张嘉玮，姜根柱†，张 衍，王筱蓉，许沧粟
（1.江苏科技大学，江苏 镇江 212000；
2.浙江大学，杭州 310027）
煤、石油和天然气等常见化石能源占世界能源的近80%。为了缓解能源危机和环境污染，发动机替代燃料越来越受到人们的重视。生物乙醇是一种很有前途的替代燃料。现在采用的第二代生物乙醇可由农作物、废弃物和藻类等原料生产，并不会造成粮食危机[1]。但乙醇的高汽化潜热、低温点火困难和弱扩散性不利于其在发动机上的应用[2]。为了克服乙醇在能量转化中的缺点，解决方案之一就是在乙醇发动机中添加一定比例的氢气。与乙醇相比，氢气具有火焰传播速度快、点火能量低和扩散性强等特点，可以通过生物乙醇催化重整制取。目前，已有文献证明向乙醇发动机中添加氢气可以改善燃烧过程和排放[3-4]。
虽然乙醇与其他碳氢化合物的混合已进入实际应用阶段，例如乙醇与汽油，但乙醇与氢气混合燃料的基本燃烧特性尚不清楚[5]。层流燃烧速度（laminar burning velocity,LBV）表示混合燃料的扩散率、热释放和化学反应速率，可用来表征和量化氢气添加比例对乙醇的影响。此外，LBV 对验证燃料化学反应动力学、正确构建燃烧模型和优化发动机设计具有重要意义[6]。
目前，国内外学者已对燃料的层流燃烧特性进行了诸多研究。HE 等[7]研究了在汽油中加入氢气对燃料层流燃烧特性的影响，实验结果显示当量比较低时，火焰传播速度受拉伸率影响显著。在保持当量比不变的前提下，随着氢气比例的增加，火焰传播速度也随着变大，并且LBV 的峰值随氢气含量的增加向浓混侧偏移。XU 等[8]通过分析发现稻壳油主要成分是乙醇、乙酸乙酯和丙酮，并研究了该燃料的LBV，结果表明该燃料的LBV 峰值发生在当量比为1.1 的时候。VAN TREEK 等[9]考察了初始温度为358 K、含水量为0%～ 40%、当量比为0.7～ 1.4的乙醇-水-空气混合物的LBV，发现加水会影响火焰传播过程。这是由于水在分子间反应或直接参与双分子反应中具有较高的碰撞效率。WANG 等[10]测量了不同氢气比例下甲烷/二甲醚的LBV。研究表明，预混气体的LBV 并不随氢气的增加而单调增加，甲基基团在反应中的作用比其他反应更重要，这表明氢的加入并不是使LBV 增加的唯一途径。COMANDINI 等[11]研究了正庚烷和氢混合物的燃烧特性，混合物中含有的氢气比例为0%、25%和50%，初始温度为294 K，初始压力为0.1 MPa，当量比在0.8～ 1.35 之间。实验结果表明，添加25%和50%氢气的混合物的火焰速度分别增加了3%和10%，而马克斯坦长度略有下降。
为提供新的乙醇-氢气-空气混合物层流燃烧特性数据，本文采用高速纹影摄像系统记录定容燃烧弹内火焰传播过程，通过处理得到层流火焰的燃烧特性参数。本次实验主要研究初始温度为400 K、初始压力为0.1 MPa 和0.4 MPa、当量比为0.7～1.4、氢气比例为0%～ 90%条件下预混气体的层流燃烧特性。
1.1 实验装置
图1 为实验装置图，主要由定容燃烧弹、高速纹影摄像系统、点火控制系统和数据存储系统组成。
图1 实验装置图Fig.1 The experimental setup
1.2 数据处理
图2为使用HALCON软件对火焰前锋半径的处理结果。火焰图像处理步骤如下：（1）强化火焰原始图片的对比度；
（2）通过thresshold 算子对图像进行分割，使用设置阈值的手段从输入图像中选择满足灰度值条件的像素；
（3）通过connection算子连接和计算区域，连接确定区域中给定的输入区域；
（4）选择ROI，对已有的区域进行筛选；
（5）使用select_shape 算子，借助形状特征筛选出实验需要的火焰轮廓；
（6）提取火焰轮廓并计算轮廓内的像素点个数。
图2 火焰前锋面Fig.2 Flame front radius
通过式（1）可以将提取的像素点个数转化为等效火焰半径。
式中：ru为实际火焰半径；
Asch为纹影中火焰面积；
A为纹影中视窗面积；
r为实际视窗半径。
火焰在实际传播过程中会受到拉伸率的作用，通过对火焰半径ru与火焰传播时间进行微分可以计算出火焰在受拉伸作用下的传播速度Sb，具体计算公式如下：
拉伸率α是火焰前锋面面积变化的百分比速率，定义为火焰前锋面上一个无限小微元面积A的对数对时间t的导数，推导过程如下：
采用非线性外推法可以消除火焰α对拉伸火焰速度Sb的影响，从而得到层流状态下的无拉伸火焰传播速度。
式中：Lb为马克斯坦长度；
为无拉伸火焰速度。
根据上面所求的无拉伸火焰速度和火焰燃烧前后的密度比，可以计算出混合燃料的LBV：
式中：ρb和ρu分别为已燃气体与未燃气体的密度；
Su为混合气的LBV。
考虑到辐射的影响，根据YU 等[12]提出的辐射校正公式对Su进行修正。
式中：S0为参考燃烧速度，取10 mm/s；
T0为参考温度，298 K；
P0为参考压力，0.1 MPa。
火焰厚度可以评估火焰传播过程中的流体动力学不稳定性，用如下公式进行计算：
式中：Tad为绝热火焰温度；
Tu为未燃混合气体温度；
(dT/dX)max为火焰传播过程中温度梯度的最大值。
图3 展示了不同当量比和氢气比例下火焰传播的纹影图像。当氢气比例为10%时，随着当量比的增加，预混燃料的火焰传播速度先增大后减小。从图3b 发现在当量比为1.2 时，氢气比例的增加能显著提高火焰传播速度。
图3 乙醇-氢气-空气预混层流火焰在不同当量比和氢气分数下的纹影图像：（a）Xh=10%；
（b）ϕ =1.2Fig.3 Schlieren images of the ethanol-hydrogen-air premixed laminar flames at different equivalence ratios and hydrogen fractions: (a) Xh=10%;(b) ϕ =1.2
2.1 层流燃烧速度
图4a 和图4b 分别展示了初始温度为400 K、初始压力为0.1 MPa 和0.4 MPa 条件下，6 种氢气比例的混合燃料LBV 受当量比变化的影响。由图中可以明显地看出，火焰LBV 随着当量比的增大先增加后减小，峰值出现在当量比1.2 附近。随着氢气含量的增加，火焰的LBV 随之变大。特别在富氢情况下，火焰的LBV有着非常大的提高。在图4a中，Xh=90%比Xh=70%的最大LBV 快1 080 mm/s，而Xh=30%比Xh=10%的最大LBV 快51 mm/s，这是由于氢气的化学反应速率更快，在富氢状态下LBV 受氢气含量变化的影响更加显著。此外，随着初始压力的增加，LBV 明显降低。初始压力增加使得H 自由基浓度影响变小，减弱了氢气添加对燃料LBV 的促进作用。
图4 不同氢气比例的预混燃料LBV 随当量比的变化图：（a）0.1 MPa；
（b）0.4 MPaFig.4 The relationship between LBV and equivalent ratio of premixed fuels with different hydrogen ratios: (a) 0.1 MPa;(b) 0.4 MPa
图5 为当量比1.2 时，不同初始压力下预混火焰LBV 增长率随氢气比例的变化。从图中可以看出，当Xh≤ 50%，LBV 随氢气含量的变化线性增加，而当Xh≥ 50%时，LBV 随氢气含量的变化指数增长。这说明氢气含量越高，LBV 增加效果就越明显。当初始压力上升时，可以观察到增长率也在上升。虽然初始压力的上升会导致LBV 下降，但会增加LBV的增长率。
图5 不同初始压力下的预混燃料LBV增长率随氢气含量的变化图Fig.5 Plot of the growth rate of the LBV of premixed fuels at different initial pressures versus hydrogen content
2.2 火焰厚度
火焰厚度是表征火焰流体动力学不稳定的重要参数。图6 为不同氢气比例下乙醇-氢气混合燃料火焰厚度随当量比的变化曲线。
图6 火焰厚度随当量比变化关系：（a）0.1 MPa；
（b）0.4 MPaFig.6 The relationship between flame thickness and equivalent ratio: (a) 0.1 MPa;(b) 0.4 MPa
由于混合物的运动学黏度对当量比的变化不敏感，火焰厚度表现行为与LBV 正好相反。当Xh≤50%，火焰厚度最低点出现在当量比为1.2 时。而当Xh≥ 50%，火焰厚度的最低点向当量比较高的一侧偏移。Xh=90%时，最低点在当量比1.3 时出现。相比于贫氢状态，富氢状态下氢气比例的增大对火焰厚度的影响更加显著。随着氢气比例和初始压力的增加，火焰厚度变得更薄，而较薄的火焰厚度会使火焰前锋面两边的密度梯度变化增大，使得火焰表现出不稳定的趋势。
2.3 马克斯坦长度
热扩散不稳定是由预混燃料中热量和质量的不均等扩散燃烧引起[6]。图7 中的Lb反映了拉伸率对火焰传播速度的影响，可以量化火焰的热扩散不稳定性[8]。当Lb＞ 0 时，火焰前锋面结构稳定，而当Lb＜ 0 时则表明火焰前锋面结构不稳定[13]。如图7所示，随着初始压力的增加，Lb呈现降低趋势，火焰不稳定性增强。当氢气比例较小时，Lb随当量比的增加而降低，这说明火焰传播过程中火焰稳定性逐渐降低。当处于富氢状态下，则表现出相反的趋势，火焰稳定性不断上升。由此可以发现氢气比例对改变火焰稳定性有很大的影响。特别是在稀燃侧，贫氢和富氢状态下的Lb有着较大的区别，而在当量比为1.2～ 1.4 的富燃侧，Lb的区别不大。
图7 不同氢气含量下Lb 随当量比的变化图Fig.7 The effect of Lb with equivalence ratio at different hydrogen contents
2.4 数值仿真结果
通过热力学仿真软件Chemkin 18.0 Pro 分析计算得到实验中所不能直接测量的绝热火焰温度、已燃气体和未燃气体密度等数据。计算网格长度为3 cm，曲线参数和梯度参数均为0.05，从而保证了计算的准确性。本研究采用的化学机理是通过整合Ó CONAIRE 等[14]的氢燃烧反应机理和MARINOV[15]的乙醇氧化反应机理得到。图8a 展示了数值仿真与实验所获得的火焰LBV 对比，可以看出两者的发展趋势一致。仿真结果与实验结果的平均相对偏差小于12%，最大相对偏差小于25%。图8b 为乙醇预混燃气的LBV 与文献的实验与仿真数据对比情况。结果表明，本研究采用的仿真机理与文献报道的仿真数据差距较小，趋势规律基本吻合；
本实验最终得到的乙醇预混燃气的LBV 相较于BRADLEY 等[16]的实验结果更大，考虑到本研究初始温度为400 K，高于其研究工况，温度越高LBV 越大；
另外与DIRRENBERGER 等[17]研究数据结果基本吻合，差距在4.8%以内，因此本文实验数据可靠性较高。
图8 不同氢气比例的混合燃料LBV实验数据与仿真结果的对比（a）；
现有数据与文献中实验数据和计算数据的对比（b）Fig.8 Comparison of experimental and simulation results of LBV for ethanol with different H2 addition (a);the comparison of present data with experimental and computed data published in previous literature (b)
研究了含有氢气比例分别为0%、10%、30%、50%、70%、90%的乙醇-氢气燃料的燃烧特性。实验采用定压法在初始温度为400 K、初始压力0.1 MPa和0.4 MPa 下进行，考察了燃料当量比在0.7～ 1.4区间内的层流燃烧特性，当量比跨度为0.1。主要结论如下：
（1）乙醇-氢气-空气预混火焰的层流燃烧速度峰值出现在当量比1.2 附近，并且随着氢气比例的增大，峰值当量比会朝着富燃一侧移动。
（2）在相同工况条件下，氢气的添加可以提高乙醇的层流燃烧速度，特别是在富氢状态下提升明显。贫氢阶段的LBV 随氢气比例的增加线性增长，而富氢阶段的LBV 随氢气比例的增加呈指数增长。此外，初始压力的增加提高了LBV 的增长率。
（3）在贫氢阶段，马克斯坦长度表现出由正转负的下降趋势，在富氢阶段，马克斯坦长度表现出由负转正的趋势。这表明预混火焰在贫氢阶段处于稳定状态但是抗失稳的能力随着当量比的上升而不断下降，在富氢阶段则表现出相反的趋势。
（4）在工况改变的情况下，本文仿真模型较好地预测了层流燃烧速度的变化趋势，计算结果与文献报道的不同氢气含量下乙醇-氢气混合气的实验结果一致。
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