火焰前鋒面的影響因素及展望

王秉華 孫詠 吳宇超 曹建明

摘 要：火焰燃燒的好壞直接影響排放的高低，火焰前鋒面的影響因素十分復(fù)雜，且各因素之間相互關(guān)聯(lián)、互相影響。因此，研究火焰前鋒面的影響因素顯得十分重要。文章所涉及的影響因素包括：EGR率、湍流強(qiáng)度和火核半徑、混合氣的當(dāng)量比、混合燃料、路易斯數(shù)和火焰前鋒面處密度梯度和火焰前鋒面厚度，并對(duì)日后發(fā)展做出展望。

關(guān)鍵詞：火焰前鋒面;影響因素

中圖分類(lèi)號(hào)：U434+.13 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）10-256-02

Influence Factors and Prospect of Flame Front

Wang Binghua，?Sun Yong，?Wu Yuchao，?Cao Jianming

（?School of Automobile， Chang'an University， Shaanxi Xi'an 710064?）

Abstract：?The quality of flame combustion directly affects the level of emission. The factors affecting the front of flame are very complex， and the factors are interrelated and influence each other. Therefore， it is very important to study the influence factors of flame front. The influencing factors involved in this paper include： EGR rate， turbulence intensity and core radius， equivalence ratio of mixture， mixed fuel， Lewis number， density gradient at front of flame and thickness of front of flame， and the future development is prospected.

Keywords： Frame front; Influence factor

CLC NO.：?U434+.13 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）10-256-02

引言

在環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)峻的今天，汽車(chē)的排放受到更多人的關(guān)注。而發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車(chē)的動(dòng)力源則是排放的根本所在，火焰燃燒的好壞直接影響排放的高低。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)絕大多數(shù)反應(yīng)發(fā)生在火焰前鋒面處，火焰前鋒面將整個(gè)區(qū)域分成三部分，分別是已燃區(qū)、火焰前鋒面處（反應(yīng)區(qū)）和未燃區(qū)，三者熱力狀態(tài)分化十分明顯。而火焰前鋒面厚度非常小，難以實(shí)際測(cè)量，并且火焰前鋒面具有很大的溫度梯度和密度梯度，更加增大了研究的復(fù)雜性。本文旨在指出發(fā)動(dòng)機(jī)火焰前鋒面的影響因素，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒反應(yīng)盡力趨于理論的最優(yōu)點(diǎn)。

1 火焰前鋒面的影響因素

1.1 EGR率

當(dāng)EGR率為5%增加到10%時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小，自燃現(xiàn)象減輕，自燃點(diǎn)減少。EGR率增加到15%時(shí)，火焰前鋒面被稀釋?zhuān)鹧媲颁h面密度減小，自燃點(diǎn)持續(xù)下降。EGR率增加到20%時(shí)，火焰前鋒面繼續(xù)被稀釋?zhuān)鹧媲颁h面密度進(jìn)一步減小，末端混合氣自燃消失，基本無(wú)明顯爆震產(chǎn)生^[1]。因此，隨著EGR率增加，火焰前鋒面被稀釋?zhuān)鹧媲颁h面密度減小，從而減小自燃，降低爆震概率。

1.2 湍流強(qiáng)度和火核半徑

高的湍流強(qiáng)度和小尺寸的湍流能夠有效的促進(jìn)火焰前鋒面的褶皺程度^[2]。在相同的湍流強(qiáng)度之下，隨著火核半徑的增大，火焰前鋒面的褶皺程度也隨之增大，而褶皺的火焰前鋒面可以增大火焰前鋒面積，從而增強(qiáng)火焰?zhèn)鞑ニ俣取?h3>1.3 混合氣的當(dāng)量比

隨著混合氣當(dāng)量比的增加，OH基高濃度分布區(qū)域由火焰前鋒面附近轉(zhuǎn)移到火焰邊緣。當(dāng)混合氣較稀時(shí)，OH基主要分布在火焰前鋒面附近且向已燃區(qū)發(fā)展，濃度呈現(xiàn)逐步遞減趨勢(shì)，此時(shí)擴(kuò)散作用較強(qiáng)，火焰前鋒面燃燒強(qiáng)度較低^[3]?；瘜W(xué)當(dāng)量比條件下，混合氣OH基在火焰前鋒面附近，火焰邊緣區(qū)域濃度較高。摻混N₂和CO₂會(huì)導(dǎo)致火焰前鋒面拉長(zhǎng)，同時(shí)OH基濃度在火焰前鋒面處減小，在擴(kuò)散燃燒區(qū)增強(qiáng)，說(shuō)明火焰的預(yù)混燃燒減弱，擴(kuò)散燃燒增強(qiáng)。

1.4?混合燃料

如麻風(fēng)樹(shù)油替代燃料的混合，當(dāng)量比為0.7～1.2時(shí)，火焰?zhèn)鞑シ€(wěn)定，火焰前鋒面較光滑;當(dāng)量比增至1.3～1.5時(shí)，火焰前鋒面出現(xiàn)大量裂紋，胞狀結(jié)構(gòu)和微型火團(tuán)。并且火焰?zhèn)鞑ニ俣入S當(dāng)量比先增加后減小。原因是由于馬克斯坦長(zhǎng)度的降低，影響了火焰的穩(wěn)定性^[4]。而火焰的不穩(wěn)定性是燃料化學(xué)性質(zhì)的表現(xiàn)形式，會(huì)影響火焰前鋒面的結(jié)構(gòu)和火焰前鋒面的傳播速度，也是層流燃燒向湍流燃燒轉(zhuǎn)變的一個(gè)重要原因。

1.5?路易斯數(shù)

當(dāng)質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)大于熱擴(kuò)散系數(shù)時(shí)，即當(dāng)路易斯數(shù)小于1時(shí)，由于熱擴(kuò)散的影響，燃燒會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定性^[5]。在火焰的傳播和燃燒過(guò)程中，原本光滑平整的火焰前鋒面上會(huì)出現(xiàn)裂紋、褶皺和微型火團(tuán)。

1.6?火焰前鋒面處密度梯度和火焰前鋒面厚度

火焰前鋒面處密度梯度，與火焰前鋒面兩側(cè)的已燃?xì)夂臀慈細(xì)獾拿芏缺瘸烧嚓P(guān)關(guān)系^[6，7]?；鹧媲颁h面兩側(cè)的已燃?xì)夂臀慈細(xì)獾拿芏缺仍酱?，密度梯度越大，而火焰前鋒面處密度梯度增大會(huì)導(dǎo)致流體力學(xué)不穩(wěn)定性的增大，進(jìn)而使火焰的穩(wěn)定性降低，火焰前鋒面會(huì)出現(xiàn)裂紋，當(dāng)火核半徑比較大時(shí)，影響效果更加明顯。同時(shí)流體力學(xué)不穩(wěn)定性與火焰前鋒面厚度成負(fù)相關(guān)關(guān)系，即火焰前鋒面厚度越小，密度梯度會(huì)越大，流體力學(xué)不穩(wěn)定性的增大，進(jìn)而使火焰的穩(wěn)定性降低。

2?展望

經(jīng)過(guò)前文的介紹相信讀者對(duì)火焰前鋒面的影響因素有了比較深刻的認(rèn)識(shí)，但文中影響因素都是單一作用且沒(méi)有具體的量化，只對(duì)火焰前鋒面的發(fā)展趨勢(shì)加以描述。因此，接下來(lái)應(yīng)該分為兩個(gè)方面：一者，制造合適的實(shí)驗(yàn)條件，盡量降

低其它因素的影響，對(duì)單一因素對(duì)火焰前鋒面進(jìn)行細(xì)致的研究，力求量化。二者，因?yàn)樵趯?shí)際汽車(chē)正常行駛過(guò)程中，是多種影響因素共同作用的結(jié)果，且影響因素之間也會(huì)互相影響。故在第一步的基礎(chǔ)上，綜合各因素全面考慮其對(duì)火焰前鋒面的影響，進(jìn)行影響因素之間的耦合，從而得出可以指導(dǎo)實(shí)踐的有用理論。

3 結(jié)論

（1）隨著EGR率增加，火焰前鋒面被稀釋?zhuān)鹧媲颁h面密度減小。

（2）在相同的湍流強(qiáng)度之下，隨著火核半徑的增大，火焰前鋒面的褶皺程度也隨之增大，傳播速度增加。

（3）隨著混合氣當(dāng)量比的增加，混合氣由較稀增加到化學(xué)化學(xué)當(dāng)量比時(shí)，火焰前鋒面濃度和燃燒強(qiáng)度持續(xù)增加。

（4）混合燃料（如麻風(fēng)樹(shù)油）的增多，火焰前鋒面由光滑變的出現(xiàn)大量裂紋，胞狀結(jié)構(gòu)和微型火團(tuán)。

（5）當(dāng)路易斯數(shù)小于1時(shí)，燃燒會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定性，原本光滑平整的火焰前鋒面上會(huì)出現(xiàn)裂紋、褶皺和微型火團(tuán)。

（6）火焰前鋒面處密度梯度越大，流體力學(xué)不穩(wěn)定性的增大，進(jìn)而使火焰的穩(wěn)定性降低，火焰前鋒面會(huì)出現(xiàn)裂紋、胞狀結(jié)構(gòu)和微型火團(tuán)。當(dāng)火核半徑比較大時(shí)，影響效果更加明顯。同時(shí)火焰前鋒面厚度越小，密度梯度會(huì)越大，流體力學(xué)不穩(wěn)定性的增大，進(jìn)而使火焰的穩(wěn)定性降低。

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