混合燃烧的实验和数值模拟研究综述

陈珊珊

（河北环境工程学院，河北 秦皇岛 066100）

燃烧三要素包括可燃物、氧化剂和点火源，其中可燃物的类型和特性在很大程度上决定了燃烧的发生和发展过程。大部分液体和固体燃料不能直接燃烧，而是先受热分解成可燃气体再燃烧，复杂气体燃料通常也要先分解成简单气体。很多常用燃料如汽油、煤油、柴油等，都是石油经过炼制得到的复杂烃类混合物；森林荒地火灾中植被热降解得到气体混合物，主要成分是CO、CO2、甲烷及其他低碳烃类；建筑火灾中各种高分子材料的热解产物主要由CO、CO2、H2 及各种低碳烷烃和不饱和烃类组成。因此，混合燃烧现象普遍存在于实际燃烧过程中。

另一方面，混合燃烧也是改善贫燃燃烧特性的一种有效方法。在全球经济快速发展和能源大量消耗的今天，能源危机问题越来越受到人们的关注。因此，提高能源效率、实现能源经济利用已被众多研究者提上日程。贫燃技术被许多学者认为是能够满足各方面需求的一种有效手段，可以大大减少燃料消耗和污染物排放。然而，这一技术仍有部分问题亟待解决：燃烧稳定性会由于燃料不足受到影响，拉伸过程和热损失可能引起局部熄火。这些问题限制了贫燃技术的应用和推广，而混合燃烧是解决这些问题的有效方法之一。

一、研究手段

混合燃烧的研究手段主要包括实验方法和数值模拟方法。研究初期受限于计算机硬件条件，以实验方法为主。但是全尺寸实验在很多情况下难以实现，通常需要大量的准备工作，实验设备投资高且耗费时间长，燃烧产物中的毒性物质也容易对操作人员造成伤害，导致一些数据无法得到有效提取，限制了相关研究的开展。随着计算机技术的进步和对燃烧规律的深入了解，数值模拟逐渐成为研究混合燃烧问题的一个有效手段。通过建立数学模型对燃烧过程进行模拟，可以在工况较多的情况下快速获得有效数据，具有成本低、周期短、可操作性强等优点，能够顺利提取研究所需的大量资料。近些年来很多学者在研究过程中将两种方法有机结合，实现优势互补，取得了一系列的进展。

二、研究进展

（一）简单燃料研究

早期的混合燃烧研究以简单碳氢燃料为主要对象，通过对于典型低碳氢燃料的混合燃烧特性和火焰结构的研究为复杂燃烧机理提供基础数据。甲烷作为天然气的主要成分，因为自身的特殊优势，被认为是最有发展前景的清洁能源之一，在基础研究和实际应用中都得到了广泛的应用。然而另一方面，甲烷的利用也遇到了一些问题，如热效率低和贫燃性能差。甲烷贫燃能够有效降低氮氧化物排放，但在应用中存在两个缺点——层流燃烧速度明显降低，熄火可能性增加。为了解决这两个问题，相关研究人员进行了很多尝试，发现一种有效方法是采用燃料添加剂，即将甲烷与其他燃烧速度快、火焰稳定性好的燃料混合。重整气被证明是一种很好的添加剂。由于重整气主要由H2、CO和N2 组成，因此相关人员对于重整气以及H2和CO 各自的作用进行了广泛研究。

Yu 等学者通过实验测量了含氢和不含氢的条件下碳氢化合物/空气混合物的层流火焰速度，结果表明，H2 添加显著提高了火焰速度。Coppens 研究了甲烷/氢气/氧气/氮气层流预混火焰中组分对燃烧速度和NO 生成的影响，证明了随着H2的富集，NO 浓度显著降低。Guo 等学者研究了重整气富集对甲烷/空气预混对冲火焰的熄火极限和氮氧化物生成的影响，发现重整气添加贫燃预混燃烧的显著优势是：通过允许燃烧器在燃料更稀薄的条件下工作而对可燃范围没有任何影响，从而大大减少了NO的生成。此外上海市消防总队的马哲等人针对丙烷和H2 混合气体燃烧的火焰特征开展试验研究，发现随着混合气体中丙烷气体组分的比例不断下降，混合燃烧的平均火焰高度逐渐下降[1]。

中国科学技术大学的火灾科学国家重点实验室作为我国火灾科学基础研究领域唯一的国家级研究机构，在混合燃烧领域取得了较多成果。陈文婷等人研究了贫燃条件下CO 含量对CH4/CO/空气预混火焰的层流燃烧速度的影响，发现当燃料中加入更多CO时，层流燃烧速度下降。为了分析其原因，进一步研究了层流燃烧速度和H+OH 峰值浓度的关系，发现H+OH 峰浓度随着CO 含量的增加呈线性下降，这一趋势与层流燃烧速度的趋势很好地吻合。同时，增加CO的含量可以显著降低氮氧化物的排放，通过研究NO的形成机理，并测定相应的生成反应，发现NO 浓度随着CO的富集显著降低，产生速率也明显降低。此外,利用数值模拟求解火焰径向拉伸率,深入分析燃料中添加CO时拉伸率对贫燃火焰稳定性的影响，计算得到熄火拉伸率发现燃料中CO的加入在一定程度上提高了其贫燃极限[2]。

作者曾对常温常压下不同乙烯含量的甲烷/乙烯/空气贫燃预混火焰进行数值模拟，研究了乙烯添加对无拉伸层流燃烧速度、火焰结构和火焰稳定性的影响，发现随着乙烯含量的增加，层流燃烧速度增大，且在当量比较大时，这种效应更加明显。进一步研究分析产生这一结果的原因主要有两个方面：一是乙烯添加越多，火焰中H、O和OH 浓度越高，燃烧效果越好，层流燃烧速度与反应区最大H+OH 浓度呈线性相关；二是随着乙烯含量的增加，绝热火焰温度升高，反应发生的临界温度降低，能够促进化学反应进行。代表火焰稳定性的Markstein 长度和Markstein 数随着乙烯添加量的增加而增大，表明随着乙烯含量的增加，火焰稳定性得到提高[3]。

（二）复杂燃料研究

随着实验平台的完善和模拟技术的发展，针对复杂燃料的研究也越来越多。火灾科学国家重点实验室的董清丽等人采用数值模拟方法对最典型的不饱和烃/复杂非烃类气——乙烯/甲基醚混合燃料的燃烧特性进行研究，重点考察混合比率对点火延迟和层流燃烧速度的影响，并结合敏感性分析其原因。结果表明，点火延迟时间随温度的升高而减小，不同温度下混合比率对点火延迟时间的影响不同。在较高的温度下加入甲基醚可以减少点火延迟时间，特别是当添加量较小时，点火延迟时间的变化率较大；当混合比率大于20%时，甲基醚的加入对点火延迟时间的影响小于5%。层流燃烧速度随甲基醚含量的增加而降低，且在混合比率较小时，甲基醚的加入对层流燃烧速度的抑制作用更为明显[4]。

徐武等人采用实验和数值方法研究了几种卤代烷作为阻燃剂对预混和非预混碳氢火焰的影响，测定了一定当量比范围内添加不同含量的C2HF5（HFC-125）、C2HF3Cl2（HCFC-123）和C3H2F3Br（2-BTP）时，甲烷/空气火焰和丙烷/空气火焰的无拉伸火焰速度和熄火拉伸率。实验使用对冲火焰平台，在常温常压下进行；模拟所用的动力学模型是基于C1-C4 碳氢模型和抑制子模型而开发的。通过将模拟结果与测量的火焰速度和熄火拉伸率进行比较，发现两者在层流火焰速度方面具有很好的一致性；对于非预混火焰的熄火拉伸率，虽然模拟准确预测了其随着燃料摩尔比的增加而增加的趋势，但得到的绝对数据偏高，即计算结果低估了抑制剂在扩散火焰中的灭火性能。对火焰速度研究发现抑制剂效力主要受到预混火焰当量比和抑制剂添加量的影响。C2HF3Cl2在所有研究的混合条件下都降低了火焰速度。但是贫燃条件下，C2HF5和C3H2F3Br 在低添加量时对火焰速度有抬升现象，表明抑制剂在该条件下的灭火作用是失效的，原因在于贫燃条件下抑制剂的添加导致了绝热火焰温度的上升，抑制剂本身的燃料性（化学式中含C和H）虽然很低但不能忽略。当燃料增多进入富燃条件时，抑制剂通过自由基捕获和自由基催化重整循环等化学抑制作用降低火焰传播速度，此时的绝热火焰温度也随着抑制剂的添加而不断降低[5]。

三、总结

燃烧三要素中可燃物的类型和特性在很大程度上决定了燃烧的的发生和发展过程。混合燃烧现象普遍存在于实际燃烧过程中，同时也是改善贫燃燃烧特性的一种有效方法。其研究手段主要包括实验方法和数值模拟方法，目前很多学者通过将两者有机结合，实现优势互补。其研究对象从早期的H2、CO、低碳烷烃等简单燃料逐渐发展到不饱和烃、非烃类气等各种复杂燃料，取得了一系列的成果。