高溫高壓對三元預混燃料爆炸特性的影響

關鍵詞：乙醇/甲烷/氫氣；爆炸特性；線性相關；H和OH自由基

發(fā)展清潔替代燃料是實現(xiàn)“十四五”規(guī)劃中“雙碳”目標的關鍵，也是解決環(huán)境污染、資源匱乏等問題的重要手段[1–2]。乙醇（C2H5OH）具有碳排放較低和可再生的優(yōu)勢，被認為是一種清潔的替代燃料。然而，乙醇在實際使用過程中，由于其存在擴散性差、能量密度低、熱值低等缺點，可能導致火花點火（sparkignition，SI）式發(fā)動機冷啟動困難、燃料燃燒不完全等問題[3–4]。已有相關研究[5–6]證實，采用熱值高且儲能豐富的天然氣（主要成分為CH4）作為乙醇燃料的補足劑，并摻混氫氣（H2）可以增強乙醇的擴散性和熱值，進而提高整體燃料的燃燒性能。然而，由于C2H5OH、CH4、H2均具有較低的爆炸極限，在實際使用過程中可能存在一定的爆炸風險。因此，若將C2H5OH/CH4/H2三元預混燃料用作內(nèi)燃機的替代燃料，必須首先了解其爆炸特性，以評估其在生產(chǎn)、運輸、儲存和使用過程中涉及的安全性問題。

Li等[7]、張衍等[8]、Bao等[9]從火焰形態(tài)、火焰層流燃燒速度以及火焰固有不穩(wěn)定性角度，研究了摻氫對層流預混氫氣/乙醇燃料燃燒特性的影響，結果表明，提高摻氫比例雖然能夠顯著加快火焰的層流燃燒速度，但同時會增加火焰的固有不穩(wěn)定性。具體而言，隨著摻氫比例的提高，火焰燃燒速度明顯加快，同時火焰前鋒面褶皺、裂紋明顯增多，胞狀結構由大細胞向更小細胞轉(zhuǎn)變。Li等[10]、Mohammad等[11]探討了氫氣的體積分數(shù)和初始壓力對氫氣/甲烷/空氣預混燃料火焰不穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)熱擴散和流體動力學不穩(wěn)定性對氫氣/甲烷/空氣火焰不穩(wěn)定性的影響隨著氫氣體積分數(shù)、初始壓力的增加而增強。因此，摻混氫氣、初始壓力等其他初始條件變化會影響原始乙醇、甲烷燃料火焰的不穩(wěn)定性，而不穩(wěn)定的火焰可能迅速提高燃燒過程中的溫度和壓力，從而引發(fā)爆炸事故，即預混燃料的爆炸特性會隨著初始條件的變化而變化。

爆炸參數(shù)，如爆炸壓力p、峰值爆炸壓力pmax、爆炸壓力上升速率dp/dt、峰值爆炸壓力上升速率（dp/dt）max、爆炸時間tc以及爆燃指數(shù)KG是評估爆炸特性、優(yōu)化和設計燃燒裝置的關鍵參數(shù)[12–13]。近年來，諸多學者從改變初始條件（當量比、初始壓力、初始溫度以及組分）角度對可燃混合物的爆炸特性開展了研究。Mitu等[14]發(fā)現(xiàn)，乙醇/空氣混合物的峰值爆炸壓力與初始壓力呈線性正相關，峰值爆炸壓力上升速率在很大程度上受到初始壓力的影響，但對于初始溫度的變化表現(xiàn)不敏感。Cui等[15]通過實驗研究了甲烷/空氣混合物的爆炸特性，結果表明，增加初始壓力可以提高甲烷/空氣混合物的峰值爆炸壓力和峰值爆炸壓力上升速率，而升高初始溫度對峰值爆炸壓力和峰值爆炸壓力上升速率的影響是負面的。Liu等[16]發(fā)現(xiàn)，在稀薄燃燒和化學計量條件下，增加初始壓力雖然會降低氫氣/空氣預混火焰的層流燃燒速度，但同時會促進火焰細胞的不穩(wěn)定性，并導致更高的爆炸超壓。Shen等[17]在20L球型壓力容器中研究了氫氣/甲烷的爆炸行為，結果表明，增加氫氣占比會提高爆炸壓力上升速率的峰值，縮短爆炸持續(xù)時間。馬秋菊等[18]討論了氫氣體積分數(shù)和初始點火能量對氫氣/甲烷混合氣體火焰?zhèn)鞑?、爆炸強度的影響，結果表明，與純甲烷相比，摻混氫氣能夠提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?，并且氫氣比例越高，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍娇?，峰值爆炸超壓越大，此外，點火能量對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懖淮螅岣唿c火能量可增強峰值爆炸超壓，且增強效果在貧氫狀態(tài)下更顯著。張嘉瑋等[19]研究發(fā)現(xiàn)，由于熱損失的存在，氫氣體積分數(shù)對氫氣/乙醇混合燃料峰值爆炸壓力的影響不大。Liu等[20]為了闡明當量比、氫氣體積分數(shù)對氫氣/甲烷火焰?zhèn)鞑ヌ匦院捅▔毫Φ挠绊懀诜叫喂艿乐羞M行了實驗，結果表明，隨著氫氣體積分數(shù)的增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@加快，“郁金香”形態(tài)火焰逐漸消失，此外，當當量比接近1且氫氣體積分數(shù)大于40%時，爆炸超壓將急劇增大，并且二次爆炸破壞更加嚴重。

此外，也有部分學者從基元反應敏感性角度分析了初始條件對預混燃料爆炸特性的影響。Liu等[21]利用球型爆炸容器研究了甲烷體積分數(shù)對氫氣/甲烷混合燃料爆炸特性的影響，并進行了敏感性分析，揭示了影響氫氣/甲烷混合燃料爆炸強度的最敏感反應，結果表明：甲烷體積分數(shù)的增加能夠維持火焰結構的穩(wěn)定，進而降低混合燃料的爆炸危險性；基元反應H+O2O+OH（R38）和H2+OHH+H2O（R84）是促進OH自由基產(chǎn)生和消耗的最主要反應；隨著甲烷體積分數(shù)的增加，OH自由基的產(chǎn)生和消耗均下降，導致爆炸反應強度減弱。Liu等[22]分析了氫氣體積分數(shù)對氫氣/甲烷混合物爆炸危險性的影響，發(fā)現(xiàn)氫氣會增加甲烷/空氣預混燃燒的爆炸風險，隨著氫氣體積分數(shù)的增加，關鍵基元反應R38和R84的反應速率加快，爆炸超壓峰值增加更多，峰值爆炸壓力上升速率提前到達。

綜上所述，目前的爆炸研究大多集中在單元或者二元燃料，并且側重于燃料的火焰?zhèn)鞑ヌ匦?、爆炸特性參?shù)等宏觀特性。盡管有少數(shù)學者從基元反應敏感性角度開展了燃料爆炸特性的研究工作，但是將基元反應敏感性分析與爆炸反應路徑分析結合，用于評估初始條件對燃料爆炸特性影響的研究非常少見。與單元燃料或者二元預混燃料相比，三元預混燃料的爆炸特性更加復雜，由于乙醇、甲烷以及氫氣的反應活性、擴散性、熱力學特性等理化性質(zhì)存在差異，當這3種燃料混合燃燒時，燃料的燃燒反應過程、關鍵基元反應以及爆炸反應路徑均可能發(fā)生改變，因此，需要更加深入地研究C2H5OH/CH4/H2三元預混燃料的爆炸特性。此外，當量比、初始壓力、初始溫度等初始條件會影響燃料的爆炸特性。然而，目前針對當量比、初始壓力和溫度變化對C2H5OH/CH4/H2三元預混燃料爆炸特性的影響機理尚不明確?；诖?，本研究擬利用定容燃燒彈協(xié)同高速攝像機，探究不同當量比、初始壓力和溫度下C2H5OH/CH4/H2三元預混燃料關鍵爆炸參數(shù)的變化規(guī)律；同時，利用Chemkin-Pro軟件確定C2H5OH/CH4/H2預混燃料在爆炸過程中的關鍵基元反應，并分析初始壓力對爆炸反應路徑的影響，以期完善C2H5OH/CH4/H2三元預混燃料爆炸特性的研究體系，為評估多元混合燃料燃燒性能、優(yōu)化內(nèi)燃機燃燒過程以及設計更加安全可靠的燃燒系統(tǒng)提供參考。

1實驗設置、燃料配置以及原始爆炸壓力數(shù)據(jù)處理

1.1實驗設置

用于爆炸研究的實驗裝置如圖1所示。實驗裝置主要由定容燃燒彈（constantvolumecombustionbomb，CVCB）、加熱裝置、點火控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高速Schlieren成像系統(tǒng)、氣體供應系統(tǒng)構成。CVCB為立方體結構，由高強度鉻鋼制成，可允許承受的最大爆炸壓力為10MPa。在CVCB兩側均勻安裝6個加熱功率為60W的加熱電阻，用來調(diào)節(jié)和維持實驗所需溫度，并使用K型熱電偶（型號為WRNK-234）測量彈內(nèi)溫度。點火控制裝置控制位于CVCB中心的電極進行點火，點火能量約為15mJ。在實驗過程中，由高速攝像機記錄火焰實時燃燒圖像；燃燒彈內(nèi)的爆炸壓力由壓力傳感器（型號為KISTLER6115A）測量，并反映為電壓信號數(shù)據(jù)。數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器（型號為DG645）連接到高速攝像機和示波器，以確保它們在點火后同時捕獲火焰圖像并記錄壓力信號。此外，采用3個氣體流量控制器控制CH4、H2和空氣的供應。

詳細的實驗流程如下。

（1）實驗前準備：檢查CVCB的氣密性，并將CVCB加熱至預設初始溫度（370、400和450K）。

（2）實驗過程中燃料、空氣注入：首先，打開進氣閥、排氣閥以及真空泵，對CVCB進行3min的洗氣處理以排除上次實驗燃燒殘留對本次實驗的影響；其次，關閉進氣閥，將CVCB抽真空至絕對壓力0.01MPa，以保證液體C2H5OH燃料在注入CVCB后迅速汽化；接著，關閉排氣閥和真空泵，使用微型注射器將液體C2H5OH注入彈內(nèi)，使得C2H5OH的蒸發(fā)時間為5min，此時液體乙醇已完全汽化；然后，接上進氣管，打開進氣閥，通過壓縮泵經(jīng)氣體流量控制器將相應流量的CH4、H2注入CVCB內(nèi)，再注入空氣（79%N2和21%O2）直至預設初始壓力；最后，關閉進氣閥，將C2H5OH/CH4/H2/空氣混合氣靜置3min，以充分混合形成均質(zhì)預混合氣。

（3）火焰燃燒紋影和爆炸壓力數(shù)據(jù)記錄：點火后，通過數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器保證同時記錄火焰紋影圖像和爆炸壓力數(shù)據(jù)。

（4）每組實驗重復步驟2和步驟3并且至少重復3次，以保證實驗的可重復和準確性。

1.2實驗初始燃料配置

式中：p0、T0為初始壓力和初始溫度；V為CVCB容積，V=2.067L；R0為通用氣體常數(shù)，取8.314J/（mol·K）。

此外，CVCB內(nèi)燃料的物質(zhì)的量僅與p0和T0有關，且與p0成正比，與T0成反比。nC2H5OHnCH4nH2nair0：21nair定義每次實驗向CVCB內(nèi)注入乙醇、甲烷、氫氣和空氣的物質(zhì)的量分別為、、和。假設空氣是由21%氧氣和79%氮氣組成的理想氣體，那么氧氣的物質(zhì)的量可表示為。

呂曉輝[25]、馬熹群[26]采用相同的方法分別完成了對預混氫氣/乙醇、氫氣/汽油燃料的配置。本研究選擇C2H5OH、CH4、H2的體積分數(shù)分別為50%、40%和10%作為典型的燃料配比，具體研究當量比、初始壓力和初始溫度3個變量對C2H5OH/CH4/H2三元預混燃料爆炸特性的影響。實驗工況的具體參數(shù)如表1所示。

1.3原始爆炸壓力數(shù)據(jù)處理

由于壓力傳感器的通道噪聲效應，實驗得到的壓力數(shù)據(jù)呈現(xiàn)高頻小幅振蕩特征，從原始壓力數(shù)據(jù)中難以準確確定爆炸參數(shù)。因此，在數(shù)據(jù)處理過程中，使用MATLAB中的高斯濾波器對原始壓力數(shù)據(jù)進行平滑處理，得到濾波后的爆炸壓力pfiltered和爆炸壓力上升速率（dp/dt）filtered。圖2展示了典型C2H5OH/CH4/H2預混燃料的爆炸壓力p和爆炸壓力上升速率dp/dt演變曲線。由圖2可知，pmax、tc以及（dp/dt）max可通過濾波后的壓力曲線數(shù)據(jù)直接獲取。pmax為爆炸過程中壓力的最大值，對應于圖2中pfiltered的峰值。tc為爆炸壓力達到pmax所經(jīng)歷的時間間隔，對應于圖2中pfiltered抵達峰值所經(jīng)歷的時間。（dp/dt）max為dp/dt的最大值，對應于圖2中（dp/dt）filtered的最大值。Xu等[27]、Li等[28]采用同樣的方法獲取了氫氣/正癸烷/空氣混合物和氨氣/二甲醚的爆炸特性參數(shù)。

2結果與討論

2.1火焰形態(tài)

圖3展示了T0=450K、p0=0.4MPa時不同當量比Φ下C2H5OH/CH4/H2預混燃料的火焰紋影圖像。圖3中，Φ=0.8、Φ=1.0、Φ=1.2分別代表典型的貧燃混合物、化學計量混合物以及富燃混合物。從圖3可以看出，在火焰?zhèn)鞑コ跗?，由于火焰受到強烈的拉伸和曲率影響，火焰前鋒面相對光滑；隨著火焰的進一步傳播，由于拉伸和曲率的穩(wěn)定作用削弱，火焰前鋒面出現(xiàn)裂紋并開始形成胞狀結構。此外，在相同的火焰半徑（R）下，可以看出：Φ從0.8增加到1.2時，火焰的裂紋和胞狀程度加深，火焰不穩(wěn)定性增強。

圖4選取了T0=450K時不同p0和Φ下C2H5OH/CH4/H2預混燃料火焰紋影圖像?？梢钥闯?，當p0=0.1MPa時，火焰鋒面僅有少量裂紋存在；當p0=0.2MPa時，富燃混合物火焰鋒面出現(xiàn)大量裂紋及胞狀結構；而當p0增加到0.4MPa時，火焰的裂紋和胞狀程度明顯加深。這表明初始壓力對火焰形態(tài)存在顯著影響，并且p0對富燃混合物火焰形態(tài)的影響比貧燃、化學計量混合物更明顯。圖5顯示了p0=0.4MPa時不同T0和Φ下C2H5OH/CH4/H2預混燃料火焰紋影圖像?？梢钥闯?，升高初始溫度可以對火焰裂紋和胞狀結構的形成起到促進作用。此外，雖然升高初始溫度會增強火焰的不穩(wěn)定性，但其增強效果弱于當量比和初始壓力。

2.2爆炸壓力與峰值爆炸壓力

圖6顯示了當量比Ф、初始壓力p0和溫度T0變化下的爆炸壓力曲線?？梢钥闯?，不同當量比、初始壓力和溫度下爆炸壓力的演化規(guī)律均表現(xiàn)出類似的規(guī)律：在燃料燃燒的初期階段，由于熱量釋放有限，爆炸壓力緩慢增加；然后，進入快速燃燒階段，由于混合燃料燃燒化學反應更加劇烈，持續(xù)放熱，爆炸壓力急劇上升直到峰值；最后，火焰前沿接觸CVCB壁面，熱量從CVCB壁面?zhèn)鞒?，爆炸壓力逐漸降低。

圖6（a）顯示了T0=450K、p0=0.4MPa下Ф對爆炸壓力的影響?？傮w來說，貧燃混合物的爆炸壓力相對低于富燃混合物的爆炸壓力。這是由于在貧燃狀態(tài)下，CVCB中燃料的含量較少，導致燃燒過程中熱量釋放較少。隨著Ф的增大，燃燒的熱能和絕熱火焰溫度升高，爆炸強度和壓力增大[29]。圖6（b）給出了T0=450K、Ф=1.2下p0對爆炸壓力的影響。從圖6（b）可以看出，p0顯著影響爆炸壓力的上限。原因在于：（1）p0的增加增大了碰撞燃燒氣體分子的動能，導致高能燃燒，爆炸壓力增大；（2）隨著p0增加，CVCB內(nèi)未燃燒燃料的密度增大，導致燃燒反應性增強，絕熱火焰溫度升高，燃燒過程中產(chǎn)生的熱能更高，爆炸壓力也更高[30]。此外，結合圖4的火焰紋影圖像可以看出：p0越高，火焰鋒面褶皺、裂紋越多，火焰越不穩(wěn)定，爆炸壓力越強。圖6（c）給出了p0=0.4MPa、Ф=1.2下T0對爆炸壓力的影響?？梢钥闯觯S著T0增加，爆炸壓力降低，這是由于，一方面，在p0和Ф不變時，升高T0會促進CVCB內(nèi)氣體燃料分子膨脹，從而降低了單位體積內(nèi)C2H5OH/CH4/H2預混燃料的分子數(shù)量，混合物總熱值的降低會導致反應釋放的熱量減少，進而導致爆炸壓力降低[31]；另一方面，可燃混合物的濃度減少也會減緩爆炸容器中的反應速率，降低產(chǎn)生的熱量和釋放的能量，從而導致爆炸壓力降低。

圖7展示了不同初始工況下的峰值爆炸壓力pmax。從圖7可以看出，隨著Ф的增加，pmax先增大后減小，Φ為1.2～1.3時pmax達到最大值。這是因為隨著Ф的增加，CVCB內(nèi)反應物體積分數(shù)增加，導致爆炸更加強烈，pmax增大。然而，在極富燃料工況下，CVCB內(nèi)氧氣含量過少會導致燃燒不完全，因此，Ф=1.4時pmax略有降低。

2.3爆炸壓力上升率、峰值爆炸壓力上升率與爆燃指數(shù)

T0=450K、p0=0.4MPa、Ф為0.8～1.4下爆炸壓力上升率dp/dt的變化曲線如圖10所示。從圖10可以看出：點火后，dp/dt曲線上升，由于燃燒增強，dp/dt達到峰值；達到峰值之后，受熱損失的影響，dp/dt隨傳播時間的延長而減小，最終變?yōu)樨撝?。隨著Ф的增加，dp/dt呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，并在Ф=1.3時達到最大。也就是說，在低燃料混合狀態(tài)下，CVCB內(nèi)的電荷密度較低，導致CVCB內(nèi)爆炸產(chǎn)生的熱能較低，從而導致dp/dt較低。對于化學計量和富燃混合區(qū)，情況則正好相反，可見，dp/dt對Ф的變化十分敏感。此外，當Ф=1.4時，由于CVCB內(nèi)燃料過剩以及氧氣不足，使得燃燒速率減緩或燃燒不完全，dp/dt反而下降。

圖11給出了T0=450K、Ф=1.2時不同初始壓力p0下的爆炸壓力上升率dp/dt的變化曲線。由圖11可知，dp/dt隨p0增大顯著增大。這主要是由于，隨著p0的增加，燃料量增加，導致燃燒釋放更多的熱量，這會產(chǎn)生較大的壓力波動，預混燃料爆炸反應更加強烈，從而導致dp/dt增大。

圖12給出了p0=0.4MPa、Ф=1.2時不同初始溫度T0下的爆炸壓力上升率dp/dt的變化曲線?？梢钥闯?，隨著T0的升高，dp/dt達到峰值的時間越來越短；但升高T0對dp/dt的影響不大，dp/dt僅略有降低。

Cui等[15]、Saeed[33]在對甲烷、甲醇的實驗研究中也得到了相似的規(guī)律。dp/dt到達峰值的時間縮短是由于T0的升高導致火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃?，最終縮短了整個燃燒反應的完成時間。T0對dp/dt影響不大的原因由兩方面決定：一方面，T0的升高加快了火焰的傳播速度，從而增加了燃料的峰值爆炸壓力上升率；另一方面，T0的升高降低了爆炸容器內(nèi)可燃混合氣體的密度，從而導致峰值爆炸壓力上升率下降。因此，這2個作用相反的方面導致T0對峰值爆炸壓力上升率的影響微弱。

KG的等級由國家消防局定義，KG越大，表明爆炸反應越劇烈，爆炸產(chǎn)生的后果也越嚴重[32]。

圖13和圖14分別展示了所有實驗工況下的峰值爆炸壓力上升率（dp/dt）max和爆燃指數(shù)KG?？梢钥闯觯逯当▔毫ι仙剩╠p/dt）max和爆燃指數(shù)KG的變化趨勢相同，在本研究所有溫度和壓力工況下，（dp/dt）max和KG隨著Ф的增大呈先增大后減小的趨勢，并在Ф為1.2～1.3時達到最大值。由于爆炸反應性的增強，（dp/dt）max和KG在更高p0下更大；與此相反，T0對（dp/dt）max和KG的影響較小，特別是在較低壓力下。此外，在本研究的實驗工況下，C2H5OH/CH4/H2三元預混燃料的最大（dp/dt）max、最大KG分別為165.61MPa/s和20.83MPa·m/s，說明燃料在燃燒容器中的燃燒相對安全。

2.4爆炸時間

爆炸時間tc描述的是爆炸壓力達到峰值爆炸壓力pmax所經(jīng)歷的時間。在燃燒和爆炸中，tc對于理解沖擊波的傳播、能量釋放至關重要。圖15顯示了不同當量比Ф、初始壓力p0、初始溫度T0下的爆炸時間tc?？梢钥闯觯诒狙芯康膲毫蜏囟认?，tc先隨著Ф的增大而減小，在達到最小值后，隨著Ф的增大而略有增大。這是因為，在貧燃混合區(qū)，隨著Ф的增大，火焰層流燃燒速度逐漸增大，反應更迅速。而在富燃區(qū)域，隨著Ф的增大，氧氣含量逐漸降低，火焰燃燒速度變慢，爆炸將持續(xù)更長時間。此外，p0的增加導致壓力上升緩慢，火焰燃燒速度降低，tc增加，這與T0升高產(chǎn)生的作用相反。然而，當燃料處于富燃混合區(qū)時，不同p0下的tc之間的差異減小，這一規(guī)律在圖16中可以更直觀地觀察到。

2.5化學動力學分析

2.5.1化學反應動力學機理模型的建立與驗證

本研究使用的C2H5OH/CH4/H2三組分燃料化學反應動力學機理整合了GRI-Mech3.0甲烷燃燒反應機理和Mittal等[34]的乙醇氧化反應機理。然而，由于現(xiàn)有文獻暫時缺少C2H5OH/CH4/H2三組分預混燃料層流燃燒速度的相關數(shù)據(jù)，因此，為了驗證整合機理與實驗結果的可靠性，對比了H2/CH4預混燃料的層流燃燒速度。本實驗中的層流燃燒速度基于定容法（constantvolumemethod，CVM）[35]確定式中：SL為層流燃燒速度，γ為未燃燒混合物的比熱容。

圖17展示了H2/CH4預混燃料在T0=300K、p0=0.1MPa條件下的層流燃燒速度對比情況。結果表明，本研究中的測量數(shù)據(jù)與文獻[36–40]中報道的大多數(shù)據(jù)基本一致，與某些測量結果的差異可能是由于實驗裝置和實驗數(shù)據(jù)后處理手段存在差異。因此，本研究整合的機理及得到的結論是可靠的。

為了進一步驗證整合機理的準確性，將機理模擬的C2H5OH/CH4/H2預混燃料層流燃燒速度與實驗數(shù)據(jù)進行了比較，如圖18所示。其中，模擬結果通過Chemkin-Pro軟件中的Premix模塊計算得出。從圖18可以看出，模擬得到的層流燃燒速度高于實驗層流燃燒速度。模擬層流燃燒速度的高估可能是由于H+O2O+OH和CO+OHCO2+H等基元反應產(chǎn)生的活性自由基促進了燃燒過程并提高了火焰的層流燃燒速度[30，41]?？傮w來說，實驗結果與模擬的預測趨勢基本一致，不同p0下C2H5OH/CH4/H2預混燃料的峰值層流燃燒速度均出現(xiàn)在Φ=1.2時，這為建立或完善C2H5OH/CH4/H2三組分燃料化學反應動力學機理提供了一定的參考。

2.5.2基元反應敏感性及反應路徑分析

化學動力學分析揭示了反應機理的變化規(guī)律，包括中間活性自由基的形成和消耗等。分析燃料的反應機理可以幫助解釋燃料爆炸的起始、發(fā)展和終止過程。同時，基元反應敏感性分析常被用來評估最具反應性的自由基或燃燒過程中的反應，而爆炸從本質(zhì)上來說也是一種快速而劇烈的化學反應。因此，基元反應敏感性分析可以用于評估燃料微觀層面的爆炸特性[42–44]。

為了進一步分析當量比Φ、初始壓力p0和初始溫度T0對C2H5OH/CH4/H2預混火焰爆炸特性的影響，從化學動力學角度分析了爆炸反應中活性自由基反應的演變。圖19、圖20和圖21分別顯示了Φ、p0和T0對C2H5OH/CH4/H2預混燃料的歸一化敏感性系數(shù)的影響。敏感性系數(shù)為正，表明促進了燃料的爆炸反應；敏感性系數(shù)為負，表明抑制了燃料的爆炸反應。敏感性系數(shù)的絕對值越大，相應的促進或抑制作用越強。從圖20和圖21中的變化規(guī)律可以判斷，鏈支反應H+O2O+OH（R1）、CO+OHCO2+H（R24）、H2O+MH+OH+M（R8）以及三體鏈終止反應CH3+H（+M）CH4（+M）（R96）是影響爆炸反應最敏感的4個基元反應。其中，鏈支反應R1涉及H基氧化生成OH基，極大地影響了C2H5OH/CH4/H2的爆炸反應；其次是定速反應R24，將C2H5OH/CH4/H2燃燒產(chǎn)生的CO轉(zhuǎn)化為CO2，抑制了C2H5OH/CH4/H2的氧化速率。相反，鏈支反應R8和三體鏈終止反應R96抑制C2H5OH/CH4/H2的爆炸反應。從圖19可以看出，Φ從0.8增加到1.2時，鏈支反應R1得到促進，使得其能夠生成更多的OH自由基，同時抑制了R96的H自由基消耗，因此，相比于Φ=0.8，Φ=1.2時的爆炸反應更加劇烈，pmax更高。從圖20可以看出，相較于p0=0.1MPa，p0=0.4MPa可以促進更多OH自由基生成，并且抑制H自由基的消耗，因此，在更高的p0下，燃料的pmax更大。此外，當T0=370K時，R1產(chǎn)生的OH基略高于400和450K時R1產(chǎn)生的OH基，同時R96消耗的H自由基更少，因此，C2H5OH/CH4/H2預混燃料在370K下的pmax高于400和450K下。

結合圖7、圖13和圖14發(fā)現(xiàn)，相較于Φ和T0，p0對C2H5OH/CH4/H2預混燃料爆炸特性的影響更顯著。因此，結合燃燒、爆炸過程中關鍵反應和活性自由基的作用，構建了C2H5OH/CH4/H2預混燃料在不同p0下的爆炸反應路徑，如圖22所示。對于每條路徑，箭頭表示反應的方向，線周圍給出路徑中參與反應的自由基及其對應的轉(zhuǎn)化率。為凸顯C2H5OH/CH4/H2主要的反應通道并簡化反應路徑，圖22中只繪制出百分數(shù)大于5%的反應路徑。燃料的爆炸反應路徑涵蓋了脫氫反應、分子間的聚合以及氧化過程?？梢钥闯?，C2H5OH的主要反應途徑為C2H5OH→C2H5O→CH3CHO→CO→CO2，CH4的主要反應途徑為CH4→CH3→CH2OH→HO2→H2O。當p0從0.1MPa增加到0.4MPa時，在C2H5OH的主要反應路徑中，由OH自由基主導的相對轉(zhuǎn)化通量從25.1%降低至22.8%，C2H5OH→C2H5O的總轉(zhuǎn)化通量下降了8.5%；CH4的主要反應路徑中，由OH自由基主導的相對轉(zhuǎn)化通量從47.7%降低至41.1%，CH4→CH3的總轉(zhuǎn)化通量下降了11.7%；此外，H2的主反應路徑中，由O/OH自由基引發(fā)的轉(zhuǎn)化通量相對值從28.9%降低到15.5%，H2→H2O的總轉(zhuǎn)化通量下降了26.8%。這種趨勢表明，隨著p0的增加，大大減緩了燃燒進程，使得燃燒反應更加緩慢，與圖16中爆炸時間tc隨初始壓力p0的增加而增加的結論相同。此外，壓力增加使得燃燒/爆炸過程中消耗的H、OH自由基降低，反應池中H、OH自由基濃度大大增加，從而導致高壓下的爆炸反應強度更大。

3結論

利用定容燃燒彈實驗平臺，探究了當量比Ф（0.8～1.4）、初始壓力p0（0.1、0.2和0.4MPa）和初始溫度T0（370、400和450K）對C2H5OH/CH4/H2三元預混燃料的爆炸特性的影響。對實驗測得的爆炸特性參數(shù)和爆炸過程中的化學動力學進行了分析，得到以下主要結論。

（1）峰值爆炸壓力、峰值爆炸壓力上升率以及爆燃指數(shù)的最大值出現(xiàn)在富燃混合區(qū)（Ф為1.2～1.3），此時火焰的燃燒速度較快，爆炸時間最短。

（2）增大初始壓力、降低初始溫度均能起到增強C2H5OH/CH4/H2預混燃料爆炸壓力的效果。

（3）敏感性分析表明，鏈支反應R1和鏈終止反應R96是影響C2H5OH/CH4/H2三元預混燃料爆燃反應最主要的基元反應；當初始壓力從0.1MPa升高到0.4MPa時，R1得到促進，反應能生成更多OH自由基，同時使得R96的抑制效果增強，消耗更少的H自由基，從而加劇了燃料的爆燃反應，這在爆炸反應路徑中也能體現(xiàn)；此外，降低初始溫度也會達到增強爆炸壓力的效果。

（4）實驗工況下評估的C2H5OH/CH4/H2三元預混燃料的最大KG為20.83MPa·m/s，說明C2H5OH/CH4/H2三元預混燃料的燃燒處于相對安全水平。