不同重力状况下甲烷、乙烯燃烧数值模拟研究

徐 靖，梁晓玲

（河海大学 文天学院，安徽 马鞍山 243031）

不同重力状况下甲烷、乙烯燃烧数值模拟研究

徐 靖，梁晓玲

（河海大学 文天学院，安徽 马鞍山 243031）

为了解碳氢燃料燃烧的特性及其产物生成特性，本文对甲烷、乙烯燃料在空气气氛下燃烧的过程以及产物的特性进行模拟，分析了在不同重力条件下，温度的分布以及各产物的分布.模型很好地预测了扩散火焰结构的基本特征，包括温度场分布、碳黑容积份额分布等；随着重力加速度从1g到0g降低，火焰的外部结构、温度场、碳黑容积份额、气体组份浓度等发生了明显变化.

甲烷；乙烯；层流火焰；燃烧特性

对于燃烧科学的研究而言，开展微重力环境对燃烧现象的影响有多种优势：认识减弱或消除浮力引起的自然对流情况下的燃烧特性，通过比较更好的认识重力对燃烧的影响；可显示重力环境下被浮力所遮盖的流动规律；可克服重力沉降的影响，专注液滴和固体颗粒悬浮过程的研究，除了开展基本的燃烧现象和规律研究之外，载人航天飞行器的防火安全研究便是微重力研究深刻的工程应用背景.因此，前苏联和美国两大空间技术强国对微重力相关的燃烧科学进行了大量的理论和实验研究工作，并取得了相关的科研成果及丰富的实验数据.

对于层流扩散火焰，模拟程序采用气体非灰辐射模型[1]和碳黑生长模型[2]相结合的方法，对火焰的温度、碳黑的生成、以及不同重力下条件下的燃烧特性进行了模拟研究.

1 模型建立

采用参考文献[3]中所用模型，在大气压下的层流轴对称同向流乙烯-空气/甲烷-空气扩散火焰作为探究主体，对常重力与微重力下伴流气体流速与重力影响火焰结构与碳黑情况进行观察，火焰结构示意图参见图1.

图1 二维轴对称层流扩散火焰结构示意图

251（z）×133（r）是火焰区域网络细分的单个控制体，并在r和z方向中都运用非均匀网格划分，一方面节约了计算时间，另一方面提升了大梯度范围的分辨率.R方向中置入细微的网格（分辨率在0.165mm上升到2.25mm）同时与燃烧器出口z方向都非常接近（分辨率从0.175mm提高到0.649mm).在对网格更精确的检查中能够将计算结果造成的影响忽略.加入设定进口燃料速度是抛物剖面，同时边界层剖面设置为空气流速，该进口的温度是300K.对称边界是中心线，自由滑移边界是外部的径向边界的设置，出口边界是零梯度.并在对辐射换热阶段展开计算，该温度是300K.直径是10.9mm的管中燃料不断流出，并且乙烯、甲烷的速度分别是3.26cm/s、6.5cm/s，燃料管与空气管中的环面中有空气流出，该流速分别是77.6cm/s、5cm/s.本文采用四个工况，具体参见表1.需要明确的是，甲烷流速（6.5cm/s）是表中乙烯流速（3.25cm/s）的一半，由于乙烯分子中的碳原子有两个，但甲烷中碳原子只有一个，若乙烯流速与甲烷流速都保持一致（6.5cm/s），乙烯的火焰高度突出，所以为了进行两者对比，本章中乙烯流速应当设定为甲烷流速的一半.

2 结果分析

图2（a）、（b）的温度分布，反映的是燃烧后甲烷、乙烯两种重力、空气流速固定（77.6cm/s）条件下的温度分布.反映的是1g工况下火焰的状态，可以通过观察看出呈现细瘦的形态分布，这种形成是受到浮力引起流向加速度因素影响的.如果将重力加速度值降到0g，观察火焰的形状，呈现胖肥状态的原因是径向向轴心的动量值小.火焰的状态实质上是由对流、扩散两个因素来决定的.通过观察以上两图并进行数据分析可以看出，火焰最高温（＞1900K）是其下部的环形区域，而非焰舌部位.Walsh等人[4]通过分析火焰最大值区域，发现影响这一区域的因素是重力水平，二者的下降程度存在正比例关系，这两个图的趋势可以体现.同时随着重力加速度值减小，随之减小的是火焰最高温度和火焰中心上部区域温度.将以上两图对比不难发现，两种燃料的火焰结构和最高温度都是有一定差异的.相比于实际燃烧中温度的检测，模拟计算火焰高度和实际测量火焰高度基本吻合，但计算火焰温度最大值远远高于实际测量值，原因可能是因为在实际测量中运用的是空气压缩机，是被压缩的空气中含有不同组分的气体所导致.

图2 燃料为甲烷、乙烯在空气流速为77.6cm/s时两种不同重力下的温度分布

燃料为甲烷、乙烯、空气流速为77.6cm/s时两种不同重力下的碳黑份额分布分别由图4、图5给出.首先，随着重力加速度减小，火焰在径向变宽且体积增大，这导致火焰发射了大量的热辐射从而降低了火焰上部位的温度（如图4、图5）.其次，乙烯火焰在径向增宽不如甲烷火焰变化明显，乙烯火焰生成碳黑最大份额要比甲烷火焰大的多，两者相差一个数量级.不论是甲烷火焰还是乙烯火焰，零重力下的碳黑份额最大值约为常重力下的两倍，这与Konsur等人[5]的实验结论一致，导致这一变化的原因是由零重力下生成的碳黑颗粒停留时间较长造成的.需要指出的是，碳黑的形成不但与燃料种类相关，还受燃料流速、火焰结构、温度场以及停留时间等因素的影响，碳黑的生成是与很多因素有关的，例如燃料的流速、燃烧时火焰的形态以及结构，而扩散火焰中产生的碳黑份额最大时，即生长速度远远大于氧化速度的时候.

图3 燃料为甲烷、乙烯在空气流速为77.6cm/s时两种不同重力下的碳黑份额分布

对于低空气流速情况，图4（a）、（b）分别模拟了燃料为甲烷、乙烯、空气流速为5cm/s时两种不同重力下的温度分布.值得注意的是，图中的火焰径向宽度特别大.与高空气流速情况（图3）相比，随重力加速度的减小火焰高度有所增加，火焰最高温度减小量特别明显.所以，空气流速对火焰温度和火焰结构有着重要的影响，特别是在微重力情况下.即使在常重力下，空气流速从77.6cm/s到5cm/s，火焰最高温度也下降了近20K.温度降低主要发生在火焰较低的环形区域，导致这一现象的原因在于阻力时间的增加加重了由辐射换热而导致的热量损失.

图4 燃料为甲烷、乙烯在空气流速为5cm/s时两种不同重力下的温度分布

空气流速较低情况下，甲烷、乙烯、空气流速为5cm/s时两种不同重力下的碳黑容积份额分布如图5（a）、（b）所示.值得注意的是，在零重力下，甲烷火焰变得特别宽，并且在火焰两边有碳黑空白区域，这与Urban等人[6]的发现一致；而乙烯火焰变得特别长，这是由乙烯火焰在微重力情况下产生大量烟造成的.对于给定的重力加速度，火焰可见高度随空气伴流速度的减小而降低.甲烷火焰的碳黑最大容积份额随重力加速度的减小而降低，这与高空气伴流速度（图4）时的情况不同，这归因于较胖火焰结构和较长的驻留时间造成了较多辐射热源损失.同时，甲烷火焰结构与其它情况更是明显不同，这一现象需要进一步的实验和模拟研究.对于乙烯火焰，在微重力下的碳黑最大容积份额（72.41ppm）要比常重力下的值（9.19ppm）大的多.

图5 燃料为甲烷、乙烯在空气流速为5cm/s时两种不同重力下的碳黑容积份额分布

为了火焰结构对燃烧产物的影响，图6（a）、（b）分别给出了燃料为甲烷、乙烯、空气流速为5cm/s时两种不同重力下的一氧化碳浓度分布情况.由图可知，随着重力加速度的减小，CO的浓度在降低，且分布变化也很大.浓度最大值分布区域随重力加速度减小而变短，变胖，这与火焰温度分布变化相似.

图6 燃料为甲烷、乙烯在空气流速为5cm/s时两种不同重力下的一氧化碳浓度分布

3 小结

本章采用复杂的热特性与传输特性，将统计窄谱带关联K模型应用于二维轴对称层流乙烯-空气/甲烷-空气扩散火焰数值模拟中，并考虑了重力加速度对火焰的影响.从模拟结果看，可得出以下结论：

(1)模型很好地预测了扩散火焰结构的基本特征，包括温度场分布、碳黑容积份额分布等；

(2)随着重力加速度从1g到0g降低，火焰的外部结构、温度场、碳黑容积份额、气体组份浓度等发生了明显变化；

(3)随重力加速度从1g到0g变化，对于高空气伴流速度(vA=77.6cm/s)，甲烷火焰、乙烯火焰的结构、温度、碳黑份额变化趋势相似：火焰径向变宽，最高温度降低，最大碳黑容积份额增大；对于低空气伴流速度(vA=5cm/s)，甲烷火焰、乙烯火焰的温度变化趋势相似，碳黑容积份额变化趋势相反，碳黑容积分布结构迥异；

(4)对于同一重力加速度，随着空气伴流速度的减小，火焰最高温度降低，微重力下的降低程度要比常重力下大；甲烷火焰的最大碳黑容积份额随空气伴流速度的减小而减小，而乙烯火焰的最大碳黑容积份额随空气伴流速度的减小而增大，同样，微重力下的变化程度要比常重力下大.

综上所述，本章得到了一些有意义的数值结果，这对以后的实验工作具有一定的指导意义.

〔1〕楚化强.高效、高精度气体非灰辐射模型的研究[D].武汉：华中科技大学.

〔2〕钟北京，刘晓飞.碳黑颗粒生长模型的初步研究[J].工程热物理学报 (社会科学版)，2004（9）：894-896.

〔3〕艾育华.基于辐射成像的扩散火焰温度和烟黑浓度分布研究[D].武汉：华中科技大学.

〔4〕Walsh K T,Fielding J,Smooke M D and Long M B.Experimental and computational study of temperature,species,and sootin buoyant and non–buoyant co?ow laminar diffusion?ames[J].Proc.Combust.Inst.,2000,28 (2):1973-1979.

〔5〕Konsur B,Megaridis C M,Grif?n D W.Fuel preheat effects on soot-?eld structure in laminar gas jet diffusion?ames burning in 0-g and 1-g[J].Combustion and Flame,1999,116(3): 334-347.

〔6〕Urban D L,Yuan Z G,Sunderland P B,et al.Smoke-point properties of non-buoyant round laminar jet diffusion flames[J].Proc.Combust.Inst.,2000,28(2):1965–1972.

TQ038

A

1673-260X（2017）01-0003-03

2016-10-25