氢气-乙醇-空气预混层流燃烧特性仿真研究*

闫晨朝，姜根柱，王筱蓉

氢气-乙醇-空气预混层流燃烧特性仿真研究*

闫晨朝，姜根柱†，王筱蓉

（江苏科技大学 机械工程学院，江苏 镇江 212100）

利用数值模拟方法，采用Chemkin软件分析计算得到氢气−乙醇−空气预混燃料的层流燃烧速度、密度比、绝热火焰温度、火焰厚度、敏感性系数和主要自由基的摩尔分数等数据。结果表明，预混火焰的层流燃烧速度与初始压力呈负相关，在所有初始条件下，其峰值出现在当量比为1.2左右，并且随着氢气含量的增加，峰值向富燃侧移动。密度比和绝热火焰温度都随着当量比的增大而呈现先升后降的变化趋势，而火焰厚度则表现出相反的规律。绝热火焰温度在= 1.1时达到最高，比层流燃烧速度达到最高值的当量比小，这是由于实验中存在较大的热损失。此外，初始压力的升高会使得火焰厚度变薄，导致火焰表现出不稳定的趋势。在任何工况下，H + O2= O + OH均为敏感性系数最高的基元反应，该基元反应的敏感性系数与H摩尔分数均在= 1.2 时达到最大值。

氢气−乙醇−空气；Chemkin；层流燃烧；仿真

0 引 言

据英国石油公司报道，虽然化石燃料（包括石油、天然气和煤炭）的消耗在不断变少，但其在当前能源市场中仍然占据主导地位，这意味着化石资源分布不均仍将影响国际格局，人类的共同环境仍将受到这类矿物燃料燃烧排放的威胁[1]。在此情况下，为了促进我国经济朝绿色可持续发展的道路前进，国务院提出了绿色船舶、低碳航运等概念。因此，可再生清洁替代能源已成为各国关注的焦点，氢能源被各国视为寻求可持续发展道路上的一大选择[2-3]。

生物乙醇重整制氢，由于其广泛的原料来源和相对低廉的成本[4-5]，成为绿色制氢的主要选择。然而，氢气和乙醇都是非常容易泄漏的化学物质，一旦在反应容器中发生泄漏，混合物就会迅速扩散并与空气混合。如果遇到火源，会发生剧烈的爆炸，严重威胁人类生命安全。因此有必要研究氢气−乙醇预混燃气的层流燃烧特性。

层流燃烧速度（laminar burning velocity, LBV）是预混燃烧的重要参数，对于研究燃烧过程[6]的特征变化十分重要。LBV反映了预混火焰的化学反应性质和放热性质，可用于计算湍流燃烧速度、点火能量和放热参数[7-12]。因此，测定预混火焰在不同操作条件下的LBV可为化学反应分析提供依据。

近年来，诸多文献对含氢燃料混合物的LBV进行了广泛的报道。TUTAK等[13]研究了柴油−天然气−氢气混合替代燃料的燃烧过程，发现氢气的添加虽然使发动机出现了爆震，但是燃烧持续的时间以及燃烧末端的扩散等燃烧过程都得到了明显的改善。JAMROZIK等[14]在双燃料柴油机中对氢气与柴油混合燃料进行了排放与燃烧过程的研究，发现氢气的添加使得最大燃烧压力、热释放率和压力上升率都得到了提升。LI等[15]利用球形火焰传播实验确定了在大气压下不同乙醇比例对乙醇−空气混合物LBV的影响，并在现有实验的基础上建立了经验方程来估算乙醇−氢气−空气预混火焰的LBV。XU等[16]在乙酸乙酯中加入氢气，发现氢气延长了乙酸乙酯的可燃下限，大大提高了其LBV。LI等[17]采用球形火焰法对不同燃料比影响甲烷−氢气预混火焰LBV的因素进行综合分析，发现LBV的变化与热效应变化密切相关。SUN等[18]分析了氢气−空气预混火焰爆炸特性。结果表明，对于氢气−空气混合物，化学计量比的混合物具有最高的绝热火焰温度，即在相同的初始环境下，化学计量爆炸可能释放的热量最大。

综上所述，氢气与其他燃料混合的研究从未停止，其原因在于氢气的加入可以极大地提升混合燃料的LBV，还可以改善其排放特性，拓展燃烧极限。但是由于氢气存在点火能低、易爆炸等危险性，氢气的加入也会不可避免地使得整体燃料的安全性降低。因此，氢气的存储与安全性问题至今仍是热门研究方向。本研究利用Chemkin软件，探究初始压力为0.2 ～ 0.4 MPa、温度为400 K时的氢气−乙醇−空气预混火焰的LBV，结合绝热火焰温度和火焰厚度等参数对燃料特性进行综合分析，并对影响燃料LBV变化的因素进行深入讨论。本研究旨在探寻多元混合燃气的燃烧机理，为氢气混合物在存储和运输上的安全问题及氢混乙醇的实际应用提供理论指导。

1 计算模型和相关理论

1.1 计算模型

一维稳态火焰的控制方程可以用下面四个方程描述[19]。

（1）连续性方程：

（2）能量守恒方程：

（3）质量守恒方程：

（4）状态方程：

1.2 火焰化学反应动力学机理

本研究使用Chemkin中的Premix模块进行模型搭建，如图1所示，通过添加气相动力学文件、表面动力学文件和传递过程文件对氢气−乙醇−空气预混燃料的燃烧过程和特性进行仿真研究。

图1 Chemkin模型搭建

2 结果与讨论

2.1 实验与仿真

为验证仿真机理的可靠性，针对本仿真系统开展了实验研究，并与LI等[15]的研究结果进行对比，结果如图2所示。实验燃料为乙醇，在初始压力为0.1 MPa、初始温度为383 K的条件下进行，测量的当量比范围为0.8 ～ 1.6。由图2可知，实验仿真计算得出的层流燃烧速度L变化趋势与LI等的实验数据基本相同，表明本次实验结果与之前的研究结果基本吻合，进一步证明了仿真所采用机理的可靠性。

图2 本仿真的乙醇层流燃烧速度与文献[15]的结果对比

2.2 层流燃烧速度

H2比例分别为0%、50%、70%和80%，初始温度为450 K，初始压力为0.2 ～ 0.4 MPa时对氢气−乙醇−空气预混火焰LBV影响的变化规律如图3。当H2比例提高后，LBV峰值的出现逐渐向当量比高的一侧偏移。H2比例的提高会使得LBV明显上升，特别是在H2比例大于50%后。但随着初始压力的升高，H2比例的提高对LBV的影响开始减小。随着初始压力的升高，LBV逐渐受到抑制，在相同下，LBV会随着初始压力的增大而减小。这是由于H2比例的上升使得基元反应中的H自由基浓度得到提升，加快了OH自由基的生成，同时也会使得链式反应放出更多的热量，从而加快了预混火焰的LBV。然而，增加初始压力会减小H自由基的浓度影响，从而降低氢气添加对燃料LBV增加程度的影响。

2.3 密度比

密度比 𝜎 定义为：

燃料在点燃之后，已燃区域的密度会发生改变，这将导致火焰在其前沿和后沿的密度不均匀的情况下发生拉伸，从而在火焰前锋面的气流形成流线偏折[19]，使火焰单位体积燃烧速率发生变化，这一变化最终会使得火焰出现流体动力学不稳定。因此与流体动力学不稳定影响正相关的 𝜎 可以很好地反映火焰出现不稳定的程度。

图4展示了、H2比例、初始温度和初始压力对于 𝜎 的影响。由图可知初始温度的变化可以显著影响 𝜎。升高初始温度，氢气−乙醇−空气预混合火焰的 𝜎 呈现明显的下降趋势。当升高时，可以看出 𝜎 在= 1.1左右达到峰值。当H2比例升高时，𝜎 会上升，但上升并不明显。而当初始压力升高时，预混火焰的 𝜎 几乎没有变化。

图4 不同工况对密度比的影响

2.4 绝热火焰温度

图5是绝热火焰温度ad随着、H2比例和初始压力变化的曲线。在˂ 1的阶段，氢气−乙醇−空气预混火焰的ad几乎不变，在= 1.0之后则开始出现明显的差异，并在= 1.1时达到最高值。出现这种现象的原因是H2的摩尔热值相对于乙醇来说非常小，约为其五分之一，因此当H2比例上升时，总混合物的摩尔热值会下降。空气中的主要成分为N2，总混合物的比热主要由N2决定。因此当N2含量减少即上升时，氢气−乙醇−空气预混火焰的ad呈现上升的趋势。当≥ 1.0时，混合物可以进行充分的反应，使得ad对H2比例变化的响应开始明显。初始压力的变化对氢气−乙醇−空气预混火焰的ad的影响非常小，仅仅在化学计量比时有些许差距。而当预混火焰中H2的比例上升时，初始压力对其影响相比于低H2比例时会稍有提高。

图5 不同工况对绝热火焰温度的影响

2.5 火焰厚度

由于火焰厚度会影响火焰前锋面两边的燃气密度梯度，从而影响流体动力学不稳定性，因此不同工况下火焰厚度表现出来的规律需要被了解和分析。根据LAW等[20]和TANG等[21]的研究，火焰厚度可由公式（6）计算得到：

式中：u为初始火焰温度。

图6为火焰厚度随着、H2比例以及初始压力变化的曲线。由于混合物的运动黏度对的变化不敏感，表现出来的行为与无拉伸火焰速度正好相反。在H2比例小于50%时，最低点出现在= 1.2处，并且H2比例的上升并没有对产生明显的影响。而当H2比例大于50%的时候，最低点出现的位置向当量较高的一侧偏移，其峰值出现在= 1.3时，H2含量对的影响也更为明显。初始压力的升高会使得变薄，进而使火焰前锋面两边的密度梯度变化增大，导致火焰表现出不稳定的趋势。

图6 不同工况对火焰厚度的影响

2.6 敏感性分析

火焰的温度与火焰的传播速度和化学反应速率存在线性关系，因此从当量比、初始压力、H2比例变化来对氢气−乙醇−空气预混火焰对温度的敏感性进行分析。

基元小分子反应一般作为碳氢化合物和含氧碳氢化合物的高温氧化反应的支配者，起到促进或抑制的作用，从而影响火焰传播速度。本文主要对前6个敏感反应进行分析。图7显示了氢气−乙醇−空气预混火焰在= 0.7、1.2和1.4时以及不同H2添加比例下的敏感反应。反应 H + O2= O + OH (R1)是最敏感的反应，因其可以加速O 和 OH 等活性自由基的产生，并且R1的灵敏度随H2添加量的增加而增加。反应H2O + M = H + OH + M (R8)、HO2+ OH = H2O + O2(R13)、H + O2(+M) = H2O (+M) (R9)和CH3+ H (+M) = CH4(+M) (R96) 的敏感性系数为负数，表明这些基元反应会抑制火焰的发展。

图7 不同当量比下的敏感性系数

图8为氢气−乙醇−空气预混火焰在= 1.2时，分别在6种不同H2比例、3种不同初始压力下的前6个敏感反应。由图可知，R1、HCO + M = H + CO + M (R26)、CO + OH = CO2+ H (R24)和CH3+ O = CH2O + H (R108)为起到正向促进作用的基元反应。其中R1为最主要的反应，该反应消耗了H自由基并产生了O和OH自由基，是消耗H2的主要反应链，有助于提升LBV。在当量比和初始温度相同的情况下，R8和R96这两种主要起到抑制作用的基元反应的敏感性系数随着初始压力的上升而上升，而这两种主要的基元反应消耗了高活性基，导致LBV随着初始压力的上升而下降。

图8 不同初始压力下的敏感性系数

3 结 论

基于Chemkin中的Premix模块搭建一维火焰模型，从层流燃烧速度、密度比、绝热火焰温度、火焰厚度、敏感性五个方面，探讨了当量比、初始压力和H2比例对氢气−乙醇−空气预混火焰的燃烧特性的影响。结论如下：

（1）氢气−乙醇−空气预混火焰的LBV峰值出现在当量比为1.2左右，并且随着氢气含量的上升，LBV峰值对应的当量比会朝着富燃一侧移动。

（2）随着当量比的上升，密度比和绝热火焰温度都呈现出先上升再下降的规律，而火焰厚度则呈现相反的变化，其峰值都出现在当量比为1.2或者1.3。这表明预混燃气的流体动力学不稳定性随着当量比的变化呈现出先减小后增加的趋势，并且在1.2或1.3时达到最小。

（3）链分支反应H + O2= O + OH (R1) 的敏感系数在任何工况下都是最高的，该反应可以生成O和OH这两种高活性的自由基，使得链式反应快速进行，释放大量的热从而提高火焰速度，因此该链分支反应的变化规律在较大程度上会影响LBV的变化。而基元反应R8、R13、R9和R96的敏感性系数为负数，对火焰的发展起到抑制作用。

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Simulation Study on Laminar Combustion Characteristics of Hydrogen-Ethanol-Air Premix

YAN Chenzhao, JIANG Genzhu†, WANG Xiaorong

(School of Mechanical and Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212100, Jiangsu, China)

The laminar burning velocity, density ratio, adiabatic flame temperature, flame thickness, sensitivity coefficient, and molar fraction of main free radicals of the hydrogen-ethanol-air premixed fuel were analyzed and calculated by using numerical simulation with Chemkin software. The results showed that the laminar burning velocity of the premixed flame was negatively correlated with the initial pressure, and the peak occurred around the equivalence ratioof 1.2 for all initial conditions, and the peak shifted toward the rich combustion side with the increase of hydrogen content.Both the density ratio and adiabatic flame temperature showed a tendency to increase first and then decrease with the increase of the equivalence ratio, while the flame thickness exhibited the opposite trend.The adiabatic flame temperature reached its highest value at= 1.1, which was smaller than the equivalence ratio at which the laminar burning velocity peaked. This discrepancy could be attributed to the presence of substantial heat losses in the experimental setup. In addition, the increase in initial pressure made the flame thickness thinner, causing the flame to exhibit an unstable tendency. The H + O2= O + OH was the elementary reaction with the highest sensitivity coefficient at all operating conditions, and the sensitivity coefficient for this radical reaction with respect to the H molar fraction reached its highest value at= 1.2.

hydrogen-ethanol-air; Chemkin; laminar combustion; simulation

2095-560X（2023）05-0450-07

TK411

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2023.05.009

2022-12-01

2023-01-10

江苏省研究生创新基金项目（SJCX22_1913)

姜根柱，E-mail：jianggenzhu@just.edu.cn

闫晨朝, 姜根柱, 王筱蓉. 氢气−乙醇−空气预混层流燃烧特性仿真研究[J]. 新能源进展, 2023, 11(5): 450-456.

： YAN Chenzhao, JIANG Genzhu, WANG Xiaorong. Simulation study on laminar combustion characteristics of hydrogen-ethanol-air premix[J]. Advances in new and renewable energy, 2023, 11(5): 450-456.

闫晨朝（1996-），女，硕士研究生，主要从事能源燃烧特性研究。

姜根柱（1979-），男，硕士，高级实验师，主要从事仿生推进与燃烧研究。