Jet-A 表征燃料/乙醇摻混燃料層流燃燒特性研究

何旭，江正暉，桑正，劉澤昌，馮光遠(yuǎn)，楊青，蔣厚實(shí)

（1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京 100081；2.北京電動(dòng)車(chē)輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100081）

隨著我國(guó)能源需求的不斷上漲、能源進(jìn)口依賴程度的不斷加深以及雙碳行動(dòng)方案的印發(fā)[1?2]，對(duì)傳統(tǒng)燃料清潔化、可再生化已是迫在眉睫.航空煤油作為傳統(tǒng)的碳?xì)淙剂?，燃燒?huì)產(chǎn)生大量的CO、NOx、碳煙等污染物[3?4].乙醇作為傳統(tǒng)的生物質(zhì)含氧燃料可通過(guò)生物質(zhì)發(fā)酵等方式獲得具有可再生性，具有較高的火焰速度和較低的未燃HC、NOx等污染物排放，但其較低的能量密度和較高的水溶性限制了其完全替代航空煤油的潛力，因此在航空煤油中摻混乙醇是一種較為實(shí)際有效的方案[5].

由于航空煤油通常為C7-C16烴類(lèi)混合物[6]，不同產(chǎn)地、不同批次的煤油組分都會(huì)存在很大差異；另一方面，實(shí)際航空發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中，涉及到幾百種組分、成千上萬(wàn)種基元反應(yīng)，同時(shí)還伴隨劇烈的流動(dòng)、傳熱等物理和化學(xué)變化，直接模擬其真實(shí)燃燒過(guò)程、構(gòu)建全面的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是非常復(fù)雜且不切實(shí)際的.對(duì)于上述問(wèn)題，使用簡(jiǎn)單可靠的表征燃料來(lái)替代真實(shí)復(fù)雜的航空煤油來(lái)開(kāi)展相關(guān)基礎(chǔ)研究已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可.另外，作為湍流燃燒基礎(chǔ)的層流燃燒特性，不僅體現(xiàn)了燃料的放熱能力等基本燃燒性能；而且可以用于驗(yàn)證燃料的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，為湍流燃燒的深入研究提供重要數(shù)據(jù).因此，燃料的層流燃燒特性是目前進(jìn)行燃燒基礎(chǔ)研究的一個(gè)重要課題.

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)航空煤油的表征燃料開(kāi)展了大量的試驗(yàn)研究.肖保國(guó)等[7]在張若凌等[8]對(duì)航空煤油冷卻模擬的基礎(chǔ)上提出了摩爾分?jǐn)?shù)為79%正癸烷、13%三甲基環(huán)己烷和8%乙基苯的三組分RP-3 表征燃料.有研究提出以摩爾分?jǐn)?shù)為14%正癸烷、10%正十二烷、10%甲苯、30%異十六烷、36%甲基環(huán)己烷五組分RP-3 表征燃料并研究了其與乙醇摻混對(duì)預(yù)混火焰的影響，發(fā)現(xiàn)乙醇的化學(xué)效應(yīng)對(duì)層 流 燃 燒 速 度 的 影 響 最 大[9?12].DAGAUT 等[13?14]使用正癸烷、正丙苯、正丙基環(huán)己烷來(lái)表征航空煤油，提出了209 種組分與1 673 種反應(yīng)的氧化機(jī)理成功還原了煤油-氧氣-氮?dú)獾幕鹧娼Y(jié)構(gòu).DOOLEY 等[15?16]基于實(shí)際航空煤油的碳?xì)浔群托镣橹?，提出了一種以摩爾分?jǐn)?shù)為42.67%正癸烷、33.02%異辛烷、24.34%甲苯的三組分表征燃料，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)該三組分替代燃料的熄滅極限和點(diǎn)火特性進(jìn)行了驗(yàn)證.

由此可見(jiàn)，針對(duì)航空煤油的表征燃料層流燃燒特性已有大量的研究基礎(chǔ)，但針對(duì)乙醇與其表征燃料摻混的研究尚較缺乏.因此，文中的目標(biāo)是開(kāi)展乙醇摻混航空煤油表征燃料的層流燃燒特性研究.

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與分析方法

定容燃燒彈是目前最廣泛使用的層流燃燒速度測(cè)量裝置[17?19]，和其它裝置相比僅需少量的反應(yīng)物，且能承受更高的試驗(yàn)壓力.通過(guò)高速紋影攝像系統(tǒng)，可以獲取預(yù)混層流火焰半徑隨時(shí)間的變化規(guī)律，并且更容易捕捉球形火焰受拉伸效應(yīng)的影響.文中將選用定容燃燒彈進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn).

1.1 試驗(yàn)裝置

文中使用的測(cè)試系統(tǒng)如圖1 所示，由容彈主體、溫度控制系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、高速紋影攝像系統(tǒng)組成.容彈主體由不銹鋼制成，呈球形，密封性能良好，容彈設(shè)計(jì)可承受4 MPa 壓力、可耐受650 K 溫度，容彈的內(nèi)部容積為33.5 L.兩根直徑為1.5 mm 的鎢鋼電極間隔1.5 mm，對(duì)稱(chēng)布置在容彈上下兩側(cè).數(shù)據(jù)采集所使用的高速相機(jī)的幀率設(shè)置為10 000 fps，采集圖像分辨率為1 024×1 024.

圖1 層流燃燒測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of laminar combustion test

1.2 試驗(yàn)工況

為了便于分析驗(yàn)證，文中采用Dooley 的表征燃料配比（42.67%正癸烷、33.02%異辛烷、24.34%甲苯）與乙醇摻混來(lái)開(kāi)展混合燃料的層流燃燒特性研究[15?16].

液體燃料在實(shí)際試驗(yàn)研究中多使用體積參數(shù)，便于燃料的配制和使用，因此本研究中混合燃料乙醇的添加含量以體積參數(shù)為基準(zhǔn)，乙醇摻混比 β的定義：

式中：Vethanol和Vkerosene分別為配置燃料時(shí)乙醇和三組分表征燃料的體積.文中將用E0、E30、E60 分別表示摻混比為0%、30%、60%.試驗(yàn)工況參數(shù)如表1所示.

表1 試驗(yàn)工況表Tab.1 Experimental initial condition

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)中所用到的合成空氣為實(shí)驗(yàn)級(jí)（21% N2；79% O2）純度大于99.99%，液體燃料（乙醇；甲苯；正癸烷；異辛烷）純度大于99.5%.

試驗(yàn)操作如下：首先利用真空泵將容彈內(nèi)部抽至6 kPa 以下.使用微量進(jìn)液器抽取該工況下所需體積的燃料，開(kāi)啟容彈上的燃料注入閥門(mén)，將燃料通過(guò)閥門(mén)注入容彈內(nèi)腔，然后迅速關(guān)閉閥門(mén).靜置約5 min，待液體燃料充分汽化后打開(kāi)空氣進(jìn)氣閥門(mén)，向容彈內(nèi)腔緩慢地充入空氣至預(yù)設(shè)壓力值.靜置10 min，待混合物混合均勻后，使用點(diǎn)火系統(tǒng)同時(shí)觸發(fā)電極點(diǎn)火和相機(jī)拍攝，記錄預(yù)混火焰發(fā)展圖像.拍攝結(jié)束后，打開(kāi)排氣閥門(mén)，用新鮮空氣沖洗容彈，重復(fù)3 次以保證容彈內(nèi)部無(wú)燃料與廢氣殘留.檢查測(cè)試結(jié)果有效后存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，每個(gè)工況點(diǎn)重復(fù)3 次.

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用高速相機(jī)拍攝得到的火焰紋影圖像，通過(guò)將火焰原始圖像與背景圖像相減，得到火焰輪廓，利用canny 算子[20]對(duì)其進(jìn)行邊界掃描并通過(guò)球形火焰面積擬合得到火焰半徑Rf.如式(2)所示，通過(guò)求得的Rf求導(dǎo)即可得到拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣萐b.

式中，t為火焰?zhèn)鞑r(shí)間.火焰的拉伸率K定義為

對(duì)應(yīng)的，火焰的曲率 κ為

拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧胬炻手g的關(guān)系可以通過(guò)曲率模型[21]和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型[22]的非線性擬合公式外推得到無(wú)拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣?相關(guān)公式如下：

式中：Lb為馬克斯坦長(zhǎng)度，馬克斯坦長(zhǎng)度反映的是火焰速度對(duì)拉伸的敏感性.

文中通過(guò)擬合曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的吻合度選取擬合方法中較為合適的一種.

根據(jù)火焰前緣的質(zhì)量守恒定律，層流燃燒速度SL可以表示為

式中：ρb為易燃?xì)怏w密度；ρu為未燃?xì)怏w密度.

文中使用ChemKin17.0 中PREMIX 模塊，分別結(jié)合LI 等[23]提出的一種四組分燃料（正庚烷、異辛烷、甲苯、乙醇）的簡(jiǎn)化機(jī)理，KELLEY 等[24]提出的正癸烷骨架機(jī)理來(lái)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)預(yù)測(cè).通過(guò)對(duì)上述兩種機(jī)理的整合，初步形成了包含73 種組分和289 步基元反應(yīng)的正癸烷、異辛烷、甲苯、乙醇的四組分燃燒反應(yīng)模型，以匹配層流燃燒速度.計(jì)算中考慮Soret 效應(yīng)，允許最大網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為1 000，自適應(yīng)網(wǎng)格數(shù)量設(shè)為50，求解梯度與曲率均設(shè)為0.03.

1.5 誤差分析

在本研究的層流火焰速度測(cè)量過(guò)程中，存在以下不確定性來(lái)源，包括：燃料與空氣純度、注射器、壓力表精度、溫控系統(tǒng)精度、點(diǎn)火能量、熱輻射與壓力波、火焰數(shù)據(jù)后處理等因素，這些因素對(duì)層流火焰速度測(cè)量的不確定性的貢獻(xiàn)度可使用一維模型得到評(píng)估[25].

本研究中層流燃燒速度的不確定性由Moffat 理論[26]計(jì)算得到：

式中：M為試驗(yàn)的總次數(shù)；t(M?1)為自由度為M?1 的t分布在置信區(qū)間為95%所對(duì)應(yīng)的值；SSL為SL的標(biāo)準(zhǔn)差；系統(tǒng)不確定度GSL可以通過(guò)下式計(jì)算：

式中：xi為任何一個(gè)影響SL不確定度的變量；Oi為變量xi的誤差（包含當(dāng)量比，初始溫度和壓力[27]）.對(duì)此，燃料與空氣的純度均在99%以上，壓力表精度為±0.1 kPa，熱電偶精度為±1 K，燃料當(dāng)量比誤差范圍為±1.0～2.4%；火焰圖像最小像素點(diǎn)為1，后處理程序?qū)γ繋瑘D像的半徑計(jì)算值誤差約為0.11 mm，同時(shí)考慮到重復(fù)試驗(yàn)過(guò)程中的隨機(jī)誤差與系統(tǒng)誤差，層流火焰速度的試驗(yàn)測(cè)量的不確定度≤5%.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同摻混比對(duì)火焰特性的影響

圖2 顯示了初始溫度為470 K、初始?jí)毫?.1 MPa、當(dāng)量比為1.0 時(shí)，乙醇的摻混比分別為E0、E30、E60 時(shí)的層流火焰發(fā)展圖像.對(duì)比摻混乙醇時(shí)的燃料火焰圖像和未摻混乙醇時(shí)的火焰圖像，可以明顯地觀察到添加乙醇時(shí)同一時(shí)刻的火焰半徑更大，反映出乙醇這種含氧燃料的添加提升了航空煤油表征燃料的燃燒效果，使火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?同時(shí)，在火焰的發(fā)展初期，乙醇的添加不會(huì)使火核發(fā)生顯著變化，隨著燃燒過(guò)程的不斷進(jìn)行，乙醇對(duì)燃燒的促進(jìn)作用更加明顯.

圖2 不同摻混比下火焰?zhèn)鞑D像（p=0.1 MPa，T=470 K，Φ=1.0）Fig.2 Flame propagation images under different blending ratios (p=0.1 MPa, T=470 K, Φ=1.0)

圖3 為在初始溫度為470 K、初始?jí)毫?.1 MPa時(shí)，摻混比分別為E0、E30、E60 下的火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c火焰拉伸率的關(guān)系.圖中扇形面積（兩條虛線中間所夾的區(qū)域）表示所選擇的火焰半徑范圍為8?25 毫米.將規(guī)定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)通過(guò)擬合度最高的外推法得到無(wú)拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣?由圖可知，隨著乙醇摻混比的提升，未拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤傮w呈現(xiàn)上升趨勢(shì).E30 與E60 的未拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣认噍^E0 分別平均提升了5.59%與10.63%.在當(dāng)量比為1.1 時(shí)，拉伸率為0 的情況下，E30 與E60 的未拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e為4.5 m/s 與4.67 m/s，相較E0 分別提高了4.9%與8.9%.由此可見(jiàn)，乙醇的加入使火焰?zhèn)鞑ニ俣忍嵘@著.

圖3 不同摻混比時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c火焰拉伸率的關(guān)系Fig.3 The relationship between stretched flame propagation speed and stretch rate

通過(guò)式（7）即可將火焰?zhèn)鞑ニ俣绒D(zhuǎn)化為層流火焰燃燒速度，如圖4 所示，在試驗(yàn)誤差范圍內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的發(fā)展趨勢(shì)基本相同，即在當(dāng)量比為0.7～1.4 之間時(shí)，層流火焰燃燒速度先增大后減小，層流火焰燃燒速度最大值出現(xiàn)在略微高于化學(xué)計(jì)量數(shù)一側(cè)，本試驗(yàn)中的速度最大處為 ?=1.1時(shí)，不同的乙醇摻混比不影響這一變化趨勢(shì).隨著乙醇摻混比例的提高，層流火焰燃燒速度增大.然而仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在數(shù)值上存在較大偏差，模型計(jì)算值整體偏低，低當(dāng)量比的數(shù)據(jù)相差最大.為進(jìn)一步分析原因，文中將對(duì)層流火焰燃燒速度進(jìn)行敏感性分析.由于模型計(jì)算值與試驗(yàn)值之間的差異主要反映在不同的當(dāng)量比上，因此文中需要確定不同當(dāng)量比下影響多組分燃料的層流火焰燃燒速度的關(guān)鍵基元反應(yīng).

圖4 T=470 K、p=0.1 MPa 時(shí)不同摻混比下的層流火焰燃燒速度隨當(dāng)量比的變化Fig.4 Laminar burning velocities with equivalent ratio of various blending ratios when T=470 K、p=0.1 MPa

文中需要確定不同當(dāng)量比下影響多組分燃料的層流火焰燃燒速度的關(guān)鍵基元反應(yīng).

2.2 敏感性分析

在仿真軟件中通過(guò)對(duì)層流燃燒速度的敏感性分析，（即為通過(guò)給某一初始參數(shù)以微小變量?x，研究目標(biāo)參量（本研究為層流燃燒速度）的變化量?y），可以評(píng)價(jià)不同的基元反應(yīng)對(duì)溫度、壓力、摻混比等參數(shù)的敏感性，從而發(fā)現(xiàn)主導(dǎo)層流燃燒速度的關(guān)鍵基元反應(yīng)，并對(duì)主要基元反應(yīng)進(jìn)行修訂.無(wú)量綱質(zhì)量流量的敏感系數(shù)如下：

式中：ki為第i個(gè)元素反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率；mo為質(zhì)量燃燒流量.

文中使用敏感性分析方法，來(lái)確認(rèn)不同當(dāng)量比下影響E0 的層流火焰燃燒速度的關(guān)鍵基元反應(yīng)，結(jié)果如下圖5 所示.

圖5 初始機(jī)理的敏感性分析Fig.5 Sensitivity analysis of the initial mechanism

其中：反應(yīng)R67、R86、R162 的正敏感性系數(shù)最大，表明這3 個(gè)反應(yīng)對(duì)燃燒過(guò)程的影響作用最為顯著，這主要是因?yàn)镽67 和R162 是非常重要的鏈?zhǔn)椒种Х磻?yīng)，對(duì)反應(yīng)的起始階段有著極大的影響.相反，R84 是一個(gè)典型的鏈終止反應(yīng)，該反應(yīng)通過(guò)消耗反應(yīng)過(guò)程中的H 自由基，降低了反應(yīng)中H 自由基的濃度，對(duì)反應(yīng)起抑制作用.R203、R32 同樣會(huì)消耗H 自由基進(jìn)而抑制反應(yīng)的進(jìn)程.R89 這類(lèi)反應(yīng)通過(guò)將自由基轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的產(chǎn)物如CH4，抑制了層流火焰燃燒速度.

隨著當(dāng)量比的增加，R67、R190、R36 的正敏感系數(shù)逐漸增大，說(shuō)明其對(duì)層流火焰燃燒速度的影響作用在增強(qiáng)，高當(dāng)量比下對(duì)層流火焰燃燒速度能產(chǎn)生更大的影響；相反，R86 基元反應(yīng)在低當(dāng)量比下對(duì)層流火焰燃燒速度的影響作用更加顯著.對(duì)于負(fù)敏感系數(shù)下的反應(yīng)，R84 能抑制低當(dāng)量比下層流燃燒速度，高燃料濃度時(shí)的抑制效果明顯減弱.R203、R89、R32 這三個(gè)反應(yīng)在高當(dāng)量比時(shí)對(duì)層流火焰燃燒速度的抑制作用最為顯著，在低當(dāng)量比時(shí)幾乎不對(duì)火焰速度產(chǎn)生影響.R68 和R242 對(duì)燃料的濃度不敏感，不同當(dāng)量比下的負(fù)敏感性系數(shù)基本相同，對(duì)層流火焰燃燒速度的抑制作用無(wú)明顯變化.

2.3 機(jī)理修正

機(jī)理模型的修改參數(shù)主要是基于化學(xué)動(dòng)力學(xué)中用來(lái)定量地描述基元反應(yīng)過(guò)程速率的阿倫尼烏斯公式三參數(shù)阿倫尼烏斯公式為

式中：K為速率常數(shù)；R為摩爾氣體常量；T為熱力學(xué)溫度；Ea為表觀活化能；A為指前因子（也稱(chēng)頻率因子）.

綜合上述敏感性分析，結(jié)合不同當(dāng)量比下試驗(yàn)值與仿真的擬合結(jié)果，可以得知需要提升部分正敏感系數(shù)的反應(yīng)，使得層流火焰燃燒速度得到提升.同時(shí)，需要對(duì)部分負(fù)敏感系數(shù)的基元反應(yīng)進(jìn)行修正，使得整體層流火焰燃燒速度控制在合理范圍.

對(duì)此，參照多位學(xué)者[28?32]的相關(guān)研究，對(duì)原始整合機(jī)理中的部分反應(yīng)的系數(shù)（A，n，Ea）進(jìn)行了修正，表2 顯示了主要基元反應(yīng)的參數(shù).如圖6 所示，修正后的模型整體上有效提升了各工況下的層流火焰燃燒速度，低當(dāng)量比時(shí)的火焰速度提升幅度最大，但隨著乙醇摻混比的增高吻合度有所下降，高當(dāng)量比下的速度提升微弱，在當(dāng)量比處于化學(xué)計(jì)量數(shù)附近時(shí)，火焰速度的仿真結(jié)果略微高于試驗(yàn)值.總的來(lái)說(shuō)，修正后的新模型計(jì)算得到的層流火焰燃燒速度與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合度更高，這與前文中有關(guān)基元反應(yīng)的敏感性分析一致，符合預(yù)期結(jié)果.

表2 修正前后主要基元反應(yīng)系數(shù)的對(duì)比Tab.2 Comparison of Modified Primitive Response Coefficients

圖6 修正后的機(jī)理與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比Fig.6 Comparison of the revised mechanism with experimental data

3 結(jié) 論

文中討論了采用定容燃燒彈測(cè)量初始溫度470 K，初始?jí)毫?.1 MP，摻混比為E0、E30、E60，當(dāng)量比0.8～1.4 下航空煤油表征燃料與乙醇摻混的層流火焰.通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)：

①乙醇的加入顯著提升了航空煤油的層流火焰燃燒速度.

②通過(guò)現(xiàn)有的整合的機(jī)理發(fā)現(xiàn)仿真值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的吻合度較差，通過(guò)對(duì)當(dāng)量比的敏感性分析，對(duì)4 個(gè)基元反應(yīng)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，修改得到新機(jī)理模型，新機(jī)理模型計(jì)算得到的層流火焰燃燒速度與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合度更高.