稀釋氣對離子電流影響的試驗研究與機理分析

賈偉東,何子奇,楊猛,魏旭星,鄧宇,高忠權(quán)

(西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安)

文獻[8-9]闡述了利用離子電流測量傳播火焰速度和火焰面厚度的方法。此外,火焰的導電特性被應用于電場助燃,通過在火焰外圍施加外部電場,可以增強火焰穩(wěn)定性、提高火焰速度以及減少碳煙排放[10]。文獻[11]詳述了容彈內(nèi)甲烷/空氣球形火焰在外加電場下的燃燒加速現(xiàn)象,但未給出詳細的帶電組分作用機理。上述的離子電流法和電場助燃的基礎(chǔ)是火焰鋒面存在離子反應以產(chǎn)生一定數(shù)量的帶電組分,對火焰鋒面內(nèi)帶電組分進行詳細的數(shù)值模擬可為離子電流法和電場助燃提供理論依據(jù)。

以甲烷為主要成分的天然氣廣泛應用于火花點火發(fā)動機、燃燒爐等燃燒裝置,研究甲烷燃燒的離子反應機理可為揭示其他分子結(jié)構(gòu)復雜的碳氫燃料的離子電流的產(chǎn)生過程奠定基礎(chǔ)。因此,本文以甲烷/空氣為對象,利用CO2、N2和Ar稀釋氣體代替殘余廢氣,研究了定容燃燒彈內(nèi)稀釋氣體的種類和稀釋比例對離子電流的影響。采用試驗和數(shù)值計算結(jié)合的方法,通過構(gòu)建包含詳細離子反應的甲烷燃燒機理,利用數(shù)值模擬方法對混合氣預混層流燃燒特性進行研究,分析層流火焰結(jié)構(gòu)、離子分布和主導離子生成的反應路徑,為闡釋稀釋氣體對離子電流的影響提供理論依據(jù)。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置

圖1 試驗裝置分布圖

圖2 定容燃燒彈結(jié)構(gòu)

試驗裝置由定容燃燒彈、進排氣系統(tǒng)、點火時序電路、高速紋影攝像系統(tǒng)、燃燒壓力采集系統(tǒng)和離子電流測量回路組成,分布圖和定容燃燒彈的結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。試驗所用的定容燃燒彈內(nèi)徑為140 mm,長為180 mm,容彈內(nèi)裝有聚四氟乙烯襯套,襯套內(nèi)徑為130 mm,外徑為140 mm,長為180 mm。兩個點火電極在容彈內(nèi)豎直對稱安裝,其間距為2 mm,直徑為2 mm,材質(zhì)為45鋼。容彈前后裝有直徑為190 mm、厚度為60 mm的高抗沖石英玻璃,為紋影系統(tǒng)提供光路。試驗使用Kistler7061B型壓電傳感器、4618A電荷放大器和YOKOGAMA公司DL750示波記錄儀采集壓力信號,采樣頻率頻率為20 kHz。使用攝像機為美國REDLAKE公司的HG-100K型高速攝像機,每幀圖像的拍攝時間間隔為0.2 ms?；旌蠚馀渲梅椒ㄊ前凑盏罓栴D分壓定律分別向彈體內(nèi)注入天然氣、稀釋氣和空氣,靜置一段時間后點火,每次試驗完成后抽真空并用新鮮空氣沖洗容彈至少3次。試驗過程保持混合氣初始溫度為298 K,初始壓力為0.1 MPa,過量空氣系數(shù)λ為0.8～1.2,稀釋氣體種類CO2/N2/Ar,稀釋比例為0%、5%、10%和15%。

1.2 離子電流測量系統(tǒng)

測量電極主要由上下對稱安裝的一對L型探針構(gòu)成,探針尖端相距3 mm,距離容彈中心25 mm,材質(zhì)為不銹鋼,如圖3所示。電極直徑為1.5 mm,外圍套有內(nèi)徑為1.5 mm、外徑為2 mm的四氟乙烯絕緣管,探針一端露出長度為13 mm的絕緣管,以便電極與火焰鋒面充分接觸,另一端與四氟乙烯絕緣螺柱過盈配合。探針、絕緣管裝配在帶有管螺紋的四氟乙烯螺柱,后者通過螺紋連接安裝在容彈右側(cè)。離子電流測量回路由12 V蓄電池供電,經(jīng)DC/DC電源模塊轉(zhuǎn)為0～600 V幅值可調(diào)的直流電,RC濾波采樣電路中電阻為150 kΩ,電容為0.025 μF。上下兩個測量電極分別接正負極,當球形火焰鋒面接觸到探針裸露部分時,測量回路被導通,電流經(jīng)過RC電路濾被示波記錄儀采集并記錄。

圖3 測量電極結(jié)構(gòu)

2 機理模型構(gòu)建

Sugden等提出了火焰中離子的來源[12],即

CH+O ? CHO++e

(1)

隨后CHO+與H2O發(fā)生快速的質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應

CHO++H2O ? H3O++CO

(2)

式(2)的反應速度被認為遠高于式(1),因而CHO+的濃度遠小于H3O+的濃度。隨后,H3O+與電子發(fā)生中和反應

3.將需要改擴建的教學科研用房、師生活動用房和行政管理用房等存量項目，鑒于前面分析的原因，適用于ROT模式，付費機制可以采用政府付費或者可行性缺口補助。

H3O++e ? H2O+H

(3)

中性組分之間的離子反應是化學離子化的起點,數(shù)值模擬必須準確估計自由基濃度。伯克利大學開發(fā)的甲烷燃燒詳細機理GRI Mech3.0[15],包含325步反應和53個中性組分。該機理經(jīng)過大量驗證,適用于甲烷、氫氣及其混合氣的燃燒,能夠準確計算中間自由基。將離子反應機理Mion添加到GRI Mech3.0機理中,獲得包含離子反應的甲烷燃燒機理Mf,此機理包含401步反應和66種組分。

測量離子電流的偏置電壓為局部電壓,其值較小,不考慮其對一維自由傳播火焰計算模型的影響。Bisetti等指出,在火焰面溫度3 095 K時電子的能量很低約0.4 eV[16],這表明電子能量不足以產(chǎn)生大量的激發(fā)態(tài)組分和離子,因而本文的計算模型不包含等離子反應動力學。靜電作用勢和中程作用勢的影響有限[17],通過LJ作用勢與復雜的(n,6,4)作用勢計算而得到的組分數(shù)密度差別較小[18],在CHE-MKIN計算中只考慮LJ作用勢和相應的輸運參數(shù)。中性組分與離子、電子的溫度十分接近,且由等離子體判定參數(shù)表明火焰屬于熱平衡的弱等離子體[19],因此不使用玻爾茲曼方程求解電子,并假定帶電組分與中性組分溫度相同。

3 結(jié)果分析

3.1 機理驗證

3.1.1 層流燃燒驗證 選擇文獻[20-21]的火焰類型,通過CHEMKIN軟件計算獲得層流預混火焰的詳細信息?；鹧娴闹饕M分和溫度的分布是表征火焰的重要參數(shù),選取這些參數(shù)作為文獻值與計算值的對比指標;CH與O的離子化反應是化學離子化的起始點,CH的濃度對離子反應過程較為重要[22],需要對CH計算值的準確性與文獻值比較后進行判斷,對比結(jié)果如圖4、圖5所示,計算值和測量結(jié)果具有較好的一致性,這表明機理Mf的準確性較高。

(a)摩爾分數(shù)(b)溫度圖4 主要組分及溫度的測量值[20]與模擬值對比

(a)當量比為1.0 (b)當量比為1.2 (c)當量比為1.4 圖5 CH基濃度測量值[21]與模擬值對比

3.1.2 正離子數(shù)密度的驗證 Wortberg等測量了甲烷空氣平面火焰在大氣壓力下的總正離子數(shù)密度和溫度曲線,選取此火焰模型計算獲得正離子數(shù)密度,對比測量值和計算值[23],結(jié)果如圖6所示。由圖6可知,計算的離子數(shù)分布較窄,但能較好復現(xiàn)所測量離子數(shù)的峰值大小,因此驗證了利用Mf計算離子數(shù)密度的可行性。

圖6 總正離子密度及溫度的測量值[23]與計算值對比

3.2 典型離子電流信號的過程分析

圖7給出了過量空氣系數(shù)為1.0、稀釋比例為0%條件下離子電流曲線、壓力曲線和特征時刻所對應的火焰紋影圖片。由圖7可知,在離子電流發(fā)展過程中存在3個特征時刻:點火時刻t1,離子電流前鋒區(qū)峰值時刻t2,離子電流焰后區(qū)峰值時刻t3。在點火時刻t1之前,容彈內(nèi)混合氣靜置均勻;在點火時刻t1處,離子電流曲線出現(xiàn)很小的尖峰,這是放電瞬間產(chǎn)生的點火信號反映在測量回路中。在t1之后,球形火焰不斷傳播,當火焰前鋒面到達測量電極時,火焰面內(nèi)化學離子化所產(chǎn)生的CHO+、H3O+和e等帶電組分在測量電極所加載的偏置電壓作用下,產(chǎn)生定向運動,生成離子電流信號。火焰鋒面不斷擴展,與測量電極的接觸面積增大,更多的帶電組分被電極吸收,此時離子電流曲線不斷上升?；鹧媲颁h面完全接觸測量電極的裸露處時,離子電流達到最大值,對應時刻t2。隨后火焰?zhèn)鞑サ綔y量電極的絕緣部分,離子電流開始下降。在t3時刻,混合氣已經(jīng)完全燃燒,釋放出大量的熱量,此時壓力曲線接近峰值,表明容彈內(nèi)的已燃氣體的溫度接近最大值,部分組分熱電離產(chǎn)生正離子和電子,其中NO的電離能最小,對焰后區(qū)離子電流的貢獻占主導地位[24]。在t3時刻之后,因壁面溫度較低,水蒸氣被冷卻使得光路受到影響,圖像變暗,已燃氣體溫度下降,熱離子化過程減弱,離子電流曲線下降。本文著重分析離子電流前鋒區(qū)信號受稀釋氣體的影響。

(b)離子電流與燃燒壓力曲線圖7 λ=1.0時離子電流曲線、燃燒壓力曲線及紋影圖

3.3 稀釋氣體種類對離子電流的影響及機理分析

當λ為1.0,N2/CO2/Ar的稀釋比例分別為0%、5%、10%和15%條件下的火焰峰區(qū)離子電流信號峰值Imax及其峰值時刻t2、壓力峰值pmax及其峰值時刻tp的大小,如圖8所示。由圖8可知,隨著稀釋比例φr的增加,離子電流前鋒區(qū)信號峰值不斷減小,其峰值時刻逐漸增大,壓力峰值pmax和峰值時刻tp的大小有類似的規(guī)律性。這是由于稀釋氣體的稀釋比例越高,容彈內(nèi)部可燃混合氣的濃度下降,燃燒和化學離子化過程減弱,火焰中的離子組分數(shù)密度、燃燒放熱量和火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆?導致離子電流前鋒區(qū)峰值和壓力峰值減小,峰值時刻增大。相同的稀釋條件下,Ar稀釋對燃燒抑制效果最小,N2居中,CO2最大。

(a)電流峰值(b)壓力峰值圖8 離子電流特征峰和壓力隨稀釋氣體的變化

不同稀釋氣體種類與稀釋比例下絕熱火焰溫度、未燃混合氣比定壓熱容以及層流燃燒速率的變化曲線如圖9所示。由圖9可知,隨著稀釋比例的增加,N2/CO2/Ar分別稀釋的混合氣比定壓熱容變化趨勢不一樣,CO2稀釋的混合氣比定壓熱容最大?；旌蠚獗榷▔簾崛菰酱?吸收熱量越強,因此CO2稀釋使得燃燒壓力峰值下降最明顯,絕熱火焰溫度和層流燃燒速度的降低最明顯,導致火焰?zhèn)鞑ミ^程最慢,壓力峰值時刻也最大。

圖9 稀釋氣體對絕熱火焰溫度、比定壓熱容和 層流燃燒速度的影響

圖10 火焰面主要帶電組分分布

圖10給出了稀釋比例為0%、過量空氣系數(shù)為1.0條件下火焰鋒面內(nèi)主要離子的分布圖。由圖10可知,e、H3O+和C2H3O+的數(shù)密度在同一量級且遠大于其他帶電組分。相比于其他離子,e和H3O+的質(zhì)量小且e的遷移率高,在電壓作用下更容易達到電極,因此這兩種組分對離子電流前鋒區(qū)信號貢獻的占比很高。

圖11給出了在CO2/Ar/N2的稀釋比例為10%、過量空氣系數(shù)為1.0條件下,電子濃度達到峰值位置處的敏感性系數(shù)。由圖11可知,不同種類稀釋氣體的條件下,電子濃度對R97、R126、R125和R326這4個反應的速率常數(shù)的敏感性變化不大,而對R38反應速率常數(shù)有一定差別。在N2和Ar稀釋時,電子濃度對反應R326最敏感,而在CO2稀釋條件下,電子濃度對反應R38最敏感。

圖11 稀釋比例為10%、過量空氣系數(shù)為1.0時電子濃度的敏感性系數(shù)

R326是重要的化學離子化起始反應,并生成電子和CHO+,電子濃度對該反應的速率常數(shù)具有較大的正敏感性系數(shù),表明增加R326的反應速率,電子濃度增大。R125與R326處于競爭關(guān)系,前者的敏感性系數(shù)為負值,增大該反應速率,將使得更多的CH自由基通過O2氧化生成CHO,抑制CH與O通過R326生成電子的過程,從而減小了電子濃度。R126與R97是氫提取的過程的重要反應,R97反應消耗CH3生成激發(fā)態(tài)的CH2(S),CH2(S)可與其他分子(如N2)碰撞生成基態(tài)CH2[25],并通過R126生成離子R326的反應物CH自由基。R38是重要的鏈分支反應,生成O和OH自由基,其中O自由基是R326的反應物,增加R38的反應速率會促進電子濃度的增加,因此電子濃度對R38反應速率具有正的敏感性系數(shù)。CO2作為稀釋氣體時,電子濃度對R38速率常數(shù)更敏感,表明在此時的電子濃度更易受到R38反應速率的影響。

λ為1.0、CO2稀釋比例為10%時,在電子濃度達到峰值時CH4的氧化路徑,結(jié)果如圖12所示,O和OH參與的反應為空心箭頭,其他反應為黑色實心箭頭。由圖12可知,R38反應所生成自由基O和OH對CH4氧化過程具有重要作用。在不同稀釋氣體種類下,R38和R326的凈反應速率如圖13所示。由圖13可知,CO2稀釋導致R38具有更低的凈反應速率,使得鏈分支反應生成O和OH受到抑制,從而減緩CH4去氫和氧化過程,降低層流燃燒速率,導致燃燒過程變慢;R326在CO2稀釋時凈反應速率最低,對化學離子化的抑制最大,導致離子電流最小。

圖12 初始壓力為0.1 MPa、過量空氣系數(shù)為1.0、CO2稀釋比例為10%時CH4的氧化路徑

圖13 R38和R326的凈反應速率

3.4 過量空氣系數(shù)對離子電流的影響及機理分析

過量空氣系數(shù)為0.8～1.2、稀釋比例為10%條件下,甲烷/空氣/稀釋氣體的離子電流前鋒區(qū)電流峰值和峰值時刻,如圖14所示。由圖14可知,在不同的稀釋氣體種類下,離子電流峰值均在λ為0.95處存在最大值,此時對應的峰值時刻達到最小值。

圖14 離子電流峰值和峰值時刻隨過量空氣系數(shù)的變化

圖15 H3O+濃度的敏感性系數(shù)

以CO2稀釋比為10%工況為例,選取濃燃(λ=0.8)、接近當量比(λ=0.95)和稀燃(λ=1.2)3種工況進行一維自由傳播火焰?zhèn)鞑サ臄?shù)值模擬,CO2稀釋比例為10%的條件下,H3O+的敏感性系數(shù)如圖15所示。由圖15可知,H3O+的濃度在不同工況下的敏感性大小不同,當λ為0.8時,對反應R38、R52和R326的速率常數(shù)最敏感,而在λ為0.95、1.2時對R38和R326反應速率常數(shù)的影響,其中R52是重要的鏈終止反應,消耗活躍的自由基H和CH3,此反應將減緩CH4氫提取和氧化過程,降低層流燃燒速度。

(a)O2的消耗速率

(b)CH和O自由基的數(shù)密度分布圖16 O2的消耗速率與CH、O自由基的數(shù)密度分布

圖16給出了3種工況下,O2的消耗速率和CH、O自由基的數(shù)密度分布。由圖16可知:λ等于0.8時,O2的消耗速率最小,因而鏈分支反應R38受到抑制,生成O和OH自由基過程減緩,使得CH4去氫和氧化過程變慢;盡管O自由基數(shù)密度在λ等于0.8時相對較低,但在3種工況下O自由基的數(shù)密度比CH自由基的數(shù)密度大2～3個數(shù)量級,表明CH自由基的數(shù)密度對化學離子化過程更重要[22]。當λ為0.8、0.95時,CH自由基的數(shù)密度峰值相差不大,R326和R328的凈反應速率在接近當量比時最大,如圖17所示,這表明O和CH自由基的數(shù)密度大小不是決定化學離子化過程的唯一因素。

圖17 R326和R328的凈反應速率

利用CHEMKIN軟件計算上述3種工況的絕熱火焰溫度,結(jié)果表明過量空氣系數(shù)為0.95時,絕熱火焰溫度最高(Tad=2 016.3 K),過量空氣系數(shù)為0.8、1.2時,絕熱火焰溫度分別為1 870.3 K和1 834.5 K。化學離子化起始反應R326的凈反應速率常數(shù)為

k=ATbexp(-Ea/RT)

(4)

式中:A=2.51×1011;b=0;Ea=7 118 J/mol;R=8.314 5 J/mol。由式(4)可知,R326的反應速率常數(shù)隨著溫度T的增加而增大。溫度越高,速率常數(shù)越大,R326反應就越快,這表明化學離子化過程受溫度影響。在過量空氣系數(shù)為0.95時,O和CH自由基密度都較大,此工況下的火焰溫度最高,這些因素共同影響,導致化學離子化程度在過量空氣系數(shù)為0.95時達到最大值,因而此時的離子電流值也最大。

4 結(jié) 論

在定容燃燒彈內(nèi)初始溫度為298 K、初始壓力為0.1 MPa條件下,對Ar/N2/CO2稀釋比例為0%～15%(5%間隔)、過量空氣系數(shù)為0.8～1.2的甲烷/空氣/稀釋氣的燃燒過程進行了測量,獲取了離子電流的特征值,并利用數(shù)值模擬方法求解了火焰結(jié)構(gòu)和主要離子組分的敏感性系數(shù)和反應路徑,獲得影響化學離子化過程的主要因素,主要結(jié)論如下。

(1)隨著稀釋比例的增大,燃燒壓力和離子電流前鋒區(qū)峰值逐漸減小,壓力峰值和離子電流前鋒區(qū)峰值時刻逐漸增加。相同的稀釋條件下,Ar對燃燒和離子化過程抑制最小,N2次之,CO2最大。

(2)在不同的稀釋氣體種類下,離子電流峰值均在過量空氣系數(shù)為0.95處達到最大值,此時對應的峰值時刻最小。

(3)CO2稀釋導致R38和R326具有更低的凈反應速率,使得鏈分支反應生成O、OH過程和離子化過程受到的抑制最大,從而減緩CH4氧化過程和化學離子化程度。

(4)R326是重要的化學離子化的起始反應,O和CH自由基的數(shù)密度大小并不是決定化學離子化過程的唯一因素,溫度對離子化過程也起重要作用。這兩個因素共同影響,導致離子電流值前鋒區(qū)峰值在過量空氣系數(shù)為0.95時達到最大值。