碳酸二甲酯层流火焰特性的实验和数值研究

于会宾,胡二江,杨柯,黄佐华

(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室, 710049, 西安)

碳酸二甲酯层流火焰特性的实验和数值研究

于会宾,胡二江,杨柯,黄佐华

(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室, 710049, 西安)

在定容燃烧弹上,利用高速纹影摄像系统对碳酸二甲酯(DMC)的预混层流燃烧特性进行了研究,获得了不同温度、压力和当量比下的层流燃烧速度、马克斯坦长度和胞状结构的临界半径,同时对火焰不稳定性进行了理论分析。研究表明:层流燃烧速度随当量比的增加先提高后下降,在当量比为1.1时达到峰值;层流燃烧速度随初始温度的升高而提高,随初始压力的增加而降低;马克斯坦长度、临界火焰半径随当量比和压力的增加而减小,表明火焰不稳定性随初始压力和当量比的增加而增强;临界贝克来数Pe随当量比的增加而减小。利用Chemkin软件对预混层流燃烧速度进行了数值模拟,结果显示,Glaude机理对DMC层流燃烧速度的模拟值与实验测量值有较大偏差,表明该机理不能很好地预测DMC的层流燃烧速度。

碳酸二甲酯;层流燃烧速度;马克斯坦长度;火焰不稳定性

全球能源的紧缺、环境污染的加剧和排放法规的日益严格使清洁代用燃料的研究获得了越来越多的关注。对柴油机而言,NOx和颗粒物是主要的排放污染物,其中颗粒物排放近年来越来越受到重视。许多学者致力于提高柴油机的性能和降低柴油机的排放,然而同时降低颗粒物和NOx排放是十分困难的。研究表明,含氧燃料的添加可以显著降低颗粒物排放,同时在一定程度上降低NOx排放[1-3]。碳酸二甲酯(DMC)具有含氧量较高(占总质量53.3%)、与柴油互溶性好等优点,因此可成为良好的柴油添加剂。Zhang等人研究了DMC添加剂对柴油机性能的影响,指出合适的喷油时刻可以在显著降低颗粒物排放的同时降低NOx排放[4]。Cheung等人对柴油和DMC的混合物在欧V柴油机上的排放特性进行了研究,指出燃用该混合燃料显著降低了颗粒物排放,同时对HC、NOx的排放影响非常小[5]。DMC基础燃烧特性的研究对于其在发动机上的应用具有一定的指导意义,但是目前对DMC基础燃烧特性的研究却很少。

层流燃烧速度是燃料的一个重要的物性参数,也是研究湍流燃烧的基础,还可以用来验证化学反应机理和优化发动机设计[6]。Bilde等人开展了大气压下DMC与OH自由基反应速率常数的测量,指出该速率常数具有较弱的温度依赖性,DMC与OH自由基反应缓慢[7]。Tundo等人对DMC的化学特性进行了研究,指出其反应性是可变的,363 K是反应性变化的一个分界点[8]。Sinha等人在大气压下利用对冲扩散火焰进行了组分和温度的测量,指出DMC火焰主要的中间基是甲醛[9]。Glaude等人发展了DMC的动力学机理,且与对冲扩散火焰组分数据进行了对比,模拟数据与实验数据吻合得很好[10]。现有文献中并没有DMC层流燃烧速度的实验数据,本文采用定容燃烧弹和Chemkin软件对DMC在不同温度和压力下的层流燃烧速度进行了实验研究与数值模拟,以及混合气系统状态参数(当量比、温度和初始压力)对层流燃烧速度和火焰不稳定性的影响,以期为进一步加深对火焰传播和火焰不稳定性的理解、DMC的清洁高效利用提供理论基础。

1 实验和计算方法

1.1 实验装置和方法

实验装置描述见文献[11]。本文采用定容燃烧弹系统来测量层流燃烧速度,该系统由定容燃烧弹、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。实验中定容燃烧弹的内径为180 mm,容积为5.5L。容弹体的两个端面装有直径为80 mm的石英玻璃视窗,为纹影系统提供光学通路,容弹内的中心电极点燃混合气。实验中使用了美国Redlake公司生产的型号为HG-100K的高速摄像机,拍摄速度为1万幅/s;使用加热带将容弹内温度加热到实验工况并且保持稳定,容弹内的温度由热电偶测得,精度为±2 K。O2和N2根据相应分压进气,混合气保持5min(混合均匀)后点火。为确保实验数据的可靠性,每种工况重复3次。

实验中DMC液体燃料由微型计量器注入容弹,且在容弹内高温条件下可迅速气化。实验所用的DMC纯度为无水级,质量分数≥99%;空气由纯度(质量分数)为99.99%的N2和纯度为99.99%的O2根据79∶21的比例配制。定容燃烧弹实验工况:当量比φ为0.7～1.6,初始温度Tu为373～473 K,初始压力Pu为0.1～0.5MPa。

1.2 计算方法和化学反应机理

利用化学反应动力学软件Chemkin中的Premix模块对DMC进行了层流燃烧特性的模拟和分析,计算层流燃烧速度所用的化学反应机理为Glaude[10]等人发展的机理(以下简称Glaude机理),该机理包括102个物种和442个反应,已用扩散燃烧的组分数据进行了验证。

2 实验结果与分析

2.1 系统验证

图1给出了异辛烷-空气在初始压力为0.1 MPa、初始温度为373 K时的层流燃烧速度及其与Varea等人[16]、Galmiche等人[17]实验数据的对比。从图中可以看出,本实验结果与前人实验数据在较宽范围的当量比φ下吻合很好,从而证明了本实验系统的可靠性。

图1 异辛烷-空气的层流燃烧速度

2.2 层流燃烧速度及数值模拟

图2给出不同初始温度和压力下DMC-空气混合气在当量比为1.0时的火焰半径随时间的变化。从图中可以看出,火焰半径与时间呈线性关系。火焰传播速度随初始温度的增加而增加,随初始压力的增加而减小。

(a)不同的初始温度下

(b)不同的初始压力下

图3给出了不同初始温度和压力下拉伸火焰传播速率随拉伸率的变化。从图中可以看出,拉伸火焰传播速率与拉伸率之间呈线性关系。拉伸率随火焰半径的增加而减小,火焰半径趋向于无穷大时,拉伸率趋向于0。拉伸火焰传播速率外推至拉伸率为0时可获得无拉伸火焰传播速率。

(a)不同的初始温度下

(b)不同的初始压力下

图4给出了不同初始温度和压力下层流燃烧速度的测量值和模拟值随当量比的变化。从图中可以看出,模拟值与测量值之间存在较大的偏差,说明Glaude机理不能很好地预测DMC的层流燃烧速度,因此该机理有待于进一步修正。从图中还可看出,在不同初始压力和温度下,层流燃烧速度均在当量比为1.1时到达峰值。此外,随着初始压力的增加,层流燃烧速度的下降幅度减小。

研究表明,绝热火焰温度是影响层流燃烧速度的主导因素[18]。图5给出了不同初始温度和压力下绝热火焰温度随当量比的变化。从图中可以看出,绝热火焰温度随初始温度和压力的增加而增加。此外,相对于初始压力的变化,绝热火焰温度对初始温度的变化较敏感。

(a)不同的初始温度下

(b)不同的初始压力下

(a)不同的初始压力下

(b)不同的初始温度下

图6给出了当量比为1.0时3种初始压力和温度下的敏感性分析。从图中可以看出,主要的链分支反应和链终止反应对于初始温度和压力的变化比较敏感。Glaude机理于2005年提出,其中一些基元反应的动力学参数是类比其他燃料机理获得的,其对DMC层流燃烧速度的模拟值与实验值存在较大偏差的原因,可能是基元反应的动力学参数不够准确。

2.3 火焰不稳定性分析

影响火焰不稳定性的因素在3个方面,即热扩散不稳定性、流体动力学不稳定性、浮力不稳定性。在实验工况下,DMC的浮力不稳定性影响很小,因此以下仅讨论热扩散不稳定性和流体动力学不稳定性。

火焰前锋面的密度变化会造成流体动力学不稳定,在高压时更为显著,可以通过火焰厚度δ和密度比σ来分析流体动力学不稳定性[19],δ=(λ/cP)/(ρuul),σ=ρu/ρb。火焰厚度的减小和密度比的增大都会增强流体动力学不稳定性。

热扩散不稳定性是由热量与质量的不等扩散引起的,可通过Lewis数Le(热扩散系数与质量扩散系数的比值)来表征[20]。一般而言,当Le>1时火焰前锋面胞状结构受到抑制,Le<1时火焰前锋面趋向于不稳定。

马克斯坦长度Lb可表征火焰拉伸对火焰传播的影响,也是反映火焰不稳定性的重要参数之一。马克斯坦长度为负值时对应不稳定的火焰前锋面结构,为正值时对应稳定的火焰前锋面结构。在火焰发展过程中,马克斯坦长度越大,火焰稳定性越好。

图7给出了3种初始压力下马克斯坦长度随当量比的变化。从图中可以看出,马克斯坦长度随当量比和初始压力的增加而减小,表明火焰不稳定性随当量比和初始压力的增加而增强。

图7 马克斯坦长度随当量比的变化

表1给出了部分工况下的Le。由表1可以看出,随着初始压力的增加,Le基本不变,表明热扩散不稳定性对初始压力的变化不敏感。

表1φ=1.2、Tu=423 K时的压力纹影

图8和图9分别给出了3种压力下密度比和火焰厚度随当量比的变化。从图中可以看出:密度比随初始压力的增加而增加,但是增加量非常小;火焰厚度随初始压力的增加而减小,且变化趋势非常明显。这表明随着初始压力的增加,火焰流体动力学不稳定性增强。综合对Le的分析可以得出,初始压力的增加导致火焰流体动力学不稳定性增强的主要原因是火焰厚度减小。从图中还可以看出:密度比与火焰厚度随当量比的变化呈相反的趋势,密度比随当量比的增加先增大后减小,在φ=1.1时达到最大;火焰厚度随当量比的增加先减小后增大,在φ=1.1时最小。

图8 密度比随当量比的变化

图9 火焰厚度随当量比的变化

图10给出了初始压力为0.3、0.5MPa时胞状不稳定性的临界火焰半径Rcr和临界Peclet数Pe随当量比的变化。在本文中采用Bradley等人的第二种定义方法[21]获得Rcr,即小于分支裂纹的胞状结构自发、均匀地遍布火焰表面。临界Pe或Rcr与δ的比值也可以反映火焰不稳定性。从图中可以看出,Rcr随当量比和初始压力的增加而减小,表明火焰胞状结构提前出现,即火焰胞状不稳定性增强。对于稀混合气,热扩散不稳定性受到抑制(Le>1),火焰很难发展成胞状结构。与临界半径一样,临界Pe随当量比的增加而减小,表明火焰不稳定性增强。

(a)随临界半径的变化

(b)随临界Pe的变化

3 结 论

利用定容燃烧弹和Chemkin软件开展了DMC层流燃烧速度的实验与数值研究,同时结合火焰纹影图片开展了火焰不稳定性的研究,获得的主要结论如下。

(1)通过实验获得了高温、高压条件下DMC的层流燃烧速度,DMC的层流燃烧速度随当量比的增加先增加后减小,在φ=1.1时达到峰值。DMC的层流燃烧速度随初始温度的增加而增加,随初始压力的增加而减小。

(2)Glaude机理对DMC层流燃烧速度的模拟值与实验测量值有较大偏差,说明该机理不能很好地预测DMC的层流燃烧速度,有待于进一步修正。

(3)马克斯坦长度随当量比和初始压力的增加而减小,表明火焰不稳定性随初始压力和当量比的增加而增强。

(4)临界火焰半径随当量比和初始压力的增加而减小,表明火焰胞状不稳定性增强。临界Pe随当量比的增加而减小,进一步表明火焰胞状不稳定性增强。

[1] ZHU R, MIAO H, WANG X, et al.Effects of fuel constituents and injection timing on combustion and emission characteristics of a compression-ignition engine fueled with diesel-DMM blends [J].Proceedings of the Combustion Institute, 2013, 34(2): 3013-3020.

[2] RAKOPOULOS D C, RAKOPOULOS C D, GIAKOUMIS E G, et al.Characteristics of performance and emissions in high-speed direct injection diesel engine fueled with diethyl ether/diesel fuel blends [J].Energy, 2012, 43(1): 214-224.

[3] CHEN Z, LIU J, HAN Z, et al.Study on performance and emissions of a passenger-car diesel engine fueled with butanol-diesel blends [J].Energy, 2013, 55: 638-646

[4] ZHANG G, LIU H, XIA X, et al.Effects of dimethyl carbonate fuel additive on diesel engine performances [J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers: Part D Journal of Automobile Engineering, 2005, 219(7): 897-903.

[5] CHEUNG C, ZHU R, HUANG Z.Investigation on the gaseous and particulate emissions of a compression ignition engine fueled with diesel-dimethyl carbonate blends [J].Science of the Total Environment, 2011, 409(3): 523-529.

[6] AUNG K T, HASSAN M I, FAETH G M.Flame stretch interactions of laminar premixed hydrogen/air flames at normal temperature and pressure [J].Combustion and Flame, 1997, 109(1/2): 1-24.

[7] BILDE M, MØGELBERG T, SEHESTED J, et al.Atmospheric chemistry of dimethyl carbonate: reaction with OH radicals, UV spectra of CH3OC (O) OCH2and CH3OC (O) OCH2O2radicals, reactions of CH3OC (O) OCH2O2with NO and NO2, and fate of CH3OC (O) OCH2O radicals [J].The Journal of Physical Chemistry: A, 1997, 101(19): 3514-3525.

[8] TUNDO P, SELVA M.The chemistry of dimethyl carbonate [J].Accounts of Chemical Research, 2002, 35(9): 706-716.

[9] SINHA A, THOMSON M J.The chemical structures of opposed flow diffusion flames of C3 oxygenated hydrocarbons (isopropanol, dimethoxy methane, and dimethyl carbonate) and their mixtures [J].Combustion and Flame, 2004, 136(4): 548-556.

[10]GLAUDE P A, PITZ W J, THOMSON M J.Chemical kinetic modeling of dimethyl carbonate in an opposed-flow diffusion flame [J].Proceedings of the Combustion Institute, 2005, 30(1): 1111-1118.

[11]TANG C, HE J, HUANG Z, et al.Measurements of laminar burning velocities and Markstein lengths of propane-hydrogen-air mixtures at elevated pressures and temperatures [J].International Journal of Hydrogen Energy, 2008, 33(23): 7274-7285.

[12]LAMOUREUX N, DJEBAILI-CHAUMEIX N, PAILLARD C E.Laminar flame velocity determination for H2-air-He-CO2mixtures using the spherical bomb method [J].Experimental Thermal and Fluid Science, 2003, 27(4): 385-393.

[13]BRADLEY D, LAWES M, LIU K, et al.Laminar burning velocities of lean hydrogen-air mixtures at pressures up to 1.0 MPa [J].Combustion and Flame, 2007, 149(1): 162-172.

[14]BRADLEY D, GASKELL P, GU X.Burning velocities, Markstein lengths, and flame quenching for spherical methane-air flames: a computational study [J].Combustion and Flame, 1996, 104(1/2): 176-198.

[15]CHEN Z, BURKE M P, JU Y.Effects of compression and stretch on the determination of laminar flame speeds using propagating spherical flames [J].Combustion Theory and Modelling, 2009, 13(2): 343-364.

[16]VAREA E, MODICA V, VANDEL A, et al.Meas-urement of laminar burning velocity and Markstein length relative to fresh gases using a new postprocessing procedure: application to laminar spherical flames for methane, ethanol and isooctane/air mixtures [J].Combustion and Flame, 2012, 159(2): 577-590.

[17]GALMICHE B, HALTER F, FOUCHER F.Effects of high pressure, high temperature and dilution on laminar burning velocities and Markstein lengths of iso-octane/air mixtures [J].Combustion and Flame, 2012, 159(11): 3286-3299.

[18]LAW C K.Combustion physics [M].Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2006.

[19]LANDAU L.On the theory of slow combustion [M]∥Dynamics of curved fronts.San Diego, USA: Academic Press, 1988: 403-411.

[20]LAW C K, SUNG C J.Structure, aerodynamics, and geometry of premixed flamelets [J].Progress in Energy and Combustion Science, 2000, 26(4/5/6): 459-505.

[21]BRADLEY D, SHEPPART C G W, WOOLLEY R, et al.The development and structure of flame instabilities and cellularity at low Markstein numbers in explosions [J].Combustion and Flame, 2000, 122(1/2): 195-209.

(编辑 苗凌)

ExperimentalandNumericalResearchonLaminarBurningCharacteristicsofPremixedDimethylCarbonate/AirFlames

YU Huibin,HU Erjiang,YANG Ke,HUANG Zuohua

(State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Experiment was conducted in a constant volume combustion chamber by high-speed schlieren photograph system.The unstretched laminar burning velocity, Markstein length and cellular critical radius of dimethyl carbonate (DMC) were obtained under different conditions of temperatures, pressures and equivalence ratios.Flame instabilities was also analyzed.The results show that the unstretched laminar burning velocity increases firstly then decreases with the increasing equivalence ratio and gets the peak at the equivalence ratio of 1.1; it also increases with the increasing initial temperatures and decreases with the increase of initial pressures.The Markstein length and cellular critical radius decrease with the increasing equivalence ratio and pressures to indicate that flame instabilities are enhanced with the increasing equivalence ratio and pressures, and the critical Peclet number decreases with the increasing equivalence ratio.The numerical simulation by Glaude mechanism and Chemkin program reveals that the mechanism is unable to predict the unstretched laminar burning velocity very well.

dimethyl carbonate; unstreched laminar burning velocity; Markstein length; flame instabilities

2014-03-29。

于会宾(1988—),男,博士生;胡二江(通信作者),男,副教授。

国家自然科学基金资助项目(51306144);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目。

时间:2014-09-01

10.7652/xjtuxb201411005

TK16

:A

:0253-987X(2014)11-0025-07

网络出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140901.1109.010.html