氫氣添加對(duì)乙醇/空氣預(yù)混火焰燃燒特性影響的數(shù)值模擬研究

冉　難，蔣　勇，邱　榕，任星宇

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026)

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氫氣添加對(duì)乙醇/空氣預(yù)混火焰燃燒特性影響的數(shù)值模擬研究

冉難，蔣勇*，邱榕，任星宇

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026)

摘要:通過(guò)對(duì)不同混合比率的乙醇/氫氣/空氣燃燒特性進(jìn)行數(shù)值模擬，研究氫氣添加量對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間、層流燃燒速度、火焰厚度、化學(xué)反應(yīng)滯留時(shí)間及組分分布情況的影響。研究發(fā)現(xiàn)一定程度上氫氣添加量的增加能夠縮短混合氣體的點(diǎn)火延遲時(shí)間，并且氫氣對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響隨著溫度的升高而逐漸減小。隨著混合比率的增大，層流燃燒速度增大，并且在混合比率大于0.4時(shí)顯著增大?；鹧婧穸燃盎瘜W(xué)反應(yīng)滯留時(shí)間隨氫氣增加而逐漸減小。此外，進(jìn)一步分析組分分布情況得知?dú)錃馓砑邮够鹧嬷蠬*、O*、OH*自由基摩爾分?jǐn)?shù)峰值增大，并且H+O+OH摩爾分?jǐn)?shù)峰值與層流燃燒速度存在線性關(guān)系。

關(guān)鍵詞:氫氣添加;乙醇;點(diǎn)火延遲時(shí)間;層流燃燒速度;數(shù)值模擬

0　引言

生物能源作為人類最主要的可再生能源之一，在能源建設(shè)方面具有非常大的發(fā)展前景［1，2］。目前，國(guó)際上主要使用生物燃料作為運(yùn)輸燃料來(lái)替代化石燃料，其中，生物乙醇是汽油的主要替代物［3］。而由此導(dǎo)致的醇類燃料泄漏等問(wèn)題卻極易引發(fā)火災(zāi)，因而，其在運(yùn)輸、存儲(chǔ)以及使用過(guò)程中的安全性也備受重視，研究燃料的燃燒特性，對(duì)于促進(jìn)能源的安全利用有著重要的作用。

乙醇是一種非常重要的可再生清潔能源，從醫(yī)療衛(wèi)生到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)乃至國(guó)防工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛且重要的用途［4-7］。然而乙醇具有較高的汽化潛熱，低擴(kuò)散率，并且在低溫下點(diǎn)火困難［8，9］，這些特點(diǎn)容易導(dǎo)致不完全燃燒并存在一些安全隱患。而氫氣具有較高的自動(dòng)點(diǎn)火溫度，研究表明向燃料中添加氫氣能夠促進(jìn)燃料點(diǎn)火，并且能夠擴(kuò)大燃料的貧燃極限。

目前，國(guó)際上的相關(guān)工作主要集中在氫氣添加對(duì)于甲烷等低碳烷烴燃燒特性影響的研究，如Yu等［10］分別對(duì)不添加氫氣及添加氫氣時(shí)碳?xì)浠衔?空氣火焰的層流燃燒速度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究表明隨著氫氣的添加火焰速度顯著增大; Hu等［11，12］對(duì)甲烷/氫氣/空氣預(yù)混火焰的燃燒特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明增加混合氣體中氫氣的含量能夠增強(qiáng)火焰穩(wěn)定性并且提高層流燃燒速度，他們還發(fā)現(xiàn)層流燃燒速度與H+OH的摩爾分?jǐn)?shù)峰值有密切關(guān)系; Gersen等［13］對(duì)甲烷/氫氣混合氣的點(diǎn)火特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明隨著氫氣含量的增加，混合氣點(diǎn)火延遲時(shí)間縮短，并且氫氣含量較低時(shí)的影響較大。但是，對(duì)于醇類與氫氣混合燃燒特性的系統(tǒng)性研究較少，Li等［14］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了氫氣添加對(duì)乙醇空氣層流預(yù)混火焰的作用，主要分析了不同情況下的火焰形態(tài)、已燃?xì)怏wMarkstein長(zhǎng)度、層流燃燒速度及絕熱火焰溫度; Al-Hamamre和Yamin［15］通過(guò)數(shù)值模擬研究了乙炔-氫氣-空氣和乙醇-氫氣-空氣層流預(yù)混火焰，分析討論了當(dāng)量比為1時(shí)氫氣添加量對(duì)層流火焰速度、火焰結(jié)構(gòu)的影響。因此，本文就氫氣添加對(duì)乙醇/空氣預(yù)混火焰燃燒特性進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，可以為醇類與氫氣混合燃燒的研究提供參考數(shù)據(jù)，并且能夠作為火災(zāi)中醇類及氫氣復(fù)雜燃燒研究的重要數(shù)據(jù)資料。

本文采用數(shù)值模擬方法對(duì)乙醇/氫氣/空氣混合氣體的燃燒特性進(jìn)行研究，首先針對(duì)不同混合比率混合氣體的點(diǎn)火延遲時(shí)間進(jìn)行分析，研究其著火特性;然后對(duì)不同混合比率時(shí)預(yù)混火焰的層流燃燒速度、火焰厚度、化學(xué)反應(yīng)滯留時(shí)間及組分分布情況進(jìn)行了系統(tǒng)的分析討論，研究氫氣添加對(duì)乙醇/氫氣/空氣層流火焰強(qiáng)度及穩(wěn)定性的影響。

1　數(shù)值模擬

1.1化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理

模擬中所采用的化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理為Marinov［16］提出的針對(duì)乙醇高溫燃燒的詳細(xì)化學(xué)機(jī)理，共包含58種組分，383步基元反應(yīng)，該機(jī)理在預(yù)測(cè)乙醇燃燒的層流燃燒速度，點(diǎn)火延遲時(shí)間及組分分布等方面的可靠性已與大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［17-19］進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。

1.2燃燒模型

計(jì)算分別采用CHEMKIN-PRO中的零維反應(yīng)器模塊及層流燃燒速度模塊［20］。其中零維反應(yīng)器是閉式均相體系間歇式反應(yīng)器，用于計(jì)算點(diǎn)火延遲時(shí)間。點(diǎn)火延遲時(shí)間是表征點(diǎn)火延遲現(xiàn)象的參數(shù)，用于研究燃料以及外界壓力、溫度等因素對(duì)火焰燃燒情況的影響。預(yù)混層流燃燒速度模塊用于模擬一維自由傳播層流火焰，用于分析不同添加量的氫氣對(duì)乙醇/空氣預(yù)混火焰的層流燃燒速度、火焰厚度、化學(xué)反應(yīng)滯留時(shí)間及組分濃度等的影響。

計(jì)算中所用參數(shù)設(shè)置如下:

(1)全局當(dāng)量比φ定義為:

式中: Yfueli和Yair分別表示燃料中組分i和空氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下標(biāo)“actual”代表實(shí)際混合燃料的情況，下標(biāo)“stoich”代表完全燃燒的化學(xué)計(jì)量條件。

(2)燃料混合比率α以氫氣在燃料中所占比例進(jìn)行定義:

式中: XH2和XC2H5OH分別表示燃料中氫氣和乙醇的摩爾分?jǐn)?shù)。α越大表示燃料中氫氣含量越多，α=0時(shí)為乙醇/空氣混合氣體，α=1為氫氣/空氣混合氣體。

2　結(jié)果與分析

2.1點(diǎn)火延遲分析

CHEMKIN-PRO的零維均質(zhì)間歇式反應(yīng)器中，點(diǎn)火延遲時(shí)間有多種定義方式，本文點(diǎn)火延遲時(shí)間定義為OH*自由基達(dá)到最大生成速率時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。采用絕熱定壓系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，壓強(qiáng)為1 atm，φ=1，氫氣和乙醇混合比率范圍為［0，1］，溫度取1100 K～1600 K。

分析圖1不同比率下乙醇/氫氣/空氣混合氣體的點(diǎn)火延遲時(shí)間隨溫度的變化曲線可知，在所有混合比率情況下，點(diǎn)火延遲時(shí)間均隨溫度升高而逐漸減小。當(dāng)1000/T大于0.75，即溫度小于1333 K時(shí)，隨著氫氣含量的增加，點(diǎn)火延遲時(shí)間縮短，并且氫氣含量越高越顯著。而當(dāng)溫度高于1333 K時(shí)，隨著溫度的升高，氫氣含量對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響較為復(fù)雜，點(diǎn)火延遲現(xiàn)象受到氫氣及溫度兩個(gè)因素的影響。

圖1　不同混合比率下點(diǎn)火延遲時(shí)間隨溫度變化曲線Fig.1 Ignition delay time as a function of 1000/T for different mixing ratios

進(jìn)一步分別分析溫度低于或高于1333 K時(shí)點(diǎn)火延遲時(shí)間隨混合比率的變化情況，見圖2?？梢钥闯?，隨著溫度的升高，混合比率對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響逐漸減小。當(dāng)溫度為1100 K，1200 K和1300 K時(shí)，隨著氫氣含量增加，點(diǎn)火延遲時(shí)間逐漸減小，α小于0.6時(shí)點(diǎn)火延遲時(shí)間減小較慢，而α大于0.6時(shí)點(diǎn)火延遲時(shí)間顯著減小。而當(dāng)溫度為1400 K，1500 K和1600 K時(shí)，點(diǎn)火延遲時(shí)間在α小于0.7時(shí)隨著氫氣含量增加而減小，而當(dāng)α大于0.7時(shí)點(diǎn)火延遲時(shí)間隨氫氣含量增加而略微增大。添加氫氣能夠在很大程度上縮短混合氣體的點(diǎn)火延遲時(shí)間，并且當(dāng)溫度低于1300 K時(shí)氫氣含量越高，其對(duì)點(diǎn)火延遲現(xiàn)象的作用越明顯，能夠促進(jìn)混合氣體的點(diǎn)火進(jìn)程。

圖2　不同溫度下點(diǎn)火延遲時(shí)間隨混合比率的變化Fig.2 Ignition delay time versus mixing ratio with different temperatures

2.2一維層流預(yù)混火焰

2.2.1層流燃燒速度

層流燃燒速度是反映燃燒過(guò)程基本信息的重要參數(shù)，能夠用于驗(yàn)證化學(xué)反應(yīng)機(jī)理及內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)等方面研究中。層流燃燒速度定義為在垂直于未燃?xì)怏w方向火焰面的線性速度，通?？梢员硎緸閱挝粫r(shí)間單位面積所消耗的未燃?xì)怏w。外界壓力設(shè)為1.0 atm，未燃?xì)怏w溫度為453 K，研究預(yù)熱情況下的乙醇/氫氣/空氣一維層流預(yù)混火焰的燃燒特性。對(duì)不同混合比率及不同當(dāng)量比情況進(jìn)行模擬計(jì)算。

計(jì)算得到不同混合比率下乙醇/氫氣/空氣火焰的層流燃燒速度隨當(dāng)量比的變化曲線，如圖3。可以看出: (1)隨著當(dāng)量比的增大，層流燃燒速度先增大后減小，并在當(dāng)量比為1.1附近達(dá)到最大值; (2)當(dāng)量比大于0.7時(shí)，氫氣含量增加對(duì)層流燃燒速度影響較大。

圖4為不同當(dāng)量比情況下，混合氣體層流燃燒速度隨混合比率變化曲線。從圖4中可以看出，當(dāng)氫氣含量增加時(shí)，層流燃燒速度增大，α小于0.4時(shí)，層流燃燒速度變化較小，而當(dāng)α大于0.4時(shí)，層流燃燒速度隨混合比率的增大顯著增大。而這一變化趨勢(shì)與Al-Hamamre等［15］的研究一致。也就是說(shuō)，添加氫氣能夠提高乙醇/空氣混合氣體的火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

圖3　不同混合比率下層流燃燒速度隨當(dāng)量比的變化Fig.3 Laminar flame speed versus equivalence ratio for different mixing ratios

圖4　不同當(dāng)量比下層流燃燒速度隨混合比率的變化Fig.4 Laminar flame speed versus mixing ratio at different equivalence ratios

2.2.2預(yù)混火焰厚度及化學(xué)反應(yīng)滯留時(shí)間

預(yù)混火焰厚度值能夠在一定程度上體現(xiàn)出火焰在燃燒時(shí)能量物質(zhì)交換的強(qiáng)度，是表征火焰形態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)。太厚或者太薄的火焰厚度都可能導(dǎo)致火焰熄滅。對(duì)于火焰厚度的定義有多種，本文對(duì)于層流預(yù)混火焰厚度δl的定義如下［21］:

式中: Tu和Tad分別為未燃?xì)怏w溫度和絕熱火焰溫度; (dT/dx)max為最大溫度梯度。

層流預(yù)混火焰的化學(xué)反應(yīng)滯留時(shí)間τr定義如下［22］:

式中:δl為預(yù)混火焰厚度，ul為層流燃燒速度。

圖5為不同混合比率時(shí)乙醇/氫氣/空氣混合氣體預(yù)混火焰厚度隨當(dāng)量比的變化曲線。從圖5中可以看出: (1)在相同當(dāng)量比情況下，隨著氫氣含量的增加，火焰厚度減小，說(shuō)明氫氣的添加使得最大溫度梯度比絕熱火焰溫度升高得更多，也就是說(shuō)氫氣的添加降低了火焰區(qū)氣體的比熱，進(jìn)而使得火焰中溫度場(chǎng)梯度增大; (2)混合比率為0～0.6時(shí)，從貧燃情況到富燃情況(當(dāng)量比增大)，火焰厚度先迅速減小，隨后逐漸增大，在當(dāng)量比為1.1附近達(dá)到最小值;而混合比率為0.8時(shí)火焰厚度始終隨當(dāng)量比升高而下降。然而在Li等［14］對(duì)氫氣添加的乙醇/空氣火焰實(shí)驗(yàn)研究中，發(fā)現(xiàn)火焰厚度在當(dāng)量比為1.2附近達(dá)到最小值，這是由于該實(shí)驗(yàn)研究的當(dāng)量比增量為0.2，缺少當(dāng)量比為1.1時(shí)的火焰厚度，而本研究中當(dāng)量比增量為0.1，發(fā)現(xiàn)當(dāng)量比在1.1附近時(shí)火焰厚度達(dá)到最小值。

圖5　不同混合比率下火焰厚度隨當(dāng)量比的變化Fig.5 Flame thickness versus equivalence ratio for different mixing ratios

圖6中化學(xué)反應(yīng)滯留時(shí)間隨當(dāng)量比的變化趨勢(shì)與火焰厚度類似。分析曲線可知，在當(dāng)量比1附近，不同混合比率下的層流燃燒速度及火焰厚度雖然差異較大，但在所有混合比率情況下，乙醇/氫氣/空氣混合氣體預(yù)混火焰的化學(xué)反應(yīng)滯留時(shí)間均在10-4s量級(jí)，并且隨著氫氣含量的增加，化學(xué)反應(yīng)滯留時(shí)間均減小。而在貧燃區(qū)域，氫氣含量的增加對(duì)化學(xué)反應(yīng)滯留時(shí)間的減小影響較大，這也說(shuō)明氫氣添加能夠改善燃料在貧燃情況下的燃燒特性。

圖6　不同混合比率下化學(xué)反應(yīng)滯留時(shí)間隨當(dāng)量比的變化Fig.6 Reaction residence time versus equivalence ratio for different mixing ratios

2.2.3組分分布

為了進(jìn)一步分析氫氣添加導(dǎo)致乙醇/空氣火焰層流燃燒速度增大的原因，圖7中給出了當(dāng)量比為1，混合比率分別為0、0.2、0.4、0.6、0.8時(shí)火焰中自由基H*、O*、OH*和溫度分布及反應(yīng)物(C2H5OH、H2、O2)與生成物(CO2、H2O、CO)的分布曲線。從圖7中可以看出: (1)火焰面位置為2.45 cm～2.55 cm，在火焰面位置反應(yīng)劇烈發(fā)生，氧氣和燃料消耗非常迅速，CO2和H2O等產(chǎn)物及溫度迅速升高;在2.5 cm左右燃料已完全反應(yīng)，而氧氣濃度在燃料消耗完全之后持續(xù)緩慢下降直到穩(wěn)定;在這一區(qū)域CO快速生成，并在2.5 cm處達(dá)到最高濃度，隨后被進(jìn)一步反應(yīng)消耗，CO2濃度繼續(xù)升高;三種自由基H*、O*、OH*均在2.5 cm～2.55 cm迅速生成，在2.55 cm～3.7 cm被消耗，在整個(gè)火焰高度范圍內(nèi)，自由基摩爾分?jǐn)?shù)最高的是OH*，其次為H*，濃度最低的是O*;在這一區(qū)域溫度迅速升高，隨后逐漸增長(zhǎng)至穩(wěn)定值。(2)隨著混合比率逐漸增大，H2含量的增加導(dǎo)致H*、O*、OH*三種自由基摩爾分?jǐn)?shù)增大，混合比率為0時(shí)，H*、O*、OH*自由基摩爾分?jǐn)?shù)峰值分別為0.0096、0.0048、0.01;混合比率為0.4時(shí)，摩爾分?jǐn)?shù)峰值分別為0.011、0.055、0.011;而當(dāng)混合比率達(dá)到0.8時(shí)，三種自由基摩爾分?jǐn)?shù)峰值分別升高至0.02、0.008、0.013。這解釋了H2含量增加造成層流燃燒速度增大的原因:由于H2的添加導(dǎo)致H*、O*、OH*濃度增加，影響鏈?zhǔn)窖趸磻?yīng)，促進(jìn)了燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，從而使得層流燃燒速度增大。并且當(dāng)α小于0.4時(shí)，自由基摩爾分?jǐn)?shù)增大較少，層流燃燒速度變化曲線較為平緩，而當(dāng)α大于0.4時(shí)，自由基摩爾分?jǐn)?shù)顯著增大，因此層流燃燒速度迅速升高。

圖7　不同混合比率火焰中組分分布情況Fig.7 Flame structure including temperature，mole fractions of different species and radicals for different mixing ratios

根據(jù)以上分析，可以看出層流燃燒速度與火焰中H*、O*、OH*三種自由基的濃度變化有著密切的聯(lián)系，因此進(jìn)一步分析這三種自由基最大濃度與層流燃燒速度之間的關(guān)系。圖8分別為當(dāng)量比為1時(shí)層流燃燒速度隨H*、O*、OH*及H+O+OH摩爾分?jǐn)?shù)峰值的變化曲線，可以看出H*、O*、OH*均與層流燃燒速度存在線性關(guān)系，尤其是H+O+OH摩爾分?jǐn)?shù)峰值與層流燃燒速度之間的線性關(guān)系較為明顯，層流燃燒速度隨著H+O+OH摩爾分?jǐn)?shù)峰值的提高而線性增大。

圖8　層流燃燒速度隨H*、O*、OH*及H+O+OH摩爾分?jǐn)?shù)峰值的變化Fig.8 Laminar flame speed as a function of maximum H*，O*，OH*and H+O+OH concentration

圖9為當(dāng)量比為1時(shí)層流燃燒速度及H+O+OH摩爾分?jǐn)?shù)峰值隨混合比率的變化曲線，兩條曲線趨勢(shì)基本一致。圖10給出了貧燃條件下(當(dāng)量比分別為0.6、0.7、0.8)層流燃燒速度隨H+O+OH摩爾分?jǐn)?shù)峰值的變化曲線。從圖10中可以看出: (1)在不同貧燃當(dāng)量比情況下，層流燃燒速度及H+O+OH摩爾分?jǐn)?shù)峰值均隨氫氣添加量增加而增大; (2)在不同貧燃當(dāng)量比情況下，層流燃燒速度均隨著H+O+OH摩爾分?jǐn)?shù)峰值的增大而線性增大，擬合得到的兩者線性關(guān)系式如下:

從式5可以看出，在貧燃情況下，隨著當(dāng)量比的增大，擬合直線的截距和斜率均逐漸減小，說(shuō)明隨著當(dāng)量比的增大，H+O+OH摩爾分?jǐn)?shù)峰值對(duì)層流燃燒速度的影響逐漸減小。

為更清楚的分析三種主要自由基H*、O*、OH*的生成及消耗過(guò)程，對(duì)Marinov［16］提出的針對(duì)乙醇高溫燃燒的詳細(xì)化學(xué)機(jī)理中的主要相關(guān)反應(yīng)進(jìn)行分析，通過(guò)生成速率分析提取出與自由基H*、O*、OH*生成/消耗相關(guān)的反應(yīng)，具體反應(yīng)方程式見表1。圖11為當(dāng)量比為1時(shí)，不同反應(yīng)中H*、O*及OH*生成/消耗速率積分，其中積分絕對(duì)值小于10－5的反應(yīng)已忽略。通過(guò)比較混合比率分別為0.1、0.5及0.9時(shí)各主要反應(yīng)自由基的生成/消耗速率積分結(jié)果，可以得知: (1) H*主要通過(guò)R1(OH+H2=H+H2O)、R3(O+H2=OH+H)和R135 (CO+OH=CO2+H)生成，而通過(guò)R2(O+OH=O2+H)、R18(H+OH+M=H2O+M)被消耗; R2(O2+H=O+OH)在生成O*中起主要作用，而R3(OH+H=O+H2)和R14(O+H2O=2OH)為O的主要消耗路徑; OH*主要通過(guò)R2 (O2+H=O+OH)、R3(O+H2=OH+H)、R10(H+HO2=2OH)、 R14(O+H2O=2OH)生成，通過(guò)R1(OH+H2=H+H2O)、R18(H+OH+M=H2O+M)、R135(CO+OH=CO2+H)被消耗。(2)隨著混合比率的增大，氫氣含量增大使主要反應(yīng)的強(qiáng)度都得到顯著增加，并且與混合比率為0.5時(shí)相比，混合比率為0.9時(shí)反應(yīng)強(qiáng)度大大加強(qiáng)，尤其是H2及H參與的主要反應(yīng)R1、R2、R3反應(yīng)強(qiáng)度顯著增大。

圖9　層流燃燒速度及H+O+OH摩爾分?jǐn)?shù)峰值隨混合比率的變化Fig.9 Laminar flame speed and maximum H+O+OH mole fraction with different mixing ratios

圖10　層流燃燒速度隨H+O+OH摩爾分?jǐn)?shù)峰值的變化Fig.10 Laminar flame speed as a function of maximum H+O+OH mole fraction

圖11　不同反應(yīng)H*、O*及OH*生成/消耗速率積分Fig.11 H*，O*and OH*production rate integrals of reaction steps

表1　自由基H*、O*、OH*生成和消耗相關(guān)的主要反應(yīng)Table 1 Main reactions related to the H*，O*and OH*production and consumption

3　結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同混合比率及不同當(dāng)量比的乙醇/氫氣/空氣火焰進(jìn)行數(shù)值模擬，重點(diǎn)研究了不同混合比率對(duì)火焰點(diǎn)火延遲現(xiàn)象的影響，及不同當(dāng)量比下不同混合比率對(duì)層流燃燒速度、火焰厚度、化學(xué)反應(yīng)滯留時(shí)間和組分濃度的影響。主要結(jié)論如下:

(1)點(diǎn)火延遲時(shí)間隨溫度升高而逐漸減小，并且隨著溫度的升高，混合比率對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響逐漸減小。添加氫氣能夠在很大程度上縮短混合氣體的點(diǎn)火延遲時(shí)間，并且當(dāng)溫度低于1300 K時(shí)，氫氣含量越高，其對(duì)點(diǎn)火延遲現(xiàn)象的作用越明顯，能夠促進(jìn)混合氣體的點(diǎn)火進(jìn)程。

(2)添加氫氣能夠提高混合氣體的層流燃燒速度，并且在當(dāng)量比大于0.7時(shí)對(duì)層流燃燒速度影響較大，當(dāng)混合比率大于0.4時(shí)，其對(duì)層流燃燒速度的增大作用顯著。

(3)氫氣含量的增加使溫度梯度增大，導(dǎo)致火焰厚度及化學(xué)反應(yīng)滯留時(shí)間減小。

(4)氫氣添加提高了火焰中H*、O*和OH*自由基摩爾分?jǐn)?shù)，經(jīng)過(guò)對(duì)主要相關(guān)反應(yīng)的詳細(xì)分析可以知道，氫氣添加能夠促進(jìn)相關(guān)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，是導(dǎo)致層流燃燒速度升高的重要因素，H+O+OH摩爾分?jǐn)?shù)峰值與層流燃燒速度之間存在線性關(guān)系。

參考文獻(xiàn)

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Numerical study on effects of hydrogen addition on combustion characteristics of ethanol/air premixed flames

RAN Nan，JIANG Yong，QIU Rong，REN Xingyu
(State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology，Hefei 230026，China)

Abstract:A numerical study on ethanol/hydrogen/air premixed flames with various hydrogen fractions is carried out to investigate the effects of hydrogen addition on the ignition delay time，laminar burning velocity as well as flame structure.When more hydrogen is added to the fuel，the ignition delay time is shortened to some extent，and the effects of hydrogen addition on ignition delay time are weakened with increasing temperature.The laminar burning velocity increases with the increase of the mixing ratio，particularly when the mixing ratio is greater than 0.4.Flame thickness and characteristic residence time gradually decrease with the increase of hydrogen fraction.In addition，further analysis of the distribution of different species shows that hydrogen addition causes higher H*，O*，OH*peak concentrations，and there is a linear correlation between the peak concentration of H+O+OH and the laminar burning velocity.

Keyword: H2addition; Ethanol; Ignition delay time; Laminar burning velocity; Numerical simulation

通訊作者:蔣勇，E-mail: yjjiang@ustc.edu.cn

作者簡(jiǎn)介:冉難(1990-)，女，安全科學(xué)與工程專業(yè)研究生，研究方向?yàn)榛瘜W(xué)動(dòng)力學(xué)模擬。

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(51176181)、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2012CB719704)、高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20123402110047，20133402110010)資助項(xiàng)目。

收稿日期:2015-03-30;修改日期: 2015-05-04

DOI:10.3969/j.issn.1004-5309.2015.03.01

文章編號(hào):1004-5309(2015) -00119-10

中圖分類號(hào):TK16; X915.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A