数9。本文主要针对 LPG 模拟燃料丙烷/丁烷混合物， 开展其与空气混合气的层流燃烧特性研究。首先利用高速纹影摄像手段和球形火焰发展理论获得在不同当量比，初始压力，初始温度和丙烷/丁烷比率条件下的层流火焰速率。同时，开展一维自由传播火焰的数值模拟，并通过对
5、比实验结果，探讨初始压力、温度、当量比、及丙烷含量等参数对层流火焰速率的影响规律。最后，从化学反应动力学角度分析不同参数对火焰结构的影响。1 实验装置和数值模拟1.1 实验装置测量层流火焰速率的实验装置由定容燃烧弹、点火系统、加热系统、数据采集系统和高速纹影摄像系统组成。定容燃烧弹是一个长为 200mm，内径为 180mm 的不锈钢圆柱体。在柱面的中间有两个点火电极，用以点燃可燃混合气。定容燃烧弹的两端有两个直径为 80mm 的石英玻璃，从而实现燃烧过程的可视化。高速摄像机放置在容弹的一端，用以记录火焰发展过程，高速摄像机是美国 VRI 公司生产的 Phantom V12.1，本实验使用的拍摄
6、速度是 10000 幅/秒。容弹的周围包裹有功率为 2400K 的加热带，用来加热容弹，容弹的上方安装有热电偶，用来测量容弹内部的实时温度，测量精度为 1K。容弹的周围还安装有压力传感器、压力变送器和进排气阀门。压力变送器的型号是 Rosemount3051，动态响应快，能够在实验过程中精确控制气体进气量。通过控制进气阀门的开度来调节气体进入容弹内部，根据压力变送器的读数，控制进气量。进气完成后，关闭所有阀门，静置三分钟使混合气混合均匀，使用点火线圈点燃混合气，同时高速摄像机记录燃烧过程。本文中的空气采用 N2 和 O2 以 3.762:1 的比例进行混合。丙烷和丁烷的纯度均99.995%，且
7、丙烷含量定义为丙烷占混合燃料的体积百分比。图 1 实验系统示意图1.2 数据处理火焰传播速率是指火焰相对于静止壁面的燃烧速度，可以用高速摄像机直接测出。在球形扩散火焰中，拉伸火焰传播速率 由火焰半径和时间的关系给出，bS* fbdrtMERGEFORMAT (1)式中， 为火焰半径，可以由纹影照片直接测得； 为时间。fr t火焰拉伸率 为火焰前锋面上一个无限小面积 的对数值对时间求导，即A* MERGEFORMAT (2)(ln)12fbfdrdASttt考虑到火焰发展初期点火能量的影响以及火焰发展后期压力升高的影响，在计算火焰传播速率时选取的火焰半径为：6mm 25mm，此时，拉伸火焰传播速
8、率与拉fr伸率呈线性关系，即* MERGEFORMAT (3)0bbSL测量得到的火焰半径经过* MERGEFORMAT (1)式和* MERGEFORMAT (2)式计算得到拉伸火焰传播速率 和拉伸率 ，将直线 外推至 ，得到无拉伸火bbS0焰传播速率 ，直线的斜率取相反数就是（Markstein length） ，它是表征层流燃烧0bS bL火焰对锋面上的扰动的响应的参数，是反应火焰稳定性的重要参数10。当为正数时，火焰传播速率随拉伸的增加而减小，若光滑的火焰锋面出现凸起的小扰动，凸起处的火焰传播速率比未扰动时的值低，从而抑制了火焰锋面的小扰动，火焰趋于稳定。反之，当马克斯坦长度为负数时，
9、火焰传播速率随着拉伸的增加而增加，若火焰锋面出现凸起，凸起处的火焰传播速率将进一步增加，从而加剧了扰动，火焰趋于不稳定11。如图 2 给出了典型条件下的火焰传播速率 与火焰拉伸率的关系。可以看出，bS与拉伸率 基本呈线性关系，该线性关系的斜率的相反数即为式(3)中的 Lb，而直bS线与纵轴的节距即为无拉伸火焰传播速率 。0b层流火焰速率是指火焰锋面相对于未燃混合气的移动速度。根据火焰前锋面的质量守恒定律有，* 00fufbASMERGEFORMAT (4)式中， 为火焰前锋面面积， 和 分别为未燃气和已燃气的密度，密度由fAubCHEMKIN 的 equilibrium 模型得到。从上式可以得
10、到未燃气体的火焰传播速率 ，又0uS因为未燃气体的流速为 0，故未燃气体的火焰传播速率就是无拉伸层流火焰燃烧速率，它可表示为* 0/ubuuSfMERGEFORMAT (5)其中， 为质量燃烧率，质量燃烧率是通过单位时间单位面积的质量流量，可以表示f为 。0uS2030405060708012345 P0=.1MPaT03KXC3H8=% 1.slope =-LbS0b b /(ms-1) /s-1图 2 火焰传播速率与拉伸率的关系1.3 数值模拟方法本文利用 Chemkin 软件包中的 Premix 模块，对不同初始条件下的丙烷 /丁烷/空气混合气的层流火焰燃烧速率进行模拟，并且利用 Equ
11、ilibrium 模型对化学反应平衡进行分析。本文使用的化学反应动力学机理是 USC Mech2.0，它包括化学反应机理文件、各组分热物性参数和输运参数。该化学反应机理共包含 111 种组分和 784 个基元反应，是模拟计算丙烷/丁烷燃烧的化学反应动力学数据库。2 实验结果和分析2.1 层流火焰速率2.1.1 当量比的影响0.60.70.80.91.01.1.21.31.41.50.10.20.30.4 simulationexpreSu /(ms-1) T0=3KP.1MPaXC3H8=0%图 3 层流火焰速率与当量比的关系如图 3 给出了初始温度为 303K，初始压力为 0.1MPa，丙烷
12、含量为 30%的层流火焰速率与当量比的关系，其中散点为实验值，实线是用 Chemkin 软件中的 Premix 模块进行模拟计算出来的结果。从图中可知，实验结果与模拟结果趋势相同，随着当量比的增加，层流火焰速率增加，在当量比为 1.1 时达到最大值，之后层流火焰速率随着当量比的增加而减小。过浓或过稀的混合气都会抑制火焰的传播，且此时的实验值与模拟值偏差较大。2.1.2 压力的影响图 4 给出了在初始温度为 363K，丙烷含量为 30%时，不同初始压力对层流火焰速率和质量燃烧率的影响。由图可知实验结果与模拟结果吻合的较好。层流火焰燃烧速率在当量比为 1.1 附近达到最大值，且随着初始压力的增加层
13、流火焰速率降低。质量燃烧率可以直观的表征化学反应和放热的快慢。从图 4（b）可知，质量燃烧率在当量比为 1.1 附近最大，即此时的化学反应速率最快，因此层流火焰速率达到最大值。质量燃烧率随着压力的增加而增加，表明燃烧过程加剧，这是因为随着初始压力的增加，混合气的密度增加，容弹内部参与化学反应的燃料和氧化剂分子数增加，从而化学反应速率加快。从燃烧物理12角度看，质量燃烧质量燃烧率 与反应速率 的关系为：f。 对于给定的初始条件，全局反应速率与压力关系为：12f，其中， 为化学反应级数， 为活化能， 为通用气00exp/nadPERTnaE0R体常数， 为绝热火焰温度。因此，可以得到质量燃烧率 与
14、压力 之间的关系：d f0P。200e/nadf由于 与 呈正比关系，因此可得到层流火焰速率与初始压力的关系：u0P。0210exp/nuadSERT一般情况下， 的取值范围为 ，因此，层流火焰速率与初始压力成反比n12n关系，因此，层流火焰速率随着初始压力的增加而降低。所以内燃机采用增压技术有利于加速化学反应，提高燃烧放热速率，从而提高发动机效率。0.80.91.01.1.21.31.40.10.20.30.40.50.6 T0=36KXC3H80%Su /(ms-1) P0=.1MPa .2 P0=.4Pa(a)0.80.91.01.1.21.31.4020.4.60.81.21.4.6
15、T0=36KXC3H80% P0=.1MPa .2 0=.4af /(kgm-2s) (b)图 4 初始压力对层流火焰速率的影响2.1.3 温度的影响图 5 给出了初始压力为 0.1MPa，丙烷含量为 30%时，不同初始温度下层流火焰速率和质量燃烧率随着当量比的变化情况。由图可知，实验结果与模拟结果吻合的较好，变化趋势相同，层流火焰速率和质量燃烧率均在当量比为 1.1 处达到最大值。随着初始温度的增加，层流火焰速率和质量燃烧率明显增加。随着初始温度的增加，容弹内的混合气体密度减小，进一步加强了火焰的传播。0.80.91.01.1.21.31.40.20.30.40.50.6 XC3H8=0%P
16、0.1MPa S0u /(ms-1) T0=3K T 0=36(a)0.80.91.01.1.21.31.40.250.30.350.40.450.50.5 XC3H8=0%P0.1MPaf /(kgm-2s-1) T0=3K T0=36(b)图 5 初始温度对层流火焰速率的影响2.1.4 丙烷含量的影响图 6 给出了不同丙烷含量下，初始温度为 333K，初始压力为 0.1MPa 时的层流火焰速率随当量比的变化。从图中可知，实验值比模拟值略微偏低，但变化趋势相同。随着丙烷含量的增加，层流火焰速率有所降低，但丙烷含量的变化对层流火焰速率的影响非常小。这说明丙烷和丁烷的层流火焰速率相差不大，丙烷含
17、量的改变对 LPG 的层流火焰速率的影响不大。0.80.91.01.1.21.31.40.20.30.40.5 P0=.1MPaT3K Su /(ms-1) XC3H8=0% 385 XC3H8=70图 6 丙烷含量对层流火焰速率的影响2.2 火焰锋面稳定性图 7(a)给出了丙烷含量在 30%，初始温度为 303K，初始压力为 0.1MPa 时丙烷/丁烷/空气混合气在不同当量比下的，从图中可知，随着当量比增加，逐渐降低并且由正值降为负值，说明火焰趋于不稳定。根据组分优先扩散原理13，氧气和氮气的优先扩散能力差不多，都强于丙烷和丁烷，随着当量比的增加，燃料的含量增加，氧气和氮气的含量减少，相当于
18、预混扩散气体中扩散能力强的组分的含量减少，使得混合气的优先扩散不稳定性增强，马克斯坦长度减小，火焰趋于不稳定。图 7(b)给出了初始温度为 333K，初始压力为 0.1MPa 时不同丙烷含量的混合气的马克斯坦长度随着当量比的变化。从图中可知，随着当量比的增加，马克斯坦长度减小，火焰趋于不稳定。随着丙烷含量的增加，马克斯坦长度增加，说明随着丙烷含量的增加，火焰趋于稳定。0.80.91.01.1.21.31.40.0.51.01.52.0 T0=3KP.1MPaXC3H8=0% Lb/m(a)0.80.91.01.1.21.31.40.0.51.01.5 T0=3KP.1MPaLb/m XC3H8
19、=0% 385 XC3H8=70(b)图 7 马克斯坦长度随不同初始条件的变化ru=15mmru=25mmru=35mmP0=1atm P0=2atm P0=4atm图 8 不同初始压力下火焰扩散的纹影照片( )3436,1.0%CHTKX图 8 给出了初始温度为 363K，丙烷含量为 30%，当量比为 1.4 时不同初始压力下的火焰扩散的纹影照片，从图中可知，火焰发展到相同半径时，随着初始压力的增加，火焰锋面上的褶皱和胞状结构增多，火焰趋于不稳定。在相同的初始条件下，随着火焰的发展，火焰锋面上的褶皱增加，火焰趋于不稳定。2.3 火焰结构及化学反应动力学分析下面给出了火焰化学结构中主要自由基的
20、分布，丙烷/丁烷燃烧过程中的主要自由基有 C2H2，H，OH。化学反应动力学是由链分支反应、连传递反应和链终止反应组成的，而自由基是这些基元反应的主要参与者，因此在燃烧化学中，自由基是非常重要的。由于温度和丙烷含量的变化对自由基分布影响不大，故本文给出了不同当量比和初始压力下的自由基的分布情况。图 9（a）给出了初始压力为 0.1MPa，初始温度为 333K，丙烷含量为 30%时的自由基分布。从图中可以看出，中间自由基的摩尔分数的量级都在 10-3 和 10-2 之间。对于浓混合气，火焰中 C2H2 的含量最多，其次是 H 和 OH，对于稀混合气，火焰中自由基含量最多的是 OH，然后是 C2H
21、2 和 H。随着当量比的增加，燃料的密度增加，故C2H2 增加。而 H 和 OH 自由基的浓度在当量比为 1.1 时最大，说明它们的含量与层流火焰燃烧速率密切相关。如图 9（b）给出了初始温度为 363K，丙烷含量为 30%，当量比为 1.1 时的火焰化学结构中的自由基的分布情况。从图中可知，随着压力的增加，自由基的摩尔分数减小，自由基摩尔分数达到最大值的时间最减小。H 和 OH 自由基随着压力的增加摩尔分数减小，因此层流火焰燃烧速率减小。0.0.20.40.60.80.10.120.14.0.2.40.6.80.1.20.14 =1.4 P0=.1MPaT03KXC3H8=0% Radicl
22、 mole fractionDistance /m C2H =0.8 O .C2=1 H . C2 =1.4 OH . =0.8 =1. black C2Hred luO0.20.40.60.80.10.120.140.160.0.20.40.60.80.1black2redlu P0=.2MPaP0=.4MPa T0=36KXC3H80% =1. Radicl molefraction Distance /m Mole_fraction_C2H4_Soln#5_()li l() lfrtiOlole_acion_24_Soln#5_() MlfrtiHl()li l ole_fraction
23、_C24_Soln#5_()li l() MlfrtiOHlP0=.1MPa图 9 不同当量比和不同压力时的层流火焰结构图050101502025030-.4-0.3-0.2-0.10.0.10.20.30.4T0=36KXC3H80%=1.R92:CH3+O CH2*+O8:3+(M) 4+MR39:HCO+ CO+H35:+ +2R31:CO+H CO2+H 9:+M 2+R1:HO2 +HP0=.4MPa .2 P0=.1Pa()050101502025030-.4-0.3-0.2-0.10.0.10.20.30.4T0=3KP.1MPa=. XC3H8=70% 385 XC3H8=0R
24、1:H+O2 +H9:+M 2O+R31:CO+H C2+H35: O2R39:HCO+M C+HM8:3+() 4+R92:CH3+O CH2*+O (b)图 10 不同初始压力和丙烷含量时的敏感性分析如图 10 给出了不同初始压力和丙烷含量时的敏感性分析。从图中可知，R1，R31，R39，R92 有正的敏感性系数，其中 R1 是最主要的链分支反应，产生大量的 H 和 OH 自由基，增大层流火焰速率。R9，R25，R88 的敏感性系数为负，是链终止反应，消耗自由基生成稳定的产物，降低层流火焰速率。从图 10 (a)可知，随着压力的增加，R1 ，R9，R88 反应都得到了加强，R35 和 R3
25、9 被减弱。由图 9(b)可知，虽然R1 得到加强，但是自由基 H 和 OH 的摩尔分数是减小的，且由前面的实验结果可知，随着压力的增加层流火焰速率降低，故对链终止反应的加强作用大于对链分支的加强作用，导致层流火焰速率降低。图 10(b)可知，随着丙烷含量的增加，基元反应R1，R35 和 R88 略微加强，对其他反应的影响不明显。由前面的实验结果知，随着丙烷含量的增加，层流火焰速率有所降低，故丙烷含量增加，对链终止反应的影响略大于对链分支反应的影响，导致层流火焰速率降低。3 结论本文主要利用高速纹影摄像法和球形火焰理论研究了在不同当量比、初始压力、初始温度、丙烷含量条件下丙烷/丁烷/ 空气的层
26、流燃烧特性，并且利用相关化学反应机理，开展了一维自由传播火焰的数值模拟，主要结论如下：（1） 层流火焰速率随着初始压力的增加而减小，随着初始温度的增加而增加，随着丙烷含量的增加而略微降低，且层流火焰速率在当量比为 1.1 时达到最大值。实验得到的层流火焰速率与数值模拟的结果吻合良好，趋势相同。（2） 马克斯坦长度随着当量比的增加而减小，火焰趋于不稳定；随着丙烷含量的增加而增加，火焰趋于稳定；随着初始压力的增加，火焰锋面胞状结构增加，火焰趋于不稳定。（3） 对于给定初始条件下，当量比为 1.1 时 H 和 OH 自由基的摩尔分数最大；不同初始压力下，火焰结构中主要自由基摩尔分数随着压力的增加而减
27、小。（4） 初始压力和丙烷含量的增加，对链终止反应的影响略大于对链分支反应的影响，导致层流火焰速率降低。参考文献1 姚勇,张永安,刘文慧.针对新排放标准的燃油对策J.交通标准化,2004,(02-03):48 -512 赵猛,蒋炎坤, 吴峰胜.LPG 发动机的研究现状和发展前景J.柴油机设计与制造 ,2007,15(1):1-63 王振锁,肖宗成,王惠萍,等.LPG 与汽油机燃料微粒排放的实效特性研究 J.内燃机学报,2004,22(1):56-624 仇恒东,韩宝明,于雷,等.LPG/汽油双燃料汽车实时尾气排放比较研究 J.安全与环境学报,2006,6(1):121-1245 Ergenc
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