甲烷二次燃烧火焰传播速度的数值模拟研究

史增凯，席文雄，金 星，张玉坤

0　引言

二次燃烧自点火是常见热力设备和高速推进燃烧室内的重要现象，在能源、材料、推进领域中有着广泛的应用[1～3]。在传统燃烧室中，常利用二次燃烧现象，提高能源利用效率，实现尽可能完全的燃烧，从而减少尾气污染，如HCCI发动机中废气循环技术；二次燃烧现象也存在重大安全隐患，如在燃油、燃气和煤粉炉中，它会使尾部受热面超过容许热强度，从而使空气预热器和省煤器等过热变形或者烧坏。

实际研究中，二次燃烧处于一次燃烧产生的高温、贫氧尾流中，且受复杂流动及物质化学动力学效应的耦合影响。德国宇航中心Julia M.Fleck等[4]研究了高压污染空气（15bar，1173K，200m/s）来流下不同比例氢气/天然气（NG）/氮气射流自点火过程，研究表明较小的NG分数会增加点火延迟时间，致使火核远离喷嘴，而当增加氢气或减少天然气时，点火延迟时间减小，火核更加接近燃料喷嘴；剑桥大学J.Sidey等人[5]发现甲烷横向射流自点火中，在来流温度处于1234K-1838K，氧气摩尔分数处于3.7%～8.7%范围内的组合下，自点火火焰能到稳定；康涅狄克大学Jason A.Wagner等[6]对预混乙烯/空气在贫油燃烧产物中的二次燃烧火焰研究中，重点考察了迎风侧和背风侧火焰稳定位置在不同时刻变化情况。

上述研究表明，一次燃烧尾气温度、成分对二次燃烧有着重要影响，但研究更多集中于定性分析实验现象，目前尚未理解二次燃烧自点火机制。因而本文借助CHEMKIN软件从化学动力学角度[7]模拟研究了不同当量比下甲烷贫燃燃烧产物再次与补充的甲烷气体掺混时发生的二次燃烧自点火现象，重点研究当量比和甲烷添加量对二次燃烧火焰传播速度的影响规律。

1　研究方案

火焰传播速度指火焰前锋沿其法线方向相对于未燃可燃混合气的推进速度，表征了火焰前锋在空间的移动速度，是研究火焰稳定性的重要数据之一。本文主要借助CHENKIN中相应模块，分为以下两个部分：①采用平衡器计算甲烷与空气在贫燃工况下燃烧产物的绝热火焰温度和产物中各组分浓度；②采用火焰速度反应器参数化研究上述燃烧产物中添加不同量甲烷时的一维预混火焰的火焰传播速度。

火焰传播速度的计算包含三个反应器模型——入口、火焰速度反应器和出口。具体来说，即把平衡器计算获得的不同当量比Φ1甲烷贫燃燃烧产物的摩尔分数和添加甲烷量M1作为入口中物质的初始摩尔分数，把平衡器计算获得的绝热火焰温度T1作为未燃气温度T2，从而得到自点火火焰传播速度的变化情况。局部当量比Φ2定义为反应器中添加甲烷量与贫燃燃烧产物中所余氧气的当量比。本文主要关注当量比Φ1和甲烷添加量M1对火焰传播速度的影响规律。

数值模拟中采用甲烷燃烧的详细化学反应机理GRI-Mech3.0，机理包含了53种组分和325个化学反应；计算所涉及的空气组成为氮气：氧气=79：21，忽略空气中的二氧化碳、水等成分，压力值均为1atm。

2　数值模拟结果及分析

2.1　当量比对火焰传播速度的影响

本文平衡器计算得出了不同当量比Φ1时甲烷贫燃燃烧产物中各组分摩尔分数及绝热火焰温度，以此为火焰速度反应器的入口条件，在甲烷添加量M1=0.05时计算所得不同当量比Φ1时绝热火焰温度、局部当量比及火焰传播速度如表1所示，其中v表示火焰传播速度。

表1　不同当量比时绝热火焰温度、局部当量比及火焰传播速度（M1=0.05）Tab.1 Adiabatic flame temperature，localequivalence ratio and flame propagation velocity at different equivalence ratios.（ M1=0.05）

由表1知，随着当量比Φ1由0.3增加到0.5，火焰传播速度由235.18cm/s增加到577.67cm/s；之后随着当量比增加到0.7，火焰传播速度逐渐下降至148.00cm/s；但当Φ1=0.8时火焰传播速度又骤增至181.03cm/s，而Φ1进一步增加到0.9，无火焰传播，即自点火不成功。结合不同当量比时绝热火焰温度与局部当量比，分析表明：局部当量比处于1附近时，火焰传播速度达到最大，而局部当量比过低或过大时，无火焰产生，自点火失败；在Φ1=0.8时，尽管局部当量比为2.70，大于Φ1=0.7时的1.75，火焰传播速度却突然升高，本文推测是此时绝热火焰温度即反应器内未燃混合气温度较高的原因。

为了确定未燃混合气温度T2对火焰传播速度的影响规律，接下来只选取当量比Φ1=0.3、T0=300K时甲烷贫燃燃烧产物（T0表示平衡器初始温度），而不考虑未燃气温度改变带来的平衡组分改变，并向其中添加甲烷的摩尔分数M1=0.1，又已知此工况下绝热火焰温度T1=1066K，火焰传播速度与未燃混合气温度T2的关系曲线如图1。由图像看出，当T2=400K时，火焰传播速度为4.91cm/s，而当T2=1000K时，其为138.66cm/s，增长了约28倍，表明随着未燃气温度的升高，火焰传播速度显著增加。

图1　火焰传播速度随未燃混合气温度的变化（Φ1=0.3，T0=300K，M1=0.1）Fig.1 Flame propagation velocity versus unburned mixture temperature.（Φ1=0.3，T0=300K，M1=0.1）

2.2　甲烷添加量对火焰传播速度的影响

结合2.1节，局部当量比会影响火焰传播速度，而甲烷添加量会显著影响局部当量比的大小，为了进一步研究甲烷添加量对火焰传播速度的影响规律，本小节选取Φ1=0.3和0.6两种典型工况。

选取Φ1=0.3、T0=300K时甲烷贫燃燃烧产物，且未燃气温度T2=1066K，由平衡器计算知此时燃烧产物中氧气摩尔分数为0.142，火焰传播速度与甲烷添加量M1的关系曲线如图2所示。由图像知，随着甲烷添加量的增加，火焰传播速度先增加后减少，于M1=0.08时达到最大值267.76cm/s，此时局部当量比为1.13，再次证明局部当量比接近1时，火焰传播最快。选取当量比0.6、T0=300K时甲烷贫燃燃烧产物，且未燃气温度T2=1666K，又知此时燃烧产物中氧气摩尔分数为0.078，火焰传播速度与甲烷添加量M2的关系见表2。由表知，甲烷添加量为0.02时，火焰传播速度最大为133.44cm/s，此时甲烷/氧气=0.26。

图2　火焰传播速度随甲烷添加量的变化（Φ1=0.3，T0=300K，T2=1066K）Fig.2 Flame propagation velocity versus molar fraction of added methane.（Φ1=0.3，T0=300K，T2=1066K）

表2　火焰传播速度与甲烷添加量M2的关系（T2=1600K）Tab.2 Adiabatic flame temperature versus molar fraction of added methane，M2（ T2=1600K）

综上分析表明，一次燃烧当量比对自点火过程火焰传播速度的影响主要表现在局部当量比与一次燃烧尾气温度的耦合作用，且尾气温度较低时，局部当量比起到主要作用，在接近1时火焰传播最快；而随着尾气温度升高到一定程度，即便局部当量比较大，火焰传播也可能更快。此外，甲烷添加量对于火焰传播速度的影响也是通过改变局部当量比实现的，在甲烷/氧气接近于1时，火焰传播最快，自点火延迟时间也就越小。

3　结论

本文借助CHEMKIN软件模拟计算了甲烷二次燃烧自点火火焰传播速度，研究了当量比和甲烷添加量对火焰传播速度的影响规律，主要得出以下结论：

在一定范围内，火焰传播速度随着当量比的增加而增加；但当当量比增加到一定程度后，火焰传播速度大致随当量比增加而减少。

局部当量比处于1附近时，火焰传播速度达到最大，而局部当量比过低或过大时，无火焰产生，自点火失败；随着未燃气温度的升高，火焰传播速度显著增加。

一次燃烧当量比对自点火过程火焰传播速度的影响主要表现在局部当量比与一次燃烧尾气温度的耦合作用，且尾气温度较低时，局部当量比起到主要作用，在接近1时火焰传播最快；而随着尾气温度升高到一定程度，即便局部当量比较大，火焰传播也可能更快。

参考文献：

[1]R.Sullivan，B.Wilde，D.R.Noble，J.M.Seitzman，T.C.Combust.Flame 161（2014） 1792-1803.

[2]Daniel J.Micka，James F.Driscoll.Stratified jet flames in a heated（1390K） air cross-flow with autoigni-tion[J]，2012，159 （3）：1205-1214.

[3]R.W.Grout，A.Gruber.Direct numerical simulation of flame stabilization downstream of a transverse fuel jet in cross-flow[Z].Proceedings of the Combustion Institute 33 （2011）1629-1637.

[4]Fleck，Julia M.，Griebel，Peter，Steinberg.Autoignition of hydrogen/nitrogen jets in vitiated air crossflows at different pressures[Z].Proceedings of the Combustion Institute 34 （2013）3185-3192.

[5]J.Sidey，E.Mastorakos.Visualization of MILD combustion from jets in cross-flow[Z].Proceedings of the Combustion Institute 35 （2015）3537-3545.

[6]Jason A.Wagner，Stephen W.Grib，Michael W.Renfro，Baki M.Cetegen.Flowfield measure-ments and flame stabilization of a premixed reacting jet in vitiated crossflow[J]，2015，162（10）：3711-3727.

[7]张鹏.基于等离子体简化模型的甲烷点火特性研究[D].北京：装备学院，2012.