气预混层流燃烧特性研究

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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：18789430158E-mail:chenglongtang@mail.xjtu.edu.cn）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

2、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，NOx、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

3、中在发动机燃用LPG、LPG/汽油、LPG/柴油时发动机的排放特性方面[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

4、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

5、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

6、摄像机是美国VRI公司生产的PhantomV12.1，本实验使用的拍摄速度是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

7、.762:1的比例进行混合。丙烷和丁烷的纯度均>99.995%，且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，(1)式中，为火焰半径，可以由纹影照片直接测得；为时间。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(2)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<<