旋流对冲正庚烷液池着火温度影响机理研究

陆祖安，杨金玲，邹 春，李文宇，贾汇桥，夏文祥，史海洋

旋流对冲正庚烷液池着火温度影响机理研究

陆祖安1，杨金玲2，邹 春2，李文宇2，贾汇桥2，夏文祥2，史海洋2

(1. 广东美的厨卫电器制造有限公司，佛山 528000；2. 华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，武汉 430074)

采用数值模拟方法对正庚烷液池在不同入射速度和不同转速下的着火温度进行了数值模拟．结果表明：在一定的入射速度下，正庚烷着火温度随转速的增加而单调下降．根据扩散和化学反应的影响，正庚烷液池在旋转对冲中的着火机理可分为3种类型：第1类型中，扩散对着火温度的影响占主导地位；在第2种类型中，一个重要特征是形成了回流区，此时扩散和化学反应共同主导着火温度．第3种类型中，化学反应在着火过程中起主导作用．

稀薄燃烧；旋流；正庚烷；着火特性；回流区

稀薄燃烧(lean combustion)是应用非常广泛的高效低污染燃烧方式，几乎应用于所有燃烧技术领域，包括燃气轮机、锅炉、熔炉和内燃机[1]．由于燃料稀释，导致火焰温度较低从而减少了热力型NO的形成．此外，对于碳氢化合物燃烧而言，通常采用过量的空气形成燃料的稀薄，这使得燃料能完全燃烧，大幅降低了碳烟和CO的排放．然而，燃料的被稀释会导致其着火困难，引起燃烧的不稳定性．旋流是一种有效的稳燃方式，几乎所有的燃气轮机燃烧室都采用了旋流器来稳定燃烧．因而，在稀薄燃烧中加入旋流可以提高贫燃火焰的稳定性．正庚烷是一种具有代表性的正构烷烃，也是研究柴油着火的替代燃料，因此研究旋流对于正庚烷的着火特性，对于柴油机的高效低排放研究有着非常重要的理论意义．

Smooke和Giovangigli[2]采用数值模拟的方法研究了没有预热的极稀薄条件下的甲烷-空气刚性反向旋转对冲双预混火焰的稳定性，通过旋流可以在当量比约0.40实现稳定燃烧．这个结果极大地突破了常温常压下约为0.50的公认可燃性贫燃极限[3-5]．

Nishioka等采用数值模拟方法研究甲烷-空气[6]、氢气-空气[7]的旋转对冲双预混(rotating counterflow twin premixed flame)火焰中旋流对稳燃的影响，发现当当量比小于0.45时，在回流区形成一个反应区，此时火焰的局部燃烧速度为负，说明火焰是朝着已燃气体方向传播．由于燃烧气体能够持续提供热量，因而即使在很高的拉伸率下火焰也不易熄灭．这种机制导致旋转的双预混火焰可以通过回流区产出的高温烟气来维持自身燃烧的稳定．

Mejia等[8]研究了旋转圆筒上的稀薄层流预混甲烷-空气火焰的稳定性，实验和模拟结果均表明，旋流对稳定模式(圆柱两侧对称火焰根部)有较大影响．随着转速的增加，气缸上、下两侧的火焰根部位置有所改变．在小于临界转速时，在下游火焰的根部几乎被熄灭，模拟结果显示这种熄灭是由热损失控制的，燃烧器的旋转将低焓的燃烧产物从上游带到下游，导致下游火焰熄灭；在到达临界转速后，两个火焰根合并，火焰稳定在气缸上游．

Elbaz等[9]对逆旋流甲烷扩散火焰的火焰稳定性和结构进行了研究，发现最稳定的火焰可在临界旋流强度(cr)下实现．在旋流强度小于cr时，火焰呈射流上升状，在旋流强度大于cr时，火焰呈现被压缩状态．研究结果表明火焰在临界旋流强度cr稳定燃烧是由于圆锥火焰区和火焰根部这两个火焰区相互作用的结果．火焰根部需要来自内部回流区气体的热量．另一方面，火焰根部又向锥形火焰区提供热量和自由基．这些相互作用扩展了原来的旋流逆射流扩散火焰的稳定贫燃极限．

Liu等[10]通过实验和模拟研究了0.061MPa、0.1MPa、0.3MPa压力下，高温空气对冲正庚烷液池的正庚烷着火温度．模拟使用OPPDIF进行模拟计算，研究发现在着火过程中H2/CO化学反应和涉及C2～C3自由基的反应对正庚烷点火有重要影响．显然，目前没有文献研究旋流对正庚烷稀薄燃烧的着火温度的影响机理．

因此，本文拟采用数值模拟的方法探究旋流对于稀薄正庚烷着火温度的影响机理．

1 研究方法及模型

1.1 模型介绍

1.1.1 模型及控制方程

图1 旋转正庚烷液池模型

在计算中采用的假设如下[6]：流动和火焰是稳定的、层流的、轴对称的、反射对称的；体积力忽略不计；体积黏度可以忽略不计；在能量方程中，压力所做的功、黏性耗散、杜福尔效应和辐射热损失都可以忽略不计；气体混合物视为理想气体；采用低马赫数近似；也就是说，整个流场的热力学压力保持不变．

流体动压力为

能量和物质的守恒方程为

1.1.2 边界条件的确定

在氧化剂侧(w)和燃料侧(F)的边界条件是边界条件如下[11]：

＝0时

＝L时

1.1.3 计算方法

模拟中燃料为正庚烷，氧化剂侧为空气(体积分数分别为79%的N2和21%的O2)，正庚烷液池未燃烧温度设定为380K．两个入射面之间的距离为0.7cm，模拟中采用的机理是有130种物质的高温正庚烷氧化机理[12]．计算方法流程如图2所示．

1.2 模型验证

1.2.1 计算方法

使用本文的模型计算文献[6]中旋转速度分别为50r/s、100r/s、150r/s时的CH4旋转对冲双预混的速度分布情况，得到的结果如图3所示．

图3(a)为本文的计算结果，图3(b)为文献中给出的结果，可以发现，两者可以很好地匹配，说明本文模型可以用来计算引入了旋流的工况．

图2 计算方法流程

1.2.2 正庚烷计算验证

使用本文的模型，将旋转速度设为0，计算了文献[10]中的正庚烷液池着火温度，得到的结果见图4.

图4(a)为使用本文中模型的计算方法，图4(b)为文献中的结果，二者能够很好地匹配，说明本文中的模型可以用于正庚烷的模拟计算．

图3 旋转验证

图4 正庚烷着火温度验证

2 结果与讨论

本文对表1中的计算工况进行了模拟计算，获得了相应的燃烧温度，结果显示在图5中．在图5中，相同入射速度下，加入旋流使得着火温度明显降低．但是，入射速度为75cm/s、转速为100r/s的工况就已经不能着火．

表1 计算工况

Tab.1 Calculation condition

图5 不同转速的着火温度

图6显示的是3个入射速度下，不同旋转速度条件下的轴向速度分布．在图6中，轴向速度分布曲线呈现3种形态，分别是凸型、近似线性以及凹型．轴向速度呈近似线性分布对应的旋转速度被定义为临界转速cr(红色线)．当转速小于cr时，轴向速度分布曲线呈凸型分布，在这个阶段，转速越大，凸起程度越小，本文定义此模式为第1种着火模式；当转速大于cr时，轴向速度分布曲线呈凹状，并且转速越大，曲线的凹陷程度越大，本文定义此模式为第2种着火模式．

2.1 第1种着火模式下着火温度的主要影响因素

图7显示的是转速小于临界转速情形下，着火温度分别为1245K、1252K和1266K时3个不同入射速度-旋转速度组合的轴向速度分布(图例两个数字分别代表入射速度(cm/s)和旋转速度(r/s))．从图7可以看出，当着火温度相同时，3种不同的入射速度-旋转速度组合的轴向速度的分布曲线都会在着火核心区附近发生重合．而拉伸率的定义就是在这个位置，也即旋转速度小于临界旋转速度时，正庚烷的着火温度由拉伸率确定．经过计算3个着火温度随对应的拉伸率分别是415s-1、514s-1和610s-1．因此，在第1着火模式下，相同的入射速度，随着旋转速度的增加，其拉伸率降低，导致着火温度的降低．

图8显示的是着火温度为1245K时3个不同入射速度-旋转速度条件下的温度分布．这3组不同的组合下，温度分布几乎完全相同．

2.2 第2种着火模式下着火温度的主要影响因素

在第2种着火模式下，分别计算了着火温度为1162K和1196K的3种入射速度(cm/s)-旋转速度(r/s)组合的轴向速度．从图9中可以看到，与第1种模式不同，在第2种模式中速度曲线不会出现重合的部分．这表明3种组合的拉伸率也是不同的，对于着火温度1162K，3种组合的拉伸率分别是260s-1、310s-1和325s-1；而对于着火温度为1196K，3种组合的拉伸率分别时264s-1、394s-1和420s-1．显然，拉伸率在第2种着火模式下并不能唯一决定着火温度.

图8 第1种模式下不同转速、着火温度相同时温度分布

从图9的轴向分布可以看到，在靠近燃料侧区域轴向速度出现了负值．对图9(b)的局部进行放大，见图9(c)．可以明显地观察到，在着火核心后出现了内部回流区，并且内部回流区出现的位置也会随着拉伸率的增加而远离燃料侧．根据文献[1]，存在内部回流区会对着火温度有重要影响．

为了探究内部回流区对着火的作用，本文分别进行了入射速度125cm/s，旋转速度分别40r/s、80r/s、100r/s的着火温度的敏感性分析，见图10．

图10　　入射速度125cm/s时不同转速下的温度敏感性系数

根据图6(b)，图10中转速为40r/s的工况下没有内部回流区产生，而转速为80r/s、100r/s的工况下形成了内部回流区，但内部回流区的位置不同，转速80r/s时回流区更靠近燃料侧，转速100r/s时回流区离燃料侧相对更远．在敏感性中，当转速从40r/s增大到80r/s后，在促进着火的反应中C2H4+OH＝C2H3+H2O(R254)、aC3H5+HO2＝OH+C2H3+CH2O (R334)、CH3+HO2＝CH3O+OH(R96)的敏感性上升.当转速进一步增大到100r/s后，促进着火的CH3+ HO2＝CH3O+OH(R96)反应的敏感性急剧升高至第一位．这表明随着旋转速度增加，HO2基团对着火的促进显著增强．结合物质分布图11(O2，N2，NC7H16几种物质对应右侧坐标)，可以看到随着旋转速度增大，回流区形成并且也向着远离燃料侧方向移动，这导致着火核心逐渐远离燃料侧．而且，在转速为80r/s时回流区内的HO2浓度明显低于转速为100r/s的回流区内的HO2浓度，从而导致在100r/s的回流区能够提供更多的HO2参与的(R96)和(R334)反应，进而促进了着火．

图11 入射速度125cm/s时不同转速下物质的摩尔分数

3 结 论

(1)第1种着火模式：转速小于临界转速时，着火的轴向速度分布呈凸状，并且转速增加，凸起减小．此模式下正庚烷的着火温度由拉伸率决定．

(2)第2种着火模式：转速大于临界转速时，着火的轴向速度分布呈凹状，并且转速增加凹陷程度增加．在这个模式中，在着火核心后形成了内部回流区，随着旋转速度增大，回流区形成向着远离燃料侧方向移动，导致着火核心逐渐远离燃料侧，使得回流区内的HO2浓度更高，对着火促进作用更大．在这个模式下，正庚烷着火温度的影响主要是由拉伸率和内部回流区共同决定．

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Ignition Mechanism of N-Heptane Liquid Pool in a Rotating Counter Flow

Lu Zu’an1，Yang Jinling2，Zou Chun2，Li Wenyu2，Jia Huiqiao2，Xia Wenxiang2，Shi Haiyang2

(1. Guangdong Midea Kitchen & Water Heater Appliances Manufacturing Co. Ltd，Foshan 528000，China；2. State Key Laboratory of Coal Combustion，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)

The ignition temperature of a n-heptane liquid pool in a rotating counterflow configuration is investigated numerically at different injection velocities and various rotational speeds. The results show that，at a fixed injection velocity，the n-heptane ignition temperature decreases monotonically with the increase of rotational speed. The ignition mechanism of the n-heptane liquid pool in a rotating counterflow can be divided into three types according to the effects of diffusion and chemical reactions. In the first type，the effects of diffusion are dominant on the ignition temperature. In the second type，a backflow zone occurs，and diffusion and chemical reactions jointly exert comparable influence on the ignition temperature. In the third type，the effects of chemical reactions dominate the ignition.

lean combustion；swirling flow；n-heptane；ignition characteristic；backflow zone

TK11

A

1006-8740(2023)04-0421-08

10.11715/rskxjs.R202305029

2022-05-19．

国家自然科学基金资助项目(51776081).

陆祖安(1981—)，男，博士，工程师，zuan.lu@midea.com.

邹 春，男，博士，教授，zouchun@hust.edu.cn.

(责任编辑：梁 霞)