高壓甲烷射流對(duì)層流火焰作用的試驗(yàn)

雷 艷，丁夢(mèng)竹，仇 滔，李 泳，劉佳星，趙 寧

(北京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與生命學(xué)部，北京 100124)

天然氣是我國(guó)內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的代用燃料．天然氣缸內(nèi)直噴技術(shù)有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率并降低有害排放，是當(dāng)前天然氣內(nèi)燃機(jī)的重要技術(shù)手段[1-2]，也成為了研究的熱點(diǎn)和前沿[3]．

天然氣直噴噴射方式(包括預(yù)噴的天然氣量和噴射正時(shí))對(duì)天然氣燃燒影響很大．牛培錚等[4]研究發(fā)現(xiàn)，采用EGR率為25%耦合少量米勒循環(huán)并適當(dāng)提前天然氣噴射正時(shí)，能夠降低NOx排放．王解托等[5]研究了不同天然氣預(yù)噴策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性及性能的影響，結(jié)果表明：預(yù)噴比例相較于預(yù)噴間隔對(duì)燃燒過(guò)程的影響更顯著，預(yù)噴間隔在較大的預(yù)噴比例下才會(huì)顯著影響缸內(nèi)燃燒放熱過(guò)程．Zeng等[6]研究了缸內(nèi)直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在不同燃料噴射正時(shí)和恒定噴射時(shí)間下的燃燒特性，驗(yàn)證了存在一個(gè)最佳燃料噴射正時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率達(dá)到最高，且保持較低水平的HC和CO排放．Moon[7]研究了直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在不同噴射時(shí)間下熱效率、燃燒速度、燃燒穩(wěn)定性和排放特性，并比較了直接噴射和端口噴射的燃燒特性，結(jié)果表明：低負(fù)荷條件下，天然氣缸內(nèi)直噴可以有效地提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率．劉亦夫等[8]探究了點(diǎn)火時(shí)刻與噴射時(shí)刻對(duì)火焰發(fā)展周期和發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性的影響，驗(yàn)證了隨著噴射時(shí)刻和點(diǎn)火時(shí)刻的提前，發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放增多，NOx和HC排放增大．林學(xué)東等[9]研究了缸內(nèi)直噴壓縮天然氣(CNG)發(fā)動(dòng)機(jī)噴射方式對(duì)火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?，證明了雙點(diǎn)火時(shí)缸內(nèi)氣流對(duì)先形成的火焰有“牽引作用”，噴射時(shí)刻越推后，缸內(nèi)混合氣不均勻性越強(qiáng)，燃燒放熱速率及其峰值越高，燃燒放熱持續(xù)時(shí)間越短．劉亮欣等[10]研究了天然氣缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)在不同噴射時(shí)刻下的燃燒特性，驗(yàn)證了燃料噴射太遲和過(guò)早都會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放有較大影響．王金華等[11]研究了點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)天然氣摻氫缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放的影響，結(jié)果表明：噴射結(jié)束時(shí)刻與點(diǎn)火時(shí)刻的間隔對(duì)直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)極為重要．

上述研究都是在發(fā)動(dòng)機(jī)上開(kāi)展，證明了天然氣射流對(duì)缸內(nèi)的燃燒影響很大，但是沒(méi)有說(shuō)明射流對(duì)火焰的作用規(guī)律，因而有必要在天然氣高壓射流如何影響火焰方面開(kāi)展基礎(chǔ)研究．Rengel等[12]研究了甲烷在不同環(huán)境壓力下射流火焰的幾何特性，證明了環(huán)境壓力越低，射流火焰的升起距離越大，輻射火焰長(zhǎng)度越短，總火焰長(zhǎng)度基本保持恒定．翁武斌等[13]利用平面激光誘導(dǎo)氫氧基熒光(OH-PLIF)技術(shù)研究了甲烷/空氣預(yù)混射流火焰在不同出口雷諾數(shù)下，不同氮?dú)庀♂尡壤龑?duì)火焰前鋒面結(jié)構(gòu)特性的影響．覃建果等[14]對(duì)甲烷富氧燃燒層流同軸射流擴(kuò)散火焰進(jìn)行了數(shù)值研究，結(jié)果表明：提高噴射壓力，射流擴(kuò)散火焰半徑變小，火焰長(zhǎng)度基本保持不變，火焰溫度先升高后降低．Gholamisheeri等[15]對(duì)甲烷湍流噴射點(diǎn)火系統(tǒng)的湍流流場(chǎng)進(jìn)行了模擬和試驗(yàn)，證明了湍流能夠顯著減少反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間，促進(jìn)稀薄燃燒．劉奕等[16]對(duì)甲烷-空氣二維平面湍射流火焰進(jìn)行了大渦模擬，指出射流擴(kuò)散火焰的發(fā)展具有初始的“湍流控制”階段和充分發(fā)展的“化學(xué)反應(yīng)控制”階段．Zheng等[17]研究發(fā)現(xiàn)，隨著氣缸內(nèi)燃料從均質(zhì)分布變?yōu)榉謱臃植迹鹧鎮(zhèn)鞑サ谋壤黾?，燃燒反?yīng)速率降低．Sankaran等[18]通過(guò)數(shù)值模擬分析了湍流攪拌對(duì)火焰結(jié)構(gòu)和厚度的影響，結(jié)果表明：由于湍流的作用，火焰的熱預(yù)熱層變厚，湍流強(qiáng)度增加，火焰表面積增大．

綜上可知，射流對(duì)火焰發(fā)展存在重要的影響．缸內(nèi)直噴的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，不管是柴油引燃還是火花點(diǎn)火，都會(huì)形成預(yù)混火焰，然后天然氣高速射流進(jìn)入氣缸，在預(yù)混火焰的作用下燃燒．為了研究天然氣直噴射流對(duì)預(yù)混火焰的影響，筆者搭建了定容燃燒彈光學(xué)測(cè)試臺(tái)架，以甲烷作為氣體燃料，采用點(diǎn)火針點(diǎn)燃甲烷射流，開(kāi)展不同噴射延時(shí)工況條件下甲烷射流著火特性測(cè)試，研究甲烷射流對(duì)預(yù)混層流火焰的影響．

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)以甲烷為氣體燃料，采用火花點(diǎn)火方式．圖1為可視化試驗(yàn)系統(tǒng)示意，其中噴嘴到點(diǎn)火針的距離為40mm．可視化試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括：定容燃燒彈、光學(xué)紋影系統(tǒng)和氣體供給系統(tǒng)等．定容燃燒彈兩端采用石英玻璃作為高速相機(jī)的光學(xué)通道，光可以透過(guò)視窗經(jīng)反射后進(jìn)入高速相機(jī)．表1為試驗(yàn)儀器參數(shù)．

圖1 可視化試驗(yàn)系統(tǒng)示意 Fig.1 Schematic of visual experimental system

表1 試驗(yàn)儀器參數(shù) Tab.1 Parameters of experimental instruments

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的兩種甲烷噴射模式為預(yù)先噴射和射流噴射．試驗(yàn)首先采用壓縮空氣機(jī)向定容燃燒彈內(nèi)充入空氣，背景壓力為0.1MPa，并將定容燃燒彈內(nèi)溫度加熱至300℃；然后預(yù)先噴射甲烷，保持預(yù)制混合氣的當(dāng)量比為1.16，并靜置一段時(shí)間后再控制點(diǎn)火針點(diǎn)火，高速相機(jī)同步開(kāi)始拍攝．點(diǎn)火之后再次噴射甲烷，預(yù)先噴射和再次噴射的射流脈寬均為6.0ms．整個(gè)控制參數(shù)如圖2所示，點(diǎn)火時(shí)刻與噴射時(shí)刻之間的間隔為噴射延時(shí)τ．為了研究甲烷對(duì)不同預(yù)混點(diǎn)燃火焰發(fā)展規(guī)律的影響，試驗(yàn)具體參數(shù)如表2所示．

圖2 噴射過(guò)程的控制參數(shù) Fig.2 Control parameters of injection process

表2 試驗(yàn)參數(shù) Tab.2 Experimental parameters

1.3 參數(shù)說(shuō)明

選定甲烷射流方向和垂直于甲烷射流兩個(gè)方向進(jìn)行研究，圖3為火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x示意，點(diǎn)火中心沿射流方向的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x為Ry，點(diǎn)火中心沿垂直于射流方向的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x為Rx．火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?/p>

圖3 火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x定義 Fig.3 Definition of flame propagation distance

火焰等效為球形，利用火焰等效半徑R這一參數(shù) 來(lái)表征火焰大小，由于球形半徑與面積、周長(zhǎng)有關(guān)，因而S為射流剛好接觸火焰邊界時(shí)預(yù)混火焰的投影面積，L為具有相同投影面積的圓的周長(zhǎng)，如圖4所示．

圖4 火焰等效半徑示意 Fig.4 Schematic of equivalent flame radius

1.4 圖像處理

為了保證預(yù)混火焰能夠穩(wěn)定點(diǎn)燃，將點(diǎn)火前定容燃燒彈內(nèi)的背景氣體加熱并保持在300℃，甲烷點(diǎn)燃后迅速燃燒產(chǎn)生大量熱量，彈內(nèi)溫度迅速升高，彈內(nèi)氣體受熱產(chǎn)生熱運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致紋影拍攝的擾動(dòng)急劇增加．為了減少擾動(dòng)對(duì)射流與火焰的影響，試驗(yàn)過(guò)程中降低了紋影系統(tǒng)的敏感度，來(lái)更好地捕獲射流與火焰．但是預(yù)混層流火焰形成后，火焰內(nèi)部與外部的密度梯度變化程度遠(yuǎn)大于甲烷與熱空氣的密度梯度變化，背景、火焰的拍攝效果較好，而射流卻不容易被捕捉到．

因此，通過(guò)Matlab編程進(jìn)行圖像處理，對(duì)原始拍攝圖像進(jìn)行背景減除、閾值分割，在保持火焰邊界清晰的基礎(chǔ)上，最大限度地捕獲了射流，并獲得了火焰?zhèn)鞑ゾ嚯xRx、Ry和預(yù)混火焰的投影面積S等數(shù)據(jù)．

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 預(yù)混靜置時(shí)間對(duì)預(yù)混層流火焰的影響

圖5為不同預(yù)混靜置時(shí)間的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x對(duì)比．所有火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x與時(shí)間的關(guān)系呈線(xiàn)性，這表明燃燒是球形發(fā)展，為層流火焰．同時(shí)隨著預(yù)混靜置時(shí)間的不斷增大，預(yù)混靜置時(shí)間對(duì)預(yù)混層流火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x的影響越來(lái)越小．由于試驗(yàn)的甲烷噴射延時(shí)τ最大 為3.0ms，截止到5.0ms時(shí)，預(yù)混靜置時(shí)間大于0.8s，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x基本不變．因而為了保持預(yù)混層流火焰發(fā)展的一致性，筆者選取預(yù)混靜置時(shí)間為0.8s．

圖5 不同預(yù)混靜置時(shí)間的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x對(duì)比 Fig.5 Comparison of flame propagation distance under different premixed time

2.2 射流時(shí)刻對(duì)預(yù)混層流火焰的影響

圖6為不同噴射延時(shí)τ下預(yù)混層流火焰等效半徑R的變化．可以看出，隨著噴射延時(shí)的增大，預(yù)混層流火焰R呈線(xiàn)性增加．這是因?yàn)閲娚溲訒r(shí)變長(zhǎng)，預(yù)混層流火焰發(fā)展的時(shí)間更充足，導(dǎo)致等效半徑也隨之增大．同時(shí)，當(dāng)噴射時(shí)刻在點(diǎn)火時(shí)刻(τ＝A2ms)之前，即在射流脈寬持續(xù)期內(nèi)點(diǎn)火，未能形成層流火焰，射流也無(wú)法被點(diǎn)燃，預(yù)混層流火焰R為0．表明必須存在噴射延遲才會(huì)形成預(yù)混層流火焰，并進(jìn)一步引燃射流．

圖6 噴射延時(shí)對(duì)預(yù)混層流火焰等效半徑的影響 Fig.6 Effect of injection delay time on the equivalent radius of premixed laminar flame

圖7為噴射延時(shí)為0ms的火焰發(fā)展過(guò)程，點(diǎn)火時(shí)預(yù)混火焰的等效半徑R為1.4mm．可以看出，未出現(xiàn)甲烷射流之前，火焰的發(fā)展過(guò)程與純預(yù)混層流火焰相似，橢球狀火焰前鋒面平滑，火焰邊界緩慢向外擴(kuò)大．因?yàn)榧淄閲娚渑c點(diǎn)火同步發(fā)生，層流火焰的橢球面較小，當(dāng)射流接觸火焰表面時(shí)，橢球狀火焰開(kāi)始發(fā)生變形．開(kāi)始時(shí)層流火焰邊界大部分能維持原狀，部分邊界受到射流的沖擊而消失．隨著射流繼續(xù)向 前發(fā)展，受到甲烷射流卷吸的影響，火焰難以維持橢球狀，開(kāi)始大幅度變形．最后，甲烷射流所具有的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于預(yù)混層流火焰的能量，火焰邊界難以維持，橢球面逐漸縮小，直至消失，火焰被射流吹熄．

圖7 噴射延時(shí)為0ms時(shí)的火焰發(fā)展過(guò)程(R＝1.4mm) Fig.7 Development process of flame with injection delay time of 0ms(R＝1.4mm)

可知，當(dāng)預(yù)混層流火焰發(fā)展不穩(wěn)定或者強(qiáng)度較低時(shí)，高壓射流會(huì)抑制層流火焰的發(fā)展，吹熄層流火焰．

圖8示出噴射延時(shí)分別為1.0ms和3.0ms、點(diǎn)火時(shí)預(yù)混層流火焰R分別為2.6mm和6.1mm的火焰發(fā)展過(guò)程．可以看出，在未受到甲烷射流影響之前，預(yù)混層流火焰發(fā)展規(guī)律與純預(yù)混燃燒相似．甲烷射流開(kāi)始接觸到火焰邊界，火焰鋒面開(kāi)始變形．當(dāng)射流達(dá)到沿射流方向火焰最外沿處，火焰無(wú)法保持橢球狀，R為2.6mm的火焰邊界幾乎完全消失；但在預(yù)混層流火焰完全消失之前，射流被預(yù)混火焰引燃，開(kāi)始迅速燃燒，其火焰鋒面變得極度不平滑，射流火焰形成大量的褶皺．而R為6.1mm的火焰，其小部分邊界消失；但同時(shí)預(yù)混層流火焰仍舊存在，在不受射流干擾的區(qū)域保持較為平滑的火焰鋒面．此時(shí)，出現(xiàn)了層流燃燒火焰與湍流燃燒火焰共存的現(xiàn)象．隨著射流火焰撞壁，火焰褶皺迅速增加．

圖8 存在噴射延時(shí)的火焰發(fā)展過(guò)程 Fig.8 Development process of flame with injection delay time

因此，甲烷的噴射延時(shí)決定了預(yù)混層流火焰的發(fā)展，表現(xiàn)為預(yù)混層流火焰R不同．預(yù)混層流火焰R越大，層流火焰的穩(wěn)定性更高，甲烷射流對(duì)預(yù)混層流火焰的抑制作用越小，更容易形成湍流燃燒．當(dāng)預(yù)混層 流火焰有充足的時(shí)間發(fā)展、火焰強(qiáng)度足夠大時(shí)，射流將不會(huì)抑制預(yù)混層流火焰的發(fā)展，還會(huì)增強(qiáng)預(yù)混層流火焰，促進(jìn)層流燃燒向湍流燃燒轉(zhuǎn)變，彈體內(nèi)出現(xiàn)層流火焰與湍流燃燒火焰共存的現(xiàn)象．

2.3 噴射延時(shí)對(duì)火焰發(fā)展的影響

2.3.1 火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x的變化

由于甲烷射流對(duì)不同等效半徑的預(yù)混層流火焰作用規(guī)律不同，筆者開(kāi)展了不同預(yù)混層流火焰R下的甲烷射流燃燒測(cè)試，圖9為不同R下火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x對(duì)比．預(yù)混層流火焰R＝0mm時(shí)，在甲烷噴射期間點(diǎn)火，出現(xiàn)火花，但未形成火焰．因而，Ry和Rx都瞬時(shí)增大，而后急劇減小到0．

圖9 不同等效半徑下火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x對(duì)比 Fig.9 Comparison of flame propagation distance under different equivalent radius

預(yù)混層流火焰R＝1.4mm時(shí)，在噴射與點(diǎn)火同時(shí)發(fā)生時(shí)，層流火焰出現(xiàn)，Ry緩慢增加．射流沖擊預(yù)混點(diǎn)燃火焰，破壞了預(yù)混層流火焰的穩(wěn)定性，Ry呈現(xiàn)出短暫的波動(dòng)，火焰熄滅后，Ry迅速變?yōu)?，Rx的趨勢(shì)與Ry一致．

預(yù)混層流火焰R＝2.6mm時(shí)，在未出現(xiàn)射流時(shí)，Ry和Rx都緩慢增加，趨勢(shì)與純預(yù)混火焰相似；隨后，Ry迅速增加，而Rx先保持不變后逐漸減小(接近于0)，最終再次急劇增加．此階段預(yù)混點(diǎn)燃火焰熄滅，導(dǎo)致Rx逐漸減小，而射流被引燃，使得Ry突增、Rx也迅速增加．當(dāng)射流導(dǎo)致預(yù)混層流火焰熄滅時(shí)，當(dāng)前預(yù)混層流火焰R即為臨界火焰半徑R0，即R0＝2.6mm．

預(yù)混層流火焰R＝6.1mm時(shí)，Rx和Ry先呈線(xiàn)性 增加，當(dāng)射流被引燃之后，Ry急劇增加，Rx略微減小并保持穩(wěn)定，隨著射流的持續(xù)，射流燃燒火焰覆蓋面積迅速增大，導(dǎo)致Rx繼續(xù)增加，此時(shí)層流燃燒與湍流燃燒共存．射流被引燃后，湍流燃燒逐漸占主導(dǎo)地位．

2.3.2 火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓?/p>

圖10為不同R下火焰?zhèn)鞑ニ俣葘?duì)比．可以看出，預(yù)混層流火焰R＝0mm時(shí)，由于點(diǎn)火與噴射同時(shí)發(fā)生，在射流脈寬內(nèi)點(diǎn)火，點(diǎn)火火花出現(xiàn)后無(wú)法形成預(yù)混點(diǎn)燃火焰，vy和xv先變?yōu)樨?fù)值，而后變?yōu)?．

圖10 不同等效半徑下火焰?zhèn)鞑ニ俣葘?duì)比 Fig.10 Comparison of flame propagation speed under different equivalent radius

預(yù)混層流火焰R＝1.4mm時(shí)，由于預(yù)混層流火焰半徑較小，火焰強(qiáng)度較低，在射流出現(xiàn)以后，預(yù)混層流火焰被射流吹熄，vy和xv都表現(xiàn)為短暫增大后迅速變?yōu)樨?fù)值，并最終趨向于0．受到高速射流的影響，vy的變化趨勢(shì)相較于xv更劇烈．

預(yù)混層流火焰R＝2.6mm時(shí)，在未形成湍流燃燒前，甲烷射流帶動(dòng)預(yù)混層流火焰向前發(fā)展，vy一直處于波動(dòng)增大的狀態(tài)，在射流被引燃形成湍流燃燒后，vy的峰值大約為13m/s．而射流向前發(fā)展的過(guò)程中，受到射流的卷吸作用，vx逐漸減小為負(fù)值，而后隨著射流燃燒的產(chǎn)生，vx又逐漸增大，并保持為7m/s左右．

預(yù)混層流火焰R＝6.1mm時(shí)，由于預(yù)混層流火焰穩(wěn)定性高，在射流穿過(guò)火焰后，vy先保持為3m/s不變，射流燃燒開(kāi)始后，vy急劇增大到18m/s．在層 流燃燒階段，vx在3m/s穩(wěn)定不變，而后射流出現(xiàn)，破壞了層流燃燒火焰的邊界，vx逐漸減小到負(fù)值．當(dāng)層流燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧魅紵?，vx迅速增加為13m/s．

綜上可知，當(dāng)預(yù)混層流火焰的R為2.6mm時(shí)，甲烷射流仍舊會(huì)導(dǎo)致層流火焰的熄滅，但與預(yù)混層流火焰R為0mm和1.4mm時(shí)不同，甲烷射流在吹熄層流火焰后仍舊被引燃，形成了湍流燃燒．因而存在一個(gè)臨界等效半徑R0＝2.6mm，甲烷射流仍舊會(huì)抑制預(yù)混層流火焰的發(fā)展，但能夠被層流火焰引燃，形成湍流燃燒，進(jìn)而促進(jìn)預(yù)混層流火焰的發(fā)展．

3 結(jié) 論

(1) 甲烷的噴射延時(shí)決定了預(yù)混層流火焰的發(fā)展，表現(xiàn)為預(yù)混層流火焰的R不同；R越大，預(yù)混層流火焰強(qiáng)度越高．

(2) 隨著預(yù)混層流火焰R的增大，層流火焰的穩(wěn)定性更高，不易被吹熄，甲烷射流更易被預(yù)混層流火焰引燃，形成湍流燃燒．

(3) 存在一個(gè)臨界等效半徑R0，預(yù)混層流火焰被射流吹熄，但預(yù)混層流火焰成功引燃射流，射流成功著火，形成湍流燃燒；當(dāng)R大于臨界值R0后，甲烷射流更易被預(yù)混層流火焰引燃，同時(shí)，預(yù)混層流火焰未受射流干擾區(qū)域仍舊保持層流火焰，此時(shí)層流火焰、湍流燃燒火焰并存，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌欤?/p>