添加非平衡等離子體對(duì)甲烷著火性能的影響

王美琪，陳 雷，曾 文，楊 昆，馬洪安，裴 歡

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 遼寧省航空推進(jìn)系統(tǒng)先進(jìn)測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110136)

甲烷是自然界中分布最廣、最簡(jiǎn)單的碳?xì)浠衔颷1]，研究等離子體輔助甲烷燃燒機(jī)理對(duì)其他烴類的研究具有重要意義。但等離子體激發(fā)甲烷燃燒反應(yīng)機(jī)理的研究仍缺乏完整的機(jī)理文獻(xiàn)和足夠的數(shù)據(jù)支持，有待進(jìn)一步研究[2-3]。

Nagaraja[4]研究了脈沖納秒介質(zhì)阻擋放電等離子體的點(diǎn)火特性，發(fā)現(xiàn)在放電初始產(chǎn)生的活性粒子如OH、H和O等加速了混合氣中H原子的離解，并使反應(yīng)溫度有較大程度的提高;Ju[5]在等離子體助燃條件下對(duì)煤油-空氣和甲醚-空氣預(yù)混擴(kuò)散火焰進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示，非平衡等離子體可以有效地促進(jìn)低溫點(diǎn)火成功和燃料氧化；等離子體中的活性粒子能夠增強(qiáng)燃料的氧化程度從而導(dǎo)致點(diǎn)火成功。

目前，等離子體助燃反應(yīng)機(jī)理的模擬研究還處于探索階段，對(duì)等離子體強(qiáng)化燃燒的機(jī)理問(wèn)題尚未進(jìn)行深入研究[6-7]。為了探究等離子體對(duì)甲烷的點(diǎn)火特性影響，本文在CH4/空氣混合氣體中分別添加不同濃度的H、OH自由基來(lái)模擬等離子體激勵(lì)甲烷燃燒，研究等離子體對(duì)甲烷著火延遲時(shí)間的影響。

1 研究方法

1.1 模型選擇

等離子體增強(qiáng)甲烷點(diǎn)火過(guò)程涉及等離子體化學(xué)、物理和燃燒理論[8-9]。在此過(guò)程中，各組分之間存在著高度復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)、能量轉(zhuǎn)換以及自由基的積累和消耗[10-11]。

基于已有的甲烷燃燒反應(yīng)機(jī)理GRI Mech 3.0建立化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型[12-13]，在CH4/空氣混合氣的基礎(chǔ)上分別添加H自由基和OH自由基，模擬等離子體激勵(lì)甲烷點(diǎn)火過(guò)程。形成等離子體激勵(lì)甲烷燃燒機(jī)理，著重研究H自由基和OH自由基對(duì)甲烷點(diǎn)火過(guò)程的刺激作用。

1.2 敏感性分析

敏感性分析對(duì)于了解一個(gè)機(jī)理復(fù)雜的燃燒過(guò)程有著重要作用。敏感性分析是指機(jī)理中反應(yīng)參數(shù)變化對(duì)模型計(jì)算結(jié)果影響的研究，即研究計(jì)算結(jié)果對(duì)反應(yīng)參數(shù)的敏感程度[14-15]。

敏感性系數(shù)一般用控制方程來(lái)表示

F(φ(α);α)=0

(1)

其中F是方程中的殘差，φ是方程中的解向量，F(xiàn)受到參數(shù)α的影響。式(1)微分獲得了敏感性系數(shù)的控制矩陣方程

(2)

2 計(jì)算結(jié)果分析

初始條件分別為：初始溫度范圍為1 400～2 400 K、初始?jí)毫?atm、當(dāng)量比1.0；H自由基濃度分別為0.1%、0.5%、1.0%，OH自由基濃度分別為0.1%、0.5%、1.0%。在具體的模擬計(jì)算過(guò)程中，每一次計(jì)算選擇一個(gè)參數(shù)作為獨(dú)立變量，固定其他條件不變，以研究此獨(dú)立變量對(duì)甲烷燃燒的影響。

2.1 H自由基的影響

2.1.1 不同濃度的H自由基對(duì)著火延遲時(shí)間的影響

圖1給出了加入不同濃度的H自由基條件下，著火延遲時(shí)間隨溫度的變化情況。從圖1中可以看出，甲烷的著火延遲時(shí)間隨著溫度的增加逐漸減少。溫度不變的條件下，隨著加入H自由基濃度的增加，甲烷的著火延遲時(shí)間在不同程度地減小。在溫度為1 400 K時(shí)，與正常燃燒的著火延遲時(shí)間相比，加入0.1% H自由基的著火延遲時(shí)間減小約54.6%，加入0.5%H自由基的著火延遲時(shí)間減小約89.4%，加入1.0%H自由基的著火延遲時(shí)間減小約95.7%。

圖1 不同濃度的H自由基對(duì)著火延遲時(shí)間的影響

2.1.2 敏感性分析

為了進(jìn)一步研究H 自由基對(duì)甲烷著火延遲時(shí)間的影響，接下來(lái)主要分析點(diǎn)火過(guò)程中影響H自由基生成和消耗的主要化學(xué)反應(yīng)的敏感性系數(shù)。圖2給出了影響甲烷著火延遲時(shí)間的10個(gè)化學(xué)反應(yīng)式。橫坐標(biāo)表示敏感性系數(shù)，敏感性系數(shù)大于零，表示對(duì)甲烷點(diǎn)火過(guò)程有增強(qiáng)作用(減少著火延遲時(shí)間)，敏感性系數(shù)小于零表示對(duì)甲烷點(diǎn)火過(guò)程有減弱作用(增加著火延遲時(shí)間)。

在反應(yīng)初始階段加入0.5%H自由基的情況下，點(diǎn)火階段的開(kāi)始已經(jīng)存在H自由基，所以自由基H的生成反應(yīng)(R91)敏感性系數(shù)降低，H自由基的消耗反應(yīng)(R38、R53、R144)作用增強(qiáng)，敏感性系數(shù)向著減小著火延遲時(shí)間的方向增加。同時(shí)，因?yàn)镠自由基的加入OH的生成和消耗速率均增加。提高了反應(yīng)的整體速度，因此加入0.5%H減少了甲烷的著火延遲時(shí)間。

圖2 溫度敏感性分析

2.2 OH自由基的影響

2.2.1 不同濃度的OH自由基對(duì)著火延遲時(shí)間的影響

從圖3中明顯看出，加入不同濃度的OH自由基，不同程度減少了著火延遲時(shí)間。這主要是由于OH自由基對(duì)于點(diǎn)火鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是起促進(jìn)作用的，強(qiáng)化了甲烷的氧化反應(yīng)過(guò)程，從而加速反應(yīng)速度，減少著火延遲時(shí)間。

在溫度為1 400 K條件下加入0.1%OH自由基相比正常燃燒著火延遲時(shí)間減小約97.5%，加入0.5%OH自由基著火延遲時(shí)間減小約81.7%，加入1.0%OH自由基著火延遲時(shí)間減小約93.3%。但隨著溫度的增加，加入OH自由基對(duì)甲烷的著火延遲時(shí)間的影響降低。

圖3 不同濃度的OH自由基對(duì)著火延遲時(shí)間的影響

2.2.2 敏感性分析

在初始溫度為1 400 K，未加入和加入0.5%OH自由基條件下選出對(duì)甲烷著火延遲時(shí)間有重要影響的12個(gè)化學(xué)反應(yīng)式，對(duì)甲烷著火延遲時(shí)間進(jìn)行了敏感性分析。結(jié)果如圖4所示。

在甲烷/空氣自點(diǎn)火過(guò)程中，R38減少了甲烷的著火延遲時(shí)間。而當(dāng)加入0.5%OH自由基后，強(qiáng)化了各反應(yīng)式對(duì)甲烷/空氣著火延遲時(shí)間的影響作用，特別對(duì)減小著火延遲時(shí)間的R101、R113等反應(yīng)式明顯增強(qiáng)。雖然加入0.5%OH自由基之后，也不同程度增加了一些負(fù)敏感性系數(shù)，但整體上還是減小了甲烷/空氣的著火延遲時(shí)間。

圖4 溫度敏感性分析

3 結(jié)論

通過(guò)研究，得出以下結(jié)論：

(1)加入不同濃度的H自由基，可以不同程度減少著火延遲時(shí)間。在1 400 K,加入0.5%H著火延遲時(shí)間減少了89.4%。隨著初始溫度的升高，著火延遲時(shí)間減小，H自由基對(duì)著火延遲時(shí)間的影響降低。根據(jù)敏感性分析，加入0.5%H后，R38、R53、R144的反應(yīng)式明顯減少了混合氣的著火延遲時(shí)間。

(2)在1 400 K,加入0.5%的OH自由基，著火延遲時(shí)間減少了81.7%。隨著初始溫度的升高，著火延遲時(shí)間減小，OH自由基對(duì)著火延遲時(shí)間的影響作用降低。根據(jù)敏感性分析，加入0.5%OH后，R101、R113的反應(yīng)式明顯減少了CH4混合氣的著火延遲時(shí)間。雖然加入0.5%OH自由基之后，也不同程度增加了一些負(fù)敏感性系數(shù)，但整體上還是減小了甲烷/空氣的著火延遲時(shí)間。