CH4/C10H22混合燃料燃燒特性實(shí)驗(yàn)及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究

羅 睿，劉 宇，孫 震，馬洪安，陳瀟瀟，曾 文(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部(院)，沈陽(yáng) 110136)

CH4/C10H22混合燃料燃燒特性實(shí)驗(yàn)及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究

羅 睿，劉 宇，孫 震，馬洪安，陳瀟瀟，曾 文
(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部(院)，沈陽(yáng) 110136)

為研究CH4/C10H22混合燃料的燃燒特性，在定容燃燒彈中測(cè)量了初始?jí)毫?.1 MPa、初始溫度420 K、當(dāng)量比范圍0.8～1.5和CH4含量0～0.8的CH4/C10H22混合燃料的層流燃燒速度，采用CHEMKIN軟件對(duì)CH4/C10H22混合燃料層流燃燒速率進(jìn)行了數(shù)值模擬，同時(shí)對(duì)燃燒質(zhì)量流量進(jìn)行了敏感性分析。結(jié)果表明，CH4含量的增加抑制了CH4/C10H22混合燃料層流燃燒速度，當(dāng)CH4含量大于0.8時(shí)，混合燃料層流燃燒速度顯著降低。通過(guò)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析可知，CH4/C10H22混合燃料的層流燃燒速度主要受燃燒過(guò)程中H、O和OH等活性自由基的影響，其中，H自由基影響最為顯著，CH4增加使H自由基生成速率降低是導(dǎo)致混合燃料層流燃燒速度降低的主要原因。

混合燃料；定容燃燒彈；層流燃燒速度；敏感性分析；活性自由基;反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

為解決我國(guó)石油對(duì)外依存度持續(xù)增高所帶來(lái)的能源安全問(wèn)題，以及滿足國(guó)際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)(IATA)提出的航空減排要求，尋求和開發(fā)航空替代燃料已迫在眉睫[1-2]。目前，合成燃料(煤和天然氣基合成燃料)、生物燃料和低溫燃料是航空替代燃料關(guān)注的焦點(diǎn)?，F(xiàn)階段，科研人員對(duì)合成燃料和生物燃料已進(jìn)行詳細(xì)研究和全面報(bào)道，但對(duì)低溫燃料，由于存在諸多技術(shù)問(wèn)題，還未見(jiàn)詳細(xì)報(bào)道[3-4]。

低溫燃料是指將氣態(tài)燃料在常壓下通過(guò)深冷技術(shù)轉(zhuǎn)化而成的液態(tài)燃料，主要包括液化氫氣(LH)和液化天然氣(LNG)兩種。相關(guān)研究表明，低溫燃料能量密度高，可提供更大推力，同時(shí)，低溫燃料冷卻能力強(qiáng)，能夠解決高速發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻問(wèn)題。

LNG主要成分是CH4(CH4)，其沸點(diǎn)和密度較高。應(yīng)用LNG時(shí)，由低溫和容積引起的技術(shù)難題遠(yuǎn)比LH容易解決。同時(shí)，由于CH4具有存儲(chǔ)量豐富，價(jià)格低廉，燃燒排放少以及能夠保證火災(zāi)爆炸安全等諸多優(yōu)勢(shì)，LNG有望成為航空業(yè)節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的最有效替代燃料[5-7]。然而，LNG作為航空替代燃料也存在問(wèn)題，研究人員通過(guò)對(duì)航空煤油和LNG的基本物性以及其著火與燃燒特性比對(duì)分析發(fā)現(xiàn)，LNG氣化成CH4后體積熱值降低，且CH4具有燃點(diǎn)高和火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷忍攸c(diǎn)，這些都不利于其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用[8]。因此，為充分利用航空煤油與LNG各自優(yōu)點(diǎn)，研究人員提出了采用LNG/航空煤油混合燃料作為航空替代燃料的設(shè)想，并計(jì)劃對(duì)其著火與燃燒特性進(jìn)行研究，同時(shí)論證其應(yīng)用可行性。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)LNG主要成分CH4以及多種航空煤油(Jet A-1、JP-8和JP-10等)的燃燒特性進(jìn)行了大量研究。Hassan[9]、Rozenchan[10]、Park[11]、Lowry[12]等都曾采用過(guò)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量寬廣工況范圍下(初始?jí)毫?.1～0.5 MPa、當(dāng)量比0.8～1.4)CH4/空氣混合氣層流燃燒速度。采用球形火焰法，何佳佳等[13]在定容燃燒裝置中獲得不同當(dāng)量比和不同初始溫度下的CH4/空氣混合氣層流燃燒速率。結(jié)果表明，拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾?、無(wú)拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俾屎蜔o(wú)拉伸層流燃燒速率均隨初始溫度的增加而增加。常銘等[14]對(duì)天然氣/空氣層流火焰速率和馬克斯坦常數(shù)展開了研究。結(jié)果表明，馬克斯坦常數(shù)隨著當(dāng)量比的增加而增加，層流火焰速率在當(dāng)量比1.1附近達(dá)到最大。在航空煤油燃燒特性方面，Vukadinovic等[15]在定容燃燒彈中獲得Jet A-1航空煤油層流燃燒速度和馬克斯坦長(zhǎng)度，并與Gu、Kumar等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，分析了初始?jí)毫?.1～0.8 MPa、初始溫度373～473 K和當(dāng)量比0.67～1.43范圍下初始溫度和初始?jí)毫?duì)Jet A-1層流燃燒速度和火焰穩(wěn)定性的影響。曾文等[16]在定容燃燒反應(yīng)裝置中測(cè)量了初始?jí)毫?.1～0.7 MPa、初始溫度390～450 K、當(dāng)量比在0.6～1.6范圍中RP-3航空煤油的層流燃燒速度和馬克斯坦長(zhǎng)度，分析了初始溫度、壓力以及當(dāng)量比對(duì)火焰發(fā)展結(jié)構(gòu)、層流燃燒速度及馬克斯坦長(zhǎng)度的影響。鄭東等[17]采用對(duì)沖火焰實(shí)驗(yàn)平臺(tái)獲得了RP-3航空煤油及其4組分替代燃料的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

由國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀可知，目前學(xué)者對(duì)CH4及航空煤油燃燒特性的研究多集中在CH4和航空煤油單組分燃料燃燒特性上，對(duì)CH4/航空煤油混合燃料燃燒特性的研究較為匱乏。因此，本文擬開展CH4/C10H22混合燃料燃燒特性研究，其中CH4代表了LNG氣化后的主要成分，而C10H22因具有與航空煤油相似的物理和化學(xué)性質(zhì)，被用作航空煤油單組份替代燃料。本文將采用定容燃燒反應(yīng)裝置對(duì)0～0.8 CH4含量CH4/C10H22混合燃料在初始溫度420 K、初始?jí)毫?.1 MPa、當(dāng)量比0.8～1.5范圍下的燃燒特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并使用CHMKIN對(duì)混合燃料進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析。

1 CH4/C10H22混合燃料燃燒特性實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

定容燃燒反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示[18]，該裝置包括定容燃燒彈、點(diǎn)火系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、高速攝像與紋影系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。定容燃燒彈為不銹鋼圓柱型，其內(nèi)徑為180 mm，容積約為5.5 L，如圖2所示。燃燒彈內(nèi)布置有點(diǎn)火電極，燃燒彈外裝有壓力傳感器、壓力變送器、溫度傳感器、液體燃料注射閥與進(jìn)排氣閥等。燃燒彈兩端裝有80 mm厚石英玻璃窗，窗口直徑為130 mm。本實(shí)驗(yàn)將采用背影法拍攝CH4/C10H22混合燃料火焰發(fā)展照片，所用高速攝像機(jī)為幻影Phantom v611，拍攝速度為10 000幅/秒。

實(shí)驗(yàn)中，先根據(jù)C10H22與CH4化學(xué)分子式計(jì)算出各當(dāng)量比與各CH4含量下C10H22、CH4、O2和N2的體積分?jǐn)?shù)，然后根據(jù)分壓定律計(jì)算各組分分壓，制定配氣表。其次，依據(jù)分壓依次充入相應(yīng)組分，最后通過(guò)中心電極點(diǎn)火，同時(shí)觸發(fā)高速攝像機(jī)對(duì)火焰發(fā)展進(jìn)行拍照。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

對(duì)于球形擴(kuò)散火焰，火焰半徑對(duì)時(shí)間的變化率即為拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n[19]

(1)

式(1)中r為火焰半徑，t為時(shí)間。

火焰拉伸率α為火焰表面上一個(gè)無(wú)限小面積的對(duì)數(shù)值對(duì)時(shí)間的變化率

(2)

式(2)中A為火焰前鋒面積。

如果燃燒火焰為球形擴(kuò)散火焰，運(yùn)用球形的面積公式，式(2)還可以表示為

(3)

由馬克斯坦理論可知，球形擴(kuò)散火焰的無(wú)拉伸層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐l與拉伸層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n之間存在如下線性關(guān)系

Sl-Sn=Lbα

(4)

利用式(2)與式(4)可以求出Sn與α，將Sn-α直線倒推至α=0，直線在Sn軸上的截距即為無(wú)拉伸層流火焰?zhèn)鞑ニ俾?，直線的斜率取相反數(shù)即為馬克斯坦長(zhǎng)度Lb。

根據(jù)在火焰前鋒面上的質(zhì)量守恒，有

Aρuul=AρbSl

(5)

式(5)中ρu與ρb分別為已燃區(qū)與未燃區(qū)混合氣的密度。

由式(5)可獲得層流燃燒速度ul

ul=(ρbSl)/ρu

(6)

圖1 定容燃燒反應(yīng)裝置圖

圖2 定容燃燒彈

1.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證定容燃燒實(shí)驗(yàn)裝置所獲得層流燃燒速度的準(zhǔn)確性，本文分別對(duì)初始?jí)毫?.1 MPa、初始溫度400 K、當(dāng)量比0.8～1.3范圍的C10H22/空氣混合氣和初始?jí)毫?.1 MPa、初始溫度320 K、當(dāng)量比0.8～1.3范圍的CH4/空氣混合氣層流燃燒速度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)裝置所得C10H22/空氣和CH4/空氣混合氣層流燃燒速度與其他學(xué)者在相同工況下獲得層流燃燒速度對(duì)比如圖3所示，本文所獲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與相關(guān)文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致。C10H22/空氣和CH4/空氣混合氣層流燃燒速度呈現(xiàn)出隨當(dāng)量比先增加后減小的趨勢(shì)，且最大值出現(xiàn)在當(dāng)量比1.1左右。

圖3 C10H22和CH4層流燃燒速度的驗(yàn)證

2 CH4/C10H22混合燃料燃燒特性的數(shù)值模擬

2.1 CH4/C10H22混合燃料燃燒反應(yīng)機(jī)理

C10H22是航空煤油的重要組成，由于其分子結(jié)構(gòu)與RP-3航空煤油較為接近，理化性質(zhì)也比較相似，因此C10H22可作為航空煤油的單組分替代燃料或多組分替代燃料的一種成分。Bikas等[20]曾構(gòu)建過(guò)一種正癸烷燃燒機(jī)理，該機(jī)理包含67種組分和600個(gè)基元反應(yīng)。Westbrook等[21]發(fā)展了一種同時(shí)適用于低溫和高溫的正癸烷詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理(包含952種組分和3 899個(gè)基元反應(yīng))，該機(jī)理與多個(gè)模型反應(yīng)器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，吻合較好。Battin-Leclerc等[22]構(gòu)建了包含1 216種組分和7 920個(gè)基元反應(yīng)的正癸烷詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理，能夠精確預(yù)測(cè)溫度550～1 600 K范圍內(nèi)的著火延遲時(shí)間。在國(guó)外學(xué)者研究基礎(chǔ)之上，劉建文等[23]通過(guò)簡(jiǎn)化方法獲得了一個(gè)正癸烷燃燒反應(yīng)骨架機(jī)理，該機(jī)理包含62種組分和422個(gè)基元反應(yīng)。在Peters等機(jī)理的基礎(chǔ)上，姚通等人[24]通過(guò)反應(yīng)路徑分析和敏感性分析發(fā)展了一個(gè)包含46種組分和167個(gè)基元反應(yīng)、用于描述正癸烷著火與燃燒過(guò)程的簡(jiǎn)化化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該機(jī)理能夠更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)正癸烷低溫和高溫條件下的著火延遲時(shí)間和火焰?zhèn)鞑ニ俣?。曾文等[25]依據(jù)Bikas等提出的正癸烷著火與燃燒的化學(xué)反應(yīng)詳細(xì)機(jī)理，并綜合考慮Honnet等對(duì)之提出的修改，形成了正癸烷預(yù)混燃燒的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理(包括67種組分、344個(gè)基元反應(yīng))。該反應(yīng)機(jī)理包括H2的氧化反應(yīng)、CO與CO2、C1(CH、HCO、CH2、CH2O、CH3、CH3O、CH2OH、CH4、CH3OH)、C2(C2H、C2H2、C2H3、CH3CO、C2H4、C2H5、C2H6)、C3(C3H3、C3H4、C3H5、C3H6、C3H7、C3H8、C3H6O)、C4(C4H2、C4H3、C4H4、C4H5、C4H6、C4H7、C4H8、C4H9)、C5(C5H10、C5H11)、C6(C6H12、C6H13)、C7(C7H14、C7H15)的生成與氧化反應(yīng)及n-C10H22的熱裂解與氧化反應(yīng)。其中n-C10H22的熱裂解與氧化反應(yīng)的主要基元反應(yīng)步如表1所示。

表1 正癸烷(n-C10H22)熱裂解與氧化的主要反應(yīng)步

CH4是最簡(jiǎn)單的碳?xì)淙剂?，一種小分子的碳?xì)浠衔铮锿轭A(yù)混燃燒的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理中包含了CH4燃燒的主要反應(yīng)，一般認(rèn)為正癸烷詳細(xì)機(jī)理可以預(yù)測(cè)這種小分子化合物與正癸烷混合燃料的燃燒特性。因此，本文使用曾文等修正獲得的正癸烷燃燒化學(xué)反應(yīng)詳細(xì)機(jī)理(包括67種組分、600個(gè)反應(yīng))進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.2 CH4/C10H22混合燃料燃燒層流燃燒速度

使用曾文等提出的正癸烷燃燒詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理對(duì)CH4/C10H22混合燃料層流燃燒速度進(jìn)行計(jì)算，圖4給出了計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比較結(jié)果。由圖4可見(jiàn)，該機(jī)理對(duì)CH4/C10H22混合燃料層流燃燒速度的預(yù)測(cè)基本合理。

另外，從圖4中可以看出，在當(dāng)量比0.8～1.3范圍內(nèi)，CH4含量為0、0.4和0.8的CH4/C10H22混合燃料層流燃燒速度的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值都隨當(dāng)量比呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)，其峰值出現(xiàn)在當(dāng)量比1.1左右。對(duì)于計(jì)算值，CH4含量0時(shí)CH4/C10H22混合燃料層流燃燒速度的計(jì)算值最高，隨著CH4含量的增加，CH4/C10H22混合燃料層流燃燒速度逐漸降低，且這種變化趨勢(shì)在CH4含量從0.4增加到0.8時(shí)更為明顯。對(duì)于實(shí)驗(yàn)值，如圖4所示，當(dāng)量比1.1～1.2范圍的CH4/C10H22混合燃料層流燃燒速度與計(jì)算值規(guī)律一致。綜合分析可知，在當(dāng)量比1.1～1.2范圍，添加少量CH4對(duì)CH4/C10H22混合燃料層流燃燒速度影響很小，而隨著CH4含量增加，混合燃料層流燃燒速度降低趨勢(shì)變得明顯。

層流燃燒速度強(qiáng)烈依賴于絕熱火焰溫度，且燃燒過(guò)程中活性自由基(H、O和OH等)對(duì)層流燃燒速度影響也較大。因此，為闡明CH4含量對(duì)CH4/C10H22混合燃料層流燃燒速度的影響，需要進(jìn)一步對(duì)CH4/C10H22混合燃料燃燒過(guò)程進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析。

2.3 CH4/C10H22混合燃料質(zhì)量燃燒流量的敏感性分析

本文通過(guò)對(duì)CH4/C10H22混合燃料燃燒進(jìn)行敏感性分析來(lái)說(shuō)明主要基元反應(yīng)對(duì)層流燃燒速度的影響。通過(guò)設(shè)置CHEMKIN PRO(rate of production)中Species Sensitivity and ROP選項(xiàng)對(duì)CH4/C10H22混合燃料進(jìn)行質(zhì)量燃燒流量的敏感性分析。圖5給出了初始溫度420 K、初始?jí)毫?.1 MPa以及當(dāng)量比1.1時(shí)，CH4含量分別為0、0.4和0.8的CH4/C10H22混合燃料質(zhì)量燃燒流量的敏感性分析結(jié)果，圖5中TX、PX代表多種同分異構(gòu)體。敏感性系數(shù)為正代表該基元反應(yīng)對(duì)燃料燃燒起促進(jìn)作用，提高燃燒速度；敏感性系數(shù)為負(fù)代表該基元反應(yīng)對(duì)燃料燃燒起抑制作用，降低燃燒速度。由圖5可知，CH4含量為0、0.4和0.8工況下，由H原子開始產(chǎn)生自由基的鏈分支反應(yīng)H+O2<=>O+OH都對(duì)燃燒過(guò)程起著極大的促進(jìn)作用，這是由于一系列大分子基團(tuán)需要通過(guò)自由基的撞擊來(lái)發(fā)生反應(yīng)；隨著CH4含量的增加，其敏感因子逐漸增大。其次，OH+CO<=>H+CO2和HO2+CH3<=>OH +CH3O也是對(duì)燃燒過(guò)程起促進(jìn)作用的主要基元反應(yīng)，其中OH+CO<=>H+CO2是燃燒過(guò)程中主要的熱量來(lái)源，其敏感因子隨CH4含量的增加變化不明顯；H+HO2<=>O2+H2和反應(yīng)速率較慢的三分子反應(yīng)H+CH3(+M)<=> CH4(+M)是對(duì)燃燒過(guò)程起抑制作用的主要基元反應(yīng)，H+HO2<=>O2+H2的敏感因子隨CH4含量變化不明顯，而CH4含量的增加直接導(dǎo)致了H+CH3(+M)<=>CH4(+M)對(duì)反應(yīng)過(guò)程的抑制作用增加。從圖4中可以看出，在所有工況下，主導(dǎo)層流燃燒速度的反應(yīng)均為包含小分子基團(tuán)的雙分子反應(yīng)。

圖4 CH4/C10H22的層流燃燒速度計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比較

圖5 燃燒質(zhì)量流量的敏感性分析

3 CH4/C10H22混合燃料燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析

3.1 H、O和OH自由基濃度分析

正癸烷是一種大分子碳?xì)浠衔?，自由?H、O和OH)撞擊大分子基團(tuán)破壞C-H鍵，生成活性基團(tuán)是其燃燒過(guò)程中的一種主要反應(yīng)類型。此外，H、O和OH等自由基的活性很高，燃燒過(guò)程中大部分鏈?zhǔn)椒磻?yīng)都受到自由基濃度的影響，因此H、O和OH自由基濃度的變化將對(duì)CH4/C10H22混合燃料層流燃燒速度造成直接影響。

圖6為在初始?jí)毫?.1 MPa、初始溫度420 K、當(dāng)量比為1.1時(shí)CH4/C10H22混合燃料燃燒過(guò)程中H、O和OH自由基摩爾分?jǐn)?shù)隨CH4含量的變化。從圖6可以看出，CH4含量的增加使CH4/C10H22混合燃料燃燒過(guò)程中H、O和OH自由基的摩爾分?jǐn)?shù)降低，其中H和O自由基摩爾分?jǐn)?shù)降低的趨勢(shì)較為明顯，而OH自由基摩爾分?jǐn)?shù)變化不大。同時(shí)，這種趨勢(shì)在CH4含量大于0.8時(shí)表現(xiàn)得更為明顯。分析說(shuō)明，CH4含量的增加對(duì)燃燒過(guò)程中O和H自由基濃度產(chǎn)生的影響較大，而對(duì)OH自由基濃度影響較??；此外，自由基濃度隨CH4含量的增加呈現(xiàn)非線性變化規(guī)律，CH4含量超過(guò)0.8后，自由基濃度隨CH4含量的變化較為明顯，這種趨勢(shì)與該工況下CH4/C10H22混合燃料燃燒的層流燃燒速隨CH4含量變化趨勢(shì)相符。綜上可以看出，在該工況下，H、O和OH自由基濃度隨著CH4含量的增加而降低，層流燃燒速度也隨之降低。

3.2 H自由基生成速率(ROP)分析

本文通過(guò)對(duì)H自由基進(jìn)行ROP分析來(lái)說(shuō)明CH4含量對(duì)CH4/C10H22混合燃料燃燒過(guò)程中H自由基生成速率的影響。圖7為在初始?jí)毫?.1 MPa、初始溫度420 K、當(dāng)量比1.1以及CH4含量0.6時(shí)，對(duì)CH4/C10H22燃燒過(guò)程中H自由基生成速率影響最大的10個(gè)基元反應(yīng)，其中正值表示通過(guò)該反應(yīng)產(chǎn)生了H自由基，負(fù)值表示通過(guò)該反應(yīng)消耗了H自由基。從圖7可以看出，在CH4/C10H22混合燃料的燃燒過(guò)程中，R3:OH+H2<=>H+H2O是產(chǎn)生H自由基最主要的基元反應(yīng)，其次OH自由基和CO通過(guò)氧化反應(yīng)R22:OH+CO<=>H+CO2生成H自由基和CO2，醛基HCO通過(guò)反應(yīng)R31:HCO+M<=>H+CO+M生成H自由基以及R2:O+H2<=> H+OH也是產(chǎn)生H自由基的主要反應(yīng)。圖7中消耗H自由基的主要反應(yīng)是R1:H+O2<=>O+OH，同時(shí)基元反應(yīng)R55:H+CH2O<=>HCO+H2、R133:H+C2H4<=>C2H3+H2及R6:H+HO2<=>2OH也消耗H自由基。

圖6 CH4添加對(duì)H、O和OH摩爾分?jǐn)?shù)的影響

圖7 H自由基生成速率

圖8 CH4含量對(duì)H自由基生成速率的影響

圖8為初始?jí)毫?.1 MPa、初始溫度420 K、當(dāng)量比1.1時(shí)，主要影響H自由基生成和消耗的基元反應(yīng)R1、R3和R22生成H自由基的速率隨著CH4含量的變化趨勢(shì)。圖8顯示隨著CH4含量的增加，R3:OH+H2<=>H+H2O和R22:OH+CO<=> H+CO2生成H自由基的速率逐漸降低，R1:H+O2<=>O+OH消耗H自由基的速率也逐漸降低，且這一變化趨勢(shì)在CH4含量大于0.8時(shí)表現(xiàn)的更為明顯。結(jié)合圖5、圖6、圖7和圖8可知，層流燃燒速度受燃燒過(guò)程中H自由基生成速率的影響最大，CH4含量的增加使H自由基生成速率降低，從而導(dǎo)致層流燃燒速度減小。

4 結(jié)論

本文利用定容燃燒彈對(duì)CH4含量0～0.8、初始溫度420 K、初始?jí)毫?.1 MPa、當(dāng)量比0.8～1.5條件下的CH4/C10H22混合燃料層流燃燒速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，并采用曾文等提出的正癸烷著火與燃燒的化學(xué)反應(yīng)詳細(xì)機(jī)理進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析，得到如下結(jié)論：

(1)不同CH4含量的CH4/C10H22混合燃料層流燃燒速度均隨當(dāng)量比呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)，且其峰值均出現(xiàn)在當(dāng)量比1.1左右。在當(dāng)量比1.1～1.2范圍，CH4含量為0時(shí)，CH4/C10H22混合燃料層流燃燒速度最高，隨著CH4含量的增加，CH4/C10H22混合燃料層流燃燒速度逐漸降低。

(2)通過(guò)對(duì)CH4/C10H22混合燃料燃燒質(zhì)量流量進(jìn)行敏感性分析，獲得影響混合燃料燃燒過(guò)程的主要基元反應(yīng)，得出H+O2<=>O+OH對(duì)燃燒過(guò)程起主要的促進(jìn)作用，而H+CH3(+M)<=> CH4(+M)對(duì)燃燒過(guò)程起主要的抑制作用。

(3)通過(guò)對(duì)燃燒過(guò)程中H、O和OH自由基濃度分析得知，CH4/C10H22混合燃料的層流燃燒速度主要受燃燒過(guò)程中H、O和OH等自由基的影響，其中，H自由基影響最為顯著，CH4增加使H自由基生成速率降低是導(dǎo)致混合燃料層流燃燒速度降低的主要原因。

[1] 柴建,張鐘毓,李新,等.中國(guó)航空燃油消費(fèi)分析及預(yù)測(cè)[J].管理評(píng)論,2016,28(1):11-21.

[2] 楊萬(wàn)柳.國(guó)際航空排放全球治理的國(guó)際視域[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2015,17(4):123-128.

[3] T K HARI,Z YAAKOB,N N BINITHA.Aviation biofuel from renewable resources:Routes,opportunities and challenges[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2015,42(10):1234-1244.

[4] C ZHANG,X HUI,Y Z LIN,et al.Recent development in studies of alternative jet fuel combustion:Progress,challenges,and opportunities[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2016,54(9):120-138.

[5] M R WITHERS,R MALINA,C K GILMORE.Economic and environmental assessment of liquefied natural gas as a supplemental aircraft fuel[J].Progress in Aerospace Sciences,2014,66(2S) :17-36.

[6] T CONROY,K L E WEI,C BIL.Liquefied Natural Gas Aircraft:A Life Cycle Costing Perspective[R].AIAA 2014-0182.

[7] R A ROBERTS,S R NUZUM,M WOLFF.Liquefied natural gas the next aviation fuel[R].AIAA 2015-4247.

[8] M YAHYAOUI,A ANANTHA-SUBRAMANIAN,I LOMBA-VALOT.The use of LNG as aviation fuel:combustion and emissions[R].AIAA,2015-3730.

[9] M I HASSAN,K T AUNG,G M FAETH.Measured and predicted properties of laminar premixed methane/air flames at various pressures[J].Combustion & Flame,1998,115(4):539-550.

[10]G ROZENCHAN,D L ZHU,C K LAW.Outward propagation,burning velocities,and chemical effects of methane flames up to 60 ATM[J].Proceedings of Combustion Institute,2002,29(2):1461-1470.

[11]O PARK,P S VELOO,N LIU.Combustion characteristics of alternative gaseous fuels[J].Proceedings of the Combustion Institute,2011,33(1):887-894.

[12]W LOWRY.Laminar flame speed measurements and modeling of pure alkanes and alkane blends at elevated pressures[J].Journal of Engineering for Gas Turbines & Power,2011,133(133):855-873.

[13]何佳佳，胡二江，金春，等.不同初始溫度下CH4-空氣混合氣層流燃燒速率的測(cè)定[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2009,27(6):478-492.

[14]常銘，苗海燕，路林，等.初始溫度/壓力對(duì)天然氣層流燃燒速率的影響[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，2010,16(4):309-316.

[15]V VUKAKINOVIC,P HABISREUTHER,N ZARZALIS.Influence of pressure and temperature on laminar burning velocity and Markstein number of kerosene Jet A-1:Experimental and numerical study[J].Fuel,2013,111(3):401-410.

[16]曾文，陳欣，馬洪安，等.RP-3航空煤油層流燃燒特性的實(shí)驗(yàn)[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2015,30(12):2888-2896.

[17]鄭東，于維銘，鐘北京.RP-3航空煤油替代燃料及其化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2015(4):636-642.

[18]E J HU,Z H HUANG,J J HE.Experimental and numerical study on laminar burning characteristics of premixed methane/hydrogen/air flames[J].International Journal of Hydrogen Energy,2009,34(11):4876-4888.

[19]D BRADLEY,R A HICKS,M LAWES.The measurement of laminar burning velocities and Markstein numbers for iso-octane/air and iso-octane/n-heptane/air mixtures at elevated temperatures and pressures in an explosion bomb[J].Combustion & Flame,1998,115(1-2):126-144.

[20]BIKAS G,PETERS N.Kinetic modelling of n-decane combustion and autoignition[J].Combustion and Flame,2001,126(1/2):1456- 1475.

[21]CK WESTBROOK,WJ PITZ,O HERBINET,et al.A comprehensive detailed chemical kinetic reaction mechanism for combustion of n-alkane hydrocarbons from n-octane to n-hexadecane[J].Combustion and Flame,2007,156(1):181-199.

[22]F BATTIN-LECLERC,R FOURNET,PA GLAUDE,et al.Modeling of the gas-phase oxidation of n-decane from 550 to 1600K[J].Proceedings of the combustion institute,2000,28(2):1597-1605.

[23]劉建文，熊生偉，馬雪松，等.正癸烷燃燒詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理的構(gòu)建及簡(jiǎn)化[J].推進(jìn)技術(shù)，2012,33(1):64-68.

[24]姚通，鐘北京.正癸烷著火及燃燒的化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2013,29(2):237-244.

[25]曾文，李海霞，馬洪安，等.RP-3航空煤油模擬替代燃料的化學(xué)反應(yīng)詳細(xì)機(jī)理[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2014,29(12):2810-2816.

ExperimentalstudyandreactionkineticsanalysisoncombustioncharacteristicsofCH4/C10H22mixedfuel

LUO Rui,LIU Yu，SUN Zheng，MA Hong-an，CHEN Xiao-xiao，ZENG Wen
(Faculty of Aerospace Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

To investigate the effect of methane addition on the combustion characteristics of C10H22/air mixture,laminar burning velocities of CH4/C10H22/air mixture were measured in a constant volume chamber with initial pressure of 0.1MPa,initial temperature of 420 K,equivalence ratios of 0.8-1.5 and methane additions of 0-0.8.The combustion flow quality of CH4/C10H22/air was simulated by CHEMKIN software and its sensitivity was further analyzed.The results show that the methane addition can restrain the laminar burning velocities of C10H22/air mixtures.When methane addition is more than 0.8,the laminar burning velocities of CH4/C10H22/air mixtures decrease significantly.The kinetic analysis shows that the laminar burning velocity of CH4/C10H22/air mixture is mainly affected by the H,O and OH active radicals,and especially the effect of H active radical is the most significant.It can be concluded that the decrease of H active radical caused by the methane addition mainly results in the decrease of the laminar burning velocity of CH4/C10H22/air mixture.

mixed fuel;constant volume chamber;laminar burning velocity;sensitivity analysis;active radical；reaction kinetics

2017-09-28

國(guó)家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào)：51606129；51676132);遼寧省自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào)：2013024009)。

羅 睿(1995-)，女，湖南懷化人，碩士研究生，主要研究方向：燃料燃燒特性實(shí)驗(yàn)及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，E-mail:952676877@qq.com；劉 宇(1983-)，男，遼寧興城人，講師，博士，主要研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒特性實(shí)驗(yàn)及燃燒反應(yīng)機(jī)理,E-mail:liuyu_201409@163.com。

2095-1248(2017)06-0046-09

V312

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2017.06.008

吳萍 英文審校：趙歡)