氣預(yù)混層流燃燒特性研究

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1、中國工程熱物理學(xué)會燃燒學(xué)學(xué)術(shù)會議論文編號：144023丙烷/丁烷/空氣預(yù)混層流燃燒特性研究湯成龍，張雙，司占博，黃佐華(西安交通大學(xué)動力工程多相流國家重點實驗室，西安710049）（聯(lián)系方式：18789430158E-mail:chenglongtang@mail.xjtu.edu.cn）摘要：利用高速紋影攝像法和球形火焰理論研究了不同初始條件下丙烷/丁烷/空氣的層流燃燒特性，得到了馬克斯坦長度和層流火焰燃燒速率等數(shù)據(jù)，并且開展了一維自由傳播火焰的數(shù)值模擬，對燃燒過程進行了化學(xué)特性分析。研究結(jié)果表明，層流火焰速率隨著初始壓力的增加而降低，隨著初始溫度的增加而增加，隨著丙烷含量

2、的增加而略微降低，且在當(dāng)量比為1.1時達到最大值。隨著當(dāng)量比或初始壓力的增加火焰不穩(wěn)定，隨著丙烷含量的增加，火焰穩(wěn)定。關(guān)鍵詞：丙烷；丁烷；層流火焰速率0引言內(nèi)燃機及汽車工業(yè)的發(fā)展加劇了由于燃燒化石燃料帶來的燃料短缺和大氣污染問題，故對人類經(jīng)濟發(fā)展和社會進步帶來了新的挑戰(zhàn)。尋求清潔發(fā)動機替代燃料和發(fā)展高效清潔燃燒技術(shù)已成為內(nèi)燃機和燃燒學(xué)界的熱點問題[1]。液化石油氣（LPG）是目前國內(nèi)外較為成熟的車用清潔替代燃料。LPG具有成本低，辛烷值高，抗爆震性能好，NOx、HC等污染物的排放少等優(yōu)點[2]。LPG是丙烷和丁烷的混合物，通常還伴有少量的丙烯和丁烯。目前LPG的應(yīng)用研究主要集

3、中在發(fā)動機燃用LPG、LPG/汽油、LPG/柴油時發(fā)動機的排放特性方面[5]或多數(shù)研究LPG在發(fā)動機上的應(yīng)用[3,4]，然而對丙烷/丁烷的基礎(chǔ)燃燒特性方面的研究相對較少。Myung等[6]在一個乘用車發(fā)動機上比較了燃用汽油和LPG的排放物排放情況，結(jié)果表明，使用LPG時，顆粒物、多環(huán)芳香烴等排放物的排放量明顯降低。Huzayyin等[7]分別研究了當(dāng)量比為0.7-2.2，初始溫度為295K-400K，初始壓力為50-400kPa時的LPG/空氣和丙烷/空氣的爆炸指數(shù)，得到了不同的模型計算的層流火焰速率。Peter等[8]研究了在常壓和343K的初始溫度下的正丙醇、異丙醇和丙烷

4、的層流火焰速率，實驗結(jié)果表明，正丙醇/空氣和丙烷/空氣的層流火焰燃燒速率接近，并且對正丙醇和異丙醇的燃燒過程進行了敏感性分析。但是他們都沒有對LPG的主要化學(xué)物質(zhì)丙烷和丁烷的基礎(chǔ)燃燒特性進行研究。燃料的基礎(chǔ)燃燒特性研究是了解燃料燃燒過程、提高燃燒效率和發(fā)展高效清潔燃燒控制策略的必要過程。預(yù)混層流燃燒是湍流燃燒的基礎(chǔ)，而層流火焰速率是燃燒過程中一個重要的參數(shù)，也是校驗燃料氧化過程化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的重要參數(shù)[9]。本文主要針對LPG模擬燃料丙烷/丁烷混合物，開展其與空氣混合氣的層流燃燒特性研究。首先利用高速紋影攝像手段和球形火焰發(fā)展理論獲得在不同當(dāng)量比，初始壓力，初始溫度和丙烷/丁

5、烷比率條件下的層流火焰速率。同時，開展一維自由傳播火焰的數(shù)值模擬，并通過對比實驗結(jié)果，探討初始壓力、溫度、當(dāng)量比、及丙烷含量等參數(shù)對層流火焰速率的影響規(guī)律。最后，從化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)角度分析不同參數(shù)對火焰結(jié)構(gòu)的影響。1實驗裝置和數(shù)值模擬1.1實驗裝置測量層流火焰速率的實驗裝置由定容燃燒彈、點火系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高速紋影攝像系統(tǒng)組成。定容燃燒彈是一個長為200mm，內(nèi)徑為180mm的不銹鋼圓柱體。在柱面的中間有兩個點火電極，用以點燃可燃混合氣。定容燃燒彈的兩端有兩個直徑為80mm的石英玻璃，從而實現(xiàn)燃燒過程的可視化。高速攝像機放置在容彈的一端，用以記錄火焰發(fā)展過程，高速

6、攝像機是美國VRI公司生產(chǎn)的PhantomV12.1，本實驗使用的拍攝速度是10000幅/秒。容彈的周圍包裹有功率為2400K的加熱帶，用來加熱容彈，容彈的上方安裝有熱電偶，用來測量容彈內(nèi)部的實時溫度，測量精度為1K。容彈的周圍還安裝有壓力傳感器、壓力變送器和進排氣閥門。壓力變送器的型號是Rosemount3051，動態(tài)響應(yīng)快，能夠在實驗過程中精確控制氣體進氣量。通過控制進氣閥門的開度來調(diào)節(jié)氣體進入容彈內(nèi)部，根據(jù)壓力變送器的讀數(shù)，控制進氣量。進氣完成后，關(guān)閉所有閥門，靜置三分鐘使混合氣混合均勻，使用點火線圈點燃混合氣，同時高速攝像機記錄燃燒過程。本文中的空氣采用N2和O2以3

7、.762:1的比例進行混合。丙烷和丁烷的純度均>99.995%，且丙烷含量定義為丙烷占混合燃料的體積百分比。圖1實驗系統(tǒng)示意圖1.2數(shù)據(jù)處理火焰?zhèn)鞑ニ俾适侵富鹧嫦鄬τ陟o止壁面的燃燒速度，可以用高速攝像機直接測出。在球形擴散火焰中，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾视苫鹧姘霃胶蜁r間的關(guān)系給出，(1)式中，為火焰半徑，可以由紋影照片直接測得；為時間?；鹧胬炻蕿榛鹧媲颁h面上一個無限小面積的對數(shù)值對時間求導(dǎo)，即(2)考慮到火焰發(fā)展初期點火能量的影響以及火焰發(fā)展后期壓力升高的影響，在計算火焰?zhèn)鞑ニ俾蕰r選取的火焰半徑為：6mm<<