正丁醇-空气层流燃烧速率的测定.doc

中国工程热物理学会 燃烧学 学术会议论文 编号：094001 正丁醇-空气层流燃烧速率的测定顾小磊，*黄佐华，李倩倩（西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室，陕西，西安 710049）（Tel: +86 29 82665075, Email: ）摘要： 在定容燃烧弹上，利用纹影摄影法和球型发展火焰进行了不同燃空当量比和初始压力下正丁醇空气预混火焰层流燃烧速率的测定。通过对正丁醇空气拉伸层流火焰传播速率与拉伸率的关系的分析，获得了无拉伸火焰层流燃烧速率和Markstein长度。研究结果表明：随着初始压力的增加，层流燃烧速率减小；随着当量比的增加，马克斯坦长度减小，火焰不稳定性增加；随着初始温度的增加，马克斯坦长度减小，火焰不稳定性增加。关键词：正丁醇；层流燃烧速度；Markstein长度；拉伸率Measurement of Laminar Burning Velocity of n-butanal-Air MixturesGu xiao-lei Huang Zuo-hua Li qian-qian 基金项目：国家自然科学基金重点项目(50636040);国家自然科学基金创新群体项目(50821604)(State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xian Jiaotong University,Xian 710049, China)Abstract: Laminar burning velocity of n-butanol-air mixtures was measured under different initial pressures and equivalence ratios using high-speed schlieren photography and outwardly propagating flame in a constant volume combustion bomb. Based on the analysis of the stretched flame propagation speed and stretch rate, the unstretched laminar burning velocities and Markstein length of n-butanol-air flames are obtained. The results show that laminar burning velocities are decreased with the increase of initial pressure. Markstein lengths are decreased with the increase of equivalence ratio and the increase of initial temperature, indicating the increase of flame instability with the increase of equivalence ratio and the initial temperature.Keywords: n-butanol; laminar burning velocity; Markstein length; strech rate0 引言随着化石燃料的短缺，排放污染的加剧，世界各国都在积极的寻找内燃机的替代燃料。近年来，人们在代用燃料方面的研究越来越广泛和深入。特别是含氧燃料的研究，醇类作为具有代表性的含氧燃料成了近年来研究的焦点。醇类燃料由于辛烷值高，可以用来作为汽油的抗爆添加剂，过去采用MTBE作为汽油的抗爆添加剂，但研究发现MTBE容易污染地下水。乙醇作为一种生物质的汽油抗爆添加剂，且由于其自身含氧，可以减少燃烧排放而得到了应用。然而, 乙醇也易于与水完全互溶1，这就使得它不能像纯汽油那样可以在油管内运输2。而且，乙醇对橡胶有腐蚀作用；乙醇的单位体积能量比汽油低30%，单位体积上的热值下降。正丁醇作为一种清洁的替代燃料，其能量密度只比汽油低15%，有很高的辛烷值且基本不溶于水，这些优点使得汽油/正丁醇可以在现在的管道中输运，不需要对发动机有任何的改动，与乙醇相比，它的腐蚀性也很小。汽油，乙醇，正丁醇的性能参数如表1所示。表1 几种燃料的性能参数汽油乙醇正丁醇分子式C4-C12C2H5OHC4H9OH成份（C,H,O）(质量 %)86,14,052,13,3565,13.5,21.5低热值（MJ/kg）42.726.833.1密度（kg/m3）715-765790810辛烷值（R+M）/29010087沸点（）25-21578118蒸发潜热（kJ/kg）380-500904716自燃温度（）300420343化学空燃比14.79.011.2层流燃烧速度（cm/s）a,b3339混合气热值(MJ/kg)b3.753.853.82在空气中点火极限（体积 %）20在水中的溶解性（ml/100ml 水）0.1完全可溶7.7a：T=325 K, P=100KPab：化学当量比=1.0，标准温度和压力目前对正丁醇的研究很少涉及到正丁醇基础燃烧方面，因此，开展正丁醇空气燃烧的基础研究就显得十分必要。燃烧基础数据对于燃烧数值模拟和发动机应用可提供基础性数据。层流燃烧速率和马克斯坦长度是表征层流燃烧特性的重要参数3。目前，测量可燃气体层流燃烧速率的方法主要有逆流双火焰法(Counterflow double flames)4，平面火焰燃烧法(Flat flame burner)5和球形火焰扩散法(Spherically expanding flames)6。Bradley 和Gu等学者认为，火焰拉伸对层流燃烧速率有较大影响，是引起测量误差的主要因素3,6,7。燃烧速率对火焰拉伸的敏感程度可通过马克斯坦长度来表征，马克斯坦长度的数值可反应出火焰的稳定性。由于球形火焰传播模型的拉伸率定义简单明确，火焰面上拉伸分布均匀，模型简单，操作方便，被国际上广泛地应用在测量层流燃烧速率中。本文利用定容燃烧弹研究了初始温度在413473K，初始压力0.1MPa和0.25MPa，燃空当量比=0.81.6时正丁醇空气混合气的火焰传播过程，分析了拉伸对火焰的影响，获得了正丁醇空气混合气的层流燃烧速率和马克斯坦长度。1 实验装置与实验过程实验装置由定容燃烧弹、加热系统、点火系统、数据采集系统和高速摄像与纹影系统等组成,如图1 所示。实验中所用定容燃烧弹为内径180 mm、容积0.0055 m3 的不锈钢圆柱体,容弹圆柱体外部分别安装有压力变送器、热电偶, 压力传感器,液体燃料注射阀, 进排气阀。容弹的两个端面装有石英玻璃窗, 视窗直径80 mm , 为纹影系统提供光学通路。容弹内静止混合气低压(初始压力小于等于0.1 MPa) 时各组分分压用水银测量计测量, 高压(初始压力大于0.1 MPa) 时用压力变送器测量。功率为2400 W 的加热带均匀缠绕在容弹外部, 容弹内部混合气的初始温度用热电偶测量, 测量精度为1 K。加热到预定初始温度后, 控制装置自动断开电源, 加热停止。然后用微量进样器或移液器把指定初始温度、压力、燃空当量比和气体稀释度条件下预先计算好的燃料量通过液体燃料注射阀送入容弹内。接下来根据计算得到的空气分压和稀释气分压通过进气阀把新鲜空气和稀释气顺序送进容弹内。混合气均匀混合810 min 后点火, 以确保混合气处于静止状态。 图2所示为试验中所用的定容燃烧弹结构示意图，在它的两个侧面装有石英玻璃窗，为纹影系统提供光学通路。石英玻璃与容弹体之间用密封橡胶来密封。在两块石英玻璃的内表面边缘处，分别垫有能耐高温的硅橡胶密封垫片。容弹表面装有气阀和压力传感器，在容弹中心线上布置有两根电极，以实现容弹中心点火。图1 试验系统布置图 图2 定容燃烧弹本文纹影系统采用锦州锦飞光学仪器厂生产的WCL型纹影仪，高速摄像机为美国REDLAKE公司生产的HG-100K，拍摄速度在100010000幅/秒间可调。2 层流燃烧速率和马克斯坦长度在球形扩散火焰中，拉伸火焰传播速率由火焰半径和时间的关系式给出9 （1）式中为纹影照片中火焰的半径，t为时间。 火焰拉伸率a定义为火焰表面上一个无限小面积A的对数值对时间取导数，即 （2）对球形火焰，有 （3）只考虑火焰扩散初期，容弹内压力变化很小的阶段（本文中火焰半径25mm），拉伸火焰传播速率和火焰拉伸率可近似成线性关系7，即 （4）这样，利用式（1）、（3）分别求出相应的和，将直线倒推至a0，直线在轴上的截距即为无拉伸层流火焰传播速率。直线的斜率取相反数即为马克斯坦长度。马克斯坦长度反映了火焰的稳定性，为正值时，反映出火焰传播速率随拉伸的增加而减小，这样，当火焰锋面出现突起时（拉伸增加），突起部分的火焰传播速率将得到抑制，使火焰趋于稳定；反之，为负值时，火焰传播速率随拉伸的增加而增加，当火焰锋面出现突起时（拉伸增加），突起部分的火焰传播速率将进一步增加，火焰的不稳定性增加10。无拉伸层流燃烧速率由式（5）计算 （5）式中、分别为已燃区和未燃气的密度，由燃气的初始状态得到，通过热平衡计算获得。由于火焰厚度的影响，拉伸层流燃烧速率可定义为燃气的消耗速率和产物的生成速率，前者定义在火焰锋面的外侧，后者定义在火焰锋面的内侧，分别用式（6）、（7）计算， （6） （7）为修正函数，取决于火焰半径和两区的密度比7，其表达式如下： （8）式中 是未燃气体的运动粘性系数，为无拉伸层流燃烧速度。3 实验结果和分析3.1 火焰传播速率和马克斯坦长度 Huang等人给出了不同点火能量下，天然气-空气火焰传播速率与火焰半径之间的关8。在火焰发展的初期，点火能量对火焰影响较大，随着火焰半径的增加，其影响逐渐减小。研究表明点火能量对火焰的影响在火焰半径大于5mm时基本消失8。此外，Bradley等人7和Lamoureux等人9也对临界半径进行了研究与讨论，他们给出的最值大致在5mm或6mm。研究表明此燃烧弹当火焰半径小于30mm时，压力的变化很小。因此，为了避免点火能量和压力对燃烧速率测量的影响，本文分析时在火焰半径选取为6至25mm范围内的数据。图 3 不同当量比下的火焰半径与时间关系纹影照片显示，火花点火后，火焰以球形向外传播。图4是典型的火焰传播图片。由纹影照片可计算出各时刻下的火焰半径。图3是正丁醇-空气火焰半径与时间的关系。由图可知，不同当量比时，火焰半径与时间的关系呈线性变化规律。图5 (a)和(b)分别给出了不同当量比和初始温度下的拉伸火焰传播速度与火焰半径的关系。由图5 (a)可知，拉伸火焰传播速率随火焰半径的增加而增加；=1.2拉伸火焰传播速率达到最大。图5 (b)可知，随着初始温度的增加，拉伸火焰传播速度增加，反映出相同压力和当量比下提高温度对化学反应速率的增加的现象。 t=0.5ms t=2.7ms t=5.5ms t=10.4ms 图 4 典型的火焰传播图片（=1.0, Tu=413K, Pu=0.1MPa）图 5 拉伸火焰传播速度与火焰半径的关系图6(a)和(b)分别给出了不同当量比和初始温度时拉伸火焰传播速度与拉伸率的关系。火焰发展初期即火焰半径小的阶段，火焰的拉伸率较大，火焰传播速度较低，随着火焰的发展，火焰拉伸率逐渐减小，火焰传播速度逐渐增加。各当量比下火焰传播速率均随拉伸率的增加而减小。图中拟合直线的斜率均为负值，相应地得到正的马克斯坦长度，表明此时火焰稳定。将Sn 外推至 = 0 处, 即可得到无拉伸火焰传播速度Sl, Sn- 拟合直线在坐标系上的斜率就是已燃气体Markstein长度Lb的负值。由图6(b)可知，拉伸火焰传播速度随初始温度的增加而增加，表明初始温度对拉伸火焰传播速度起增大的作用，而且Sn- 拟合直线的斜率绝对值随温度增加而减小，表明Markstein长度Lb随温度增加而减小，火焰不稳定性增加。图7(a)和(b)分别给出了不同初始温度时Markstein长度和无拉伸火焰传播速率与燃空当量比的关系。各初始温度下的Markstein长度均随燃空当量比的增加而减小，这表明随着混合气的变浓，火焰不稳定性增加。相同燃空当量比下随着初始温度的增加，Markstein长度减小，反映出火焰不稳定性增加。无拉伸火焰传播速率随着初始温度的增加而增加。因此，增加初始温度一方面增加了无拉伸火焰传播速率，但同时也增加了火焰的不稳定性。无拉伸火焰传播速率Sl在=1.3时达到最大值。图8(a)和(b)分别给出了不同初始压力时Markstein长度和无拉伸火焰传播速率与燃空当量比的关系。各初始压力下的Markstein长度均随燃空当量比的增加而减小，表明随着混合气的变浓，火焰不稳定性增加。随着初始压力的增加，无拉伸火焰传播速率减小，反映出初始压力增加了火焰的不稳定性，同时又降低了无拉伸火焰传播速率。图 6 拉伸火焰传播速度与拉伸率的关系图7 不同初始温度下Markstein长度和无拉伸火焰传播速率3.2 层流燃烧速率层流燃烧速率分为拉伸层流燃烧速率和无拉伸层流燃烧速率两种。拉伸层流燃烧速率可定义为拉伸层流燃烧速率和拉伸层流质量燃烧速率两种。前者定义在火焰锋面的外侧，决定于未燃混合气体的卷吸率；后者定义在火焰锋面的内侧，决定于燃烧产物的生成率。图8 不同初始压力下Markstein长度和无拉伸火焰传播速率 图9给出了火焰拉伸对拉伸层流燃烧速率和拉伸层流质量燃烧速率的影响。由图可知，在不同初始压力下，均随拉伸率的增加而增加，均随拉伸率的增加而减小。随着拉伸率的增加，（）的值增加，它表明了火焰厚度对燃烧速率的影响增大。由拉伸率的定义可知，大的拉伸意味着小的火焰半径，此时火焰厚度的影响相对较大；当拉伸趋于零时，火焰半径趋于无穷，火焰锋面厚度的影响可以忽略，此时无论燃烧速度定义在火焰锋面的哪一侧，它们都应该趋于同一个值，即无拉伸层流燃烧速率。由图9（b）可知，相同初始温度和当量比情况下，初始压力为0.1MPa时，（）的值最大，说明随着初始压力的增加，火焰厚度对燃烧速率的影响减小。图10(a)和(b)给出了不同初始温度和压力下，正丁醇空气混合气的无拉伸层流燃烧速率与当量比的关系。正丁醇空气混合气的无拉伸层流燃烧速率随着燃空当量比的变化呈现出中间高两头低的现象，即稀混合气和浓混合气条件下都会降低无拉伸层流燃烧速率，无拉伸层流燃烧速率在=1.3时达到最大。此外，随着初始压力的增加，无拉伸层流燃烧速率减小。由于目前还没有正丁醇空气混合气的无拉伸层流燃烧速率数据的文献，因此，还无法与其它数据进行对比。4 结论 本文采用高速摄影和球型发展火焰方法测定了正丁醇空气混合气层流燃烧速率，获得了Markstein长度，分析了不同当量比、不同初始温度、不同初始压力对正丁醇空气混合气燃烧特性的影响。论文主要结论如下：(1) 正丁醇空气混合气层流燃烧速率随初始温度的增加而增加，随初始压力的增加而减小；Markstein长度随初始温度增加而减小，随初始温度的增加而减小，随当量比的增加也减小。表明不火焰稳定性随初始温度的增加和当量比的增加而增加。(2) 拉伸层流燃烧速率随拉伸率的增加而增加，拉伸层流质量燃烧速率随拉伸率的增加而减小。随着初始压力的增加，无拉伸层流燃烧速率降低。图9 拉伸层流燃烧速度与拉伸率的关系（实心点：un; 空心点：unr）图10 无拉伸层流燃烧速率与当量比的关系参考文献1 Wolf, L. 1-Butanol as a Gasoline Blending Bio-Componentc. Presentation at the Mobile Sources Technical Review Subcommittee Meeting，2007.2 Whims, S., Pipeline Considerations for Ethanol, Iowa State University,Ames, IA，2002.3 Z. Zhao, A. Kazakov, F.L. Dryer. Laminar flame speed study of dimethyl ether/air mixtures by using particle image velocimetryJ. Combustion and Flame, 2004,139(1-2):52-60.4 Yu G, Law C K, and Wu C K. Laminar flame speeds of hydrogen air mixtures with hydrogen additionJ. Combustion and Flame, 1986, 63(1-2): 339-347.5 Van Maaren A, Thung D S, Goey L P H. Measurement of flame temperature and adiabatic burning velocity of methane/air mixturesJ. Combust Sci. Technol., 1994, 96: 327-344.6 Gu X J, Haq M Z, Lawes M, et al. Laminar Burning Velocity and Markstein Lengths of Methaneair MixturesJ. Combustion and Flame, 2000, 121(1-2): 41-58.7 Bradley D, Hicks RA, Lawes M, Sheppard CGW, Wo