湍流狀態(tài)下雙燃料混合物自燃和火焰?zhèn)鞑ミ^程

周 磊，劉宗寬，袁成威，張 帆，衛(wèi)海橋

(天津大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350)

隨著化石能源日益枯竭，燃用石油質(zhì)液體燃料帶來的環(huán)境問題日漸嚴(yán)峻，內(nèi)燃機(jī)節(jié)能減排技術(shù)成為研究熱點(diǎn).為控制船舶發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)海洋環(huán)境的污染，各國(guó)政府和國(guó)際組織制定的排放法規(guī)更加嚴(yán)格.國(guó)際海事組織(IMO)出臺(tái)的TierⅢ排放法規(guī)于2016 年開始生效，規(guī)定船用發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放較上一階段標(biāo)準(zhǔn)降低80%.

天然氣最主要的成分是甲烷，具有高氫碳比、燃燒清潔和儲(chǔ)量豐富等優(yōu)點(diǎn)，有望成為發(fā)動(dòng)機(jī)新型清潔替代能源的潛力.研究表明，柴油引燃天然氣船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可有效降低二氧化碳和顆粒物的排放，并可在采用稀薄燃燒技術(shù)時(shí)大幅降低NOx排放[1]，天然氣船機(jī)只需簡(jiǎn)單地增加排放后處理設(shè)備就能滿足TierⅢ排放要求.然而由于天然氣具有比熱容大、著火極限高和火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢等理化特性，以及雙燃料混合物復(fù)雜的化學(xué)動(dòng)力學(xué)原理，共同導(dǎo)致雙燃料低速機(jī)低負(fù)荷著火及燃燒穩(wěn)定性差.同時(shí)，低速機(jī)缸內(nèi)伴有湍流且空間尺度大，湍流作用下雙燃料混合氣的著火及火焰?zhèn)鞑ミ^程更加復(fù)雜；此外，缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)會(huì)造成燃料混合物濃度分層和溫度分層.因此，探究湍流對(duì)著火及火焰發(fā)展的影響有助于理解雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)自燃和燃燒模式轉(zhuǎn)變的過程.

Mastorakos 等[2]通過直接數(shù)值模擬研究湍流混合層中燃燒過程，發(fā)現(xiàn)湍流會(huì)縮短混合物滯燃期，而標(biāo)量耗散率決定著火位置，活性最強(qiáng)且標(biāo)量耗散率低的混合分?jǐn)?shù)位置最容易發(fā)生著火.此外，Pitsch 等[3]模擬研究了正庚烷噴霧的著火過程，發(fā)現(xiàn)標(biāo)量耗散率降低可提高燃燒速度.Jin 等[4]研究了湍流對(duì)三重火焰結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)由于湍流的存在，沿著化學(xué)當(dāng)量比混合分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)的位置會(huì)形成多個(gè)鋒面火焰，并在傳播過程中接觸連結(jié).Wang 等[5]通過直接模擬手段研究雙燃料層流混合層中著火到火焰穩(wěn)定傳播過程的特征時(shí)間以及特征時(shí)間與壓力、混合層厚度、預(yù)混氣溫度和當(dāng)量比等參數(shù)的擬合關(guān)系，發(fā)現(xiàn)滯燃期與溫度、壓力密切相關(guān)，峰值溫度與混合層厚度以及預(yù)混當(dāng)量比相關(guān)，穩(wěn)態(tài)傳播特征時(shí)間和混合層厚度以及層流火焰速度有關(guān).

綜上所述，針對(duì)湍流狀態(tài)下雙燃料混合物著火及火焰?zhèn)鞑ミ^程的研究還鮮見報(bào)道，尤其在低速機(jī)缸內(nèi)高溫、高壓熱力學(xué)狀態(tài)下，對(duì)湍流流場(chǎng)中雙燃料著火及燃燒機(jī)制的分析不夠全面.基于此，筆者采用直接數(shù)值模擬(DNS)方法分析湍流流場(chǎng)對(duì)雙燃料混合層著火和火焰發(fā)展過程的影響，探究雙燃料著火特性、混合層中火焰?zhèn)鞑ソY(jié)構(gòu)以及火焰發(fā)展的特征.模擬研究中分別以甲烷和正庚烷作為天然氣和柴油的替代物，相關(guān)結(jié)論可為雙燃料低速船機(jī)高效、清潔燃燒技術(shù)的開發(fā)提供一定理論依據(jù).

1 數(shù)值模型設(shè)置

1.1 數(shù)值計(jì)算方法

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的湍流燃燒由連續(xù)方程、N-S 方程以及組分和能量的輸運(yùn)方程組成，筆者使用一種高階方法數(shù)值求解控制方程[6-7].求解過程中，時(shí)間積分項(xiàng)采用二階對(duì)稱分裂算子方法，即在兩個(gè)半步的擴(kuò)散和對(duì)流時(shí)間步之間積分一個(gè)完整的化學(xué)反應(yīng)速率時(shí)間步；時(shí)間步的推進(jìn)采用二階龍格-庫(kù)塔(Runge-Kutta)結(jié)合二階Adam-Bashforth(AB2)格式；空間差分采用六階中心差分格式；組分和能量方程中的對(duì)流項(xiàng)采用五階 WENO(weighted essentially non-oscillatory scheme)格式求解.數(shù)值方法的具體描述參見文獻(xiàn)[7].

選用由Liu 等[8]提出的正庚烷簡(jiǎn)化機(jī)理，包含45組分、112 步反應(yīng).機(jī)理涵蓋正庚烷自燃、高溫化學(xué)以及甲烷氧化動(dòng)力學(xué)，可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)高壓下正庚烷滯燃期[8-9]、火焰?zhèn)鞑ニ俣群徒^熱火焰溫度[10]等關(guān)鍵參數(shù).此外，該機(jī)理廣泛用于預(yù)混甲烷混合氣下正庚烷噴霧、著火及燃燒的相關(guān)研究，與試驗(yàn)結(jié)果一致性良好[11].

1.2 計(jì)算區(qū)域及參數(shù)定義

圖1 所示二維矩形計(jì)算區(qū)域尺寸為3.2 mm×3.2 mm，計(jì)算區(qū)域由2 0482個(gè)均勻網(wǎng)格劃分，大約420 萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格解析度可達(dá)到1.56 μm[12].計(jì)算區(qū)域中正庚烷與甲烷/空氣均勻混合氣之間設(shè)置層流混合層，混合層中熱分層和組分分層根據(jù)雙曲正切函數(shù)進(jìn)行設(shè)定，即

圖1 二維湍流計(jì)算區(qū)域示意Fig.1 2D schematic of turbulence-like computational domain

式中：f (x)代表組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)或溫度隨空間位置x變化的通用參數(shù)；fR和 fL分別為右側(cè)值和左側(cè)值；cx 代表中間位置；δ為初始混合層厚度.

根據(jù)雙曲正切函數(shù)的特性，正庚烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～90%的實(shí)際分布范圍約為初始混合層厚度的3倍.計(jì)算區(qū)域初始條件設(shè)定見表1.依據(jù)合成湍流方法[13]添加湍流場(chǎng)，初始湍流場(chǎng)使用Passot 等[14]提出的各向同性能譜方程設(shè)置.平均流速設(shè)置為0，均方根流速(RMS) u＇ ＝0.5 m/s[15].積分長(zhǎng)度尺度lλ＝0.8 mm，為區(qū)域長(zhǎng)度的1/4，柯爾莫哥洛夫長(zhǎng)度尺度lk＝22μm，積分尺度雷諾數(shù)為120.

表1 二維湍流混合層參數(shù)Tab.1 Main parameters for 2D turbulence-like mixing layer

需要指出，混合層厚度δ和混合區(qū)域厚度不是同一概念，混合區(qū)域大約為3δ厚度.計(jì)算區(qū)域各組分的空間分布見圖2.計(jì)算區(qū)域左、右(垂直方向)為非反射的出流條件，上、下(水平方向)為周期性邊界條件.

圖2 初始狀態(tài)下計(jì)算區(qū)域主要組分的空間分布Fig.2 Initial distribution of major species for computational domain

研究中所用的參數(shù)混合分?jǐn)?shù)ξ根據(jù)氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行定義，公式為

2 模擬結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1 湍流場(chǎng)雙燃料著火和火焰發(fā)展

運(yùn)用CHEMKIN 軟件中零維均勻反應(yīng)器計(jì)算所得混合氣滯燃期在混合分?jǐn)?shù)空間的分布如圖3 所示.第一階段滯燃期極小值τ1,min=0.278 ms，對(duì)應(yīng)混合分?jǐn)?shù)為ξMR,1=0.240.第二階段滯燃期極小值τ2,min=0.374 ms，對(duì)應(yīng)的混合分?jǐn)?shù)為ξMR,2=0.275.由初始當(dāng)量比的分布可知，第一、二階段滯燃期極小值均發(fā)生在濃混合物中(混合物總體當(dāng)量比φ＞1).第二階段著火位置對(duì)應(yīng)溫度低于負(fù)溫度系數(shù)(NTC)溫度區(qū)間的下限為850 K，這是因?yàn)槌跏紲囟壤^續(xù)升高，NTC 現(xiàn)象將導(dǎo)致計(jì)算區(qū)域混合物滯燃期變長(zhǎng)，計(jì)算區(qū)域反應(yīng)活性最強(qiáng)的混合分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)ξMR,2位置，此處混合物濃度合適且不受NTC 效應(yīng)影響，故自燃傾向最大、滯燃期最短.

圖3 滯燃期、初始溫度和當(dāng)量比在混合分?jǐn)?shù)空間上分布Fig.3 Distribution of ignition delay times(IDs)，initial temperature and equivalence ratio in mixture fraction ξ space

溫度梯度的變化可表征化學(xué)反應(yīng)空間位置和放熱強(qiáng)度的變化，圖4 展示了不同時(shí)刻下計(jì)算區(qū)域溫度梯度的二維空間分布.計(jì)算區(qū)域局部溫度和關(guān)鍵組分的變化如圖5 所示.

圖4a 中，t＝0.313 ms 時(shí)刻白色虛線代表混合物分?jǐn)?shù)ξMR,1=0.240 等值線.圖4b 所示t＝0.383 ms 時(shí)刻白色實(shí)線代表ξMR,2=0.275 等值線.第一階段著火發(fā)生后的t＝0.313 ms 時(shí)刻、沿ξMR,1等值線左側(cè)更濃混合物位置逐漸發(fā)生反應(yīng)放熱，形成多個(gè)連接的放熱區(qū)域.結(jié)合圖5a 中t＝0.313 ms 時(shí)刻線條A 上溫度和組分分布特征，發(fā)現(xiàn)溫度梯度峰值位置和低溫化學(xué)表征組分過氧化氫酮KET(OC7OOH)峰值重合，且H2O2和HO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸升高.文獻(xiàn)[16]指出第一階段著火后，H2O2逐漸積累增多，HO2在第一階段和第二階段著火后快速上升形成峰值.綜合可知，此處火焰為正庚烷低溫化學(xué)反應(yīng)放熱主導(dǎo)形成的冷焰.文獻(xiàn)[17]研究混合層中低溫化學(xué)反應(yīng)時(shí)指出，冷焰逐漸形成于比ξMR,1更濃的混合分?jǐn)?shù)位置，與筆者分析結(jié)論一致.

第二階段著火(τig=0.372 ms)發(fā)生后，根據(jù)圖4b中t＝0.383 ms 時(shí)刻的空間放熱情況分布可知，沿著ξMR,2等值線右側(cè)稀混合物中生成多個(gè)膨脹核心，正庚烷側(cè)的濃混合物中形成薄條狀的火焰結(jié)構(gòu).由圖5b 中線條B 上的溫度、溫度梯度和組分分布可知，膨脹核心為著火后形成的高溫膨脹核心.膨脹核心邊緣放熱形成兩個(gè)溫度梯度峰值，核心內(nèi)部低溫反應(yīng)組分KET 快速消耗，高溫反應(yīng)區(qū)H2O2和HO2也在第二階段著火后開始反應(yīng)消耗.薄條狀的放熱區(qū)域KET 快速生成，定義KET 組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)峰值超過20%區(qū)域?yàn)榈蜏鼗瘜W(xué)反應(yīng)區(qū)域(綠色區(qū)域)，與窄條狀區(qū)域基本重合，可知其本質(zhì)是低溫化學(xué)反應(yīng)形成的冷焰區(qū)域.

隨著反應(yīng)進(jìn)行至圖4c 所示t＝0.403 ms 時(shí)刻，多個(gè)高溫膨脹核心逐漸連結(jié)，形成高溫的火焰?zhèn)鞑デ把?正庚烷側(cè)和甲烷側(cè)高溫火焰前沿區(qū)域?yàn)楦邷匾讶紖^(qū).在正庚烷側(cè)(濃混合物側(cè))火焰下游仍存在低溫化學(xué)形成的冷焰區(qū)，甲烷側(cè)火焰前沿反應(yīng)更強(qiáng)，溫度也快速升高.該時(shí)刻的突出特點(diǎn)是出現(xiàn)同時(shí)存在濃預(yù)混冷焰和高溫火焰的雙火焰結(jié)構(gòu)，如圖5c 所示.

圖5 標(biāo)志線條上溫度、溫度梯度和關(guān)鍵組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig.5 Spatial distribution of temperature，temperature gradient and key species along lines

反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行如圖4d 和圖4e 所示，正庚烷側(cè)傳播方向高溫火焰前沿和低溫冷焰之間的距離逐漸縮短，更濃混合物中的火焰前沿處當(dāng)量比高、氧氣含量少；而濃引燃油側(cè)反應(yīng)逐漸變緩，發(fā)生中溫化學(xué)反應(yīng).相較于層流混合層，湍流使反應(yīng)前沿變得更加褶皺，反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，甲烷側(cè)火焰鋒面褶皺程度低于正庚烷側(cè).

圖4 不同時(shí)刻下溫度梯度在計(jì)算區(qū)域的空間分布Fig.4 Distribution of temperature gradient for a sequence of time instants in the computational domain

第二階段著火后在ξMR,2右側(cè)生成多個(gè)高溫膨脹核心，為探究湍流對(duì)自燃點(diǎn)和膨脹核心出現(xiàn)位置的影響，檢測(cè)了著火時(shí)刻、膨脹核心在混合分?jǐn)?shù)梯度場(chǎng)及ξMR,2等值線上混合分?jǐn)?shù)梯度的分布特征.其中，混合分?jǐn)?shù)梯度表示混合分?jǐn)?shù)在物理空間上的梯度變化，即式中：ξ表示混合物分?jǐn)?shù).混合分?jǐn)?shù)梯度是標(biāo)量耗散率的組成部分，可用于解釋湍流等因素導(dǎo)致的混合不均對(duì)熱量和組分的耗散作用[2,18].圖6 為湍流混合層中高溫膨脹核心分布.其中，標(biāo)記區(qū)域Z1～Z4用于現(xiàn)象解釋，Z2和Z4為高溫膨脹核心區(qū)域.

由圖6a 可知，在ξMR,2等值線左側(cè)，混合分?jǐn)?shù)梯度變動(dòng)很大，而右側(cè)相對(duì)平緩，只在Z1和Z3兩個(gè)區(qū)域存在大的梯度波動(dòng).而該區(qū)域并不存在高溫膨脹核心，即該區(qū)域不適合著火和化學(xué)反應(yīng)發(fā)展.Z2和Z4兩個(gè)高溫膨脹核心生成在當(dāng)量比梯度平緩區(qū)域.分析可知，混合分?jǐn)?shù)梯度大的區(qū)域，基團(tuán)和熱量快速耗散，不利于著火核心的形成，即使著火核心形成，熱量也很快被耗散掉，無法繼續(xù)燃燒膨脹，故Z1和Z3區(qū)域無法形成高溫膨脹核心.初始火核更容易生成在ξMR等值線上標(biāo)量耗散率小的區(qū)域.

圖6 湍流混合層中高溫膨脹核心分布Fig.6 Distribution of high-temperature expanding kernels in the turbulence-like mixing layer

為進(jìn)一步分析湍流混合層中燃料著火和火焰發(fā)展過程，圖7 展示著火后溫度梯度、OH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度峰值和CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)在混合分?jǐn)?shù)空間的分布特征.由溫度梯度變化和高溫化學(xué)表征組分OH 質(zhì)量分布可知，高溫化學(xué)發(fā)生在ξMR,2=0.275 位置(濃混合物且當(dāng)量比大于1)，然后向兩側(cè)傳播，分別進(jìn)入正庚烷側(cè)和甲烷側(cè)，甲烷側(cè)的反應(yīng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于正庚烷側(cè)火焰前沿的反應(yīng)強(qiáng)度.稀引燃油側(cè)傳播的火焰前沿逐漸向化學(xué)當(dāng)量比混合分?jǐn)?shù)(ξst=0.024 9)位置傳播.2D 湍流混合層算例由于混合層厚度較大以及著火后膨脹作用，ξst位置超出計(jì)算區(qū)域外，未發(fā)現(xiàn)邊緣火焰火焰結(jié)構(gòu)和預(yù)混甲烷的引燃過程[4].圖7c 顯示著火后計(jì)算區(qū)域溫度峰值在混合物空間的變化，發(fā)現(xiàn)溫度峰值逐漸向化學(xué)當(dāng)量比混合分?jǐn)?shù)位置傳播.圖7d 展示了甲烷在濃混合物逐漸生成、在稀混合物中快速消耗的過程.第二階段著火后，濃混合物側(cè)火焰前沿由于氧含量和其他活性基團(tuán)不足，甲烷和正庚烷無法完全燃燒，正庚烷裂解反應(yīng)生成甲烷.稀混合物傳播分支，氧氣含量增多，反應(yīng)溫度逐漸升高，甲烷成分逐漸燃燒消耗.

圖7 不同時(shí)刻下溫度梯度、溫度峰值、羥基和甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨混合分?jǐn)?shù)的變化Fig.7 Conditional averaged temperature gradient，peak temperature，mass fraction of CH4 and OH against mixture fraction at different time instants

2.2 湍流場(chǎng)化學(xué)爆炸模式分析

化學(xué)爆炸模式分析(chemical explosion model analysis，CEMA)是由Lu 等[19]提出的一種定量檢測(cè)方法，可以用來識(shí)別臨界火焰特征(熄火極限和火焰前沿)、火焰和著火結(jié)構(gòu)等，已在相關(guān)研究中廣泛應(yīng)用[19-22].CEMA 基于化學(xué)源項(xiàng)雅可比矩陣 Jw的特征值確定混合物自燃傾向.

對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)離散守恒由源項(xiàng)和混合項(xiàng)構(gòu)成，即

式中：y 為因變量向量，包括組分濃度和其他穩(wěn)態(tài)變量，在CEMA 中，組分摩爾濃度和溫度包括在其中；為物質(zhì)導(dǎo)數(shù)算子；w 為源項(xiàng)；S 為混合項(xiàng).

對(duì)控制方程的兩邊取雅可比矩陣，主要包括化學(xué)源項(xiàng)的雅可比矩陣以及混合項(xiàng)的雅可比矩陣，即

式中：Ja為因變量向量物質(zhì)導(dǎo)數(shù)的雅克比矩陣；Js代表混合項(xiàng)的雅克比矩陣.CEMA 分析中，通過化學(xué)雅可比矩陣確定臨界的火焰特征.通過求解雅可比矩陣特征值λe，并利用特征值分析化學(xué)反應(yīng)特征[19,22-23]，其表達(dá)式為

進(jìn)而可得CEMA 特征值Λe，且當(dāng)Λe＞0 對(duì)應(yīng)化學(xué)爆炸模式(CEM)，Λe＜0 對(duì)應(yīng)非化學(xué)爆炸模式(Non-CEM)，Λe計(jì)算公式為

式中：be和αe分別是雅可比矩陣的左、右特征向量；eλ為雅可比矩陣的特征值；sgn()為符號(hào)函數(shù)；Re()表示取特征值的實(shí)數(shù)部分.

化學(xué)爆炸模式(CEM)下的反應(yīng)物活性較高，自燃傾向大，且Λe越大表示反應(yīng)物活性越高，自燃傾向越大，著火后燃燒劇烈，通常對(duì)應(yīng)未燃反應(yīng)區(qū)；非化學(xué)爆炸模式(Non-CEM)對(duì)應(yīng)的區(qū)域反應(yīng)活性較低，無自燃傾向.研究表明，CEM 向Non-CEM 的轉(zhuǎn)變過程與臨界火焰結(jié)構(gòu)、著火以及預(yù)混火焰前沿位置密切相關(guān)，可用來確定著火和火焰前沿的位置.同時(shí)，Λe的零臨界點(diǎn)可用于區(qū)分已燃區(qū)域和未燃區(qū)域.筆者采用CEMA 分析混合層中自燃和火焰?zhèn)鞑ヌ卣?，關(guān)于CEMA 方法的詳細(xì)介紹可參見文獻(xiàn)[21].CEMA 分析主要針對(duì)混合物中單點(diǎn)的組分濃度以及溫度，未考慮混合物中的擴(kuò)散混合作用，但并不意味混合層中組分和熱量擴(kuò)散作用不重要.

圖8～圖10 分別展示不同時(shí)刻下計(jì)算區(qū)域內(nèi)Λe、O H 質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度的分布情況.圖8a 所示t＝0.313 ms 時(shí)刻計(jì)算區(qū)域中央呈現(xiàn)窄條狀的青色區(qū)域(Λe＜0)，存在非化學(xué)爆炸模式(Non-CEM)，其形成主要與冷焰反應(yīng)有關(guān)，主要集中在第一階段著火后濃混合物中緩慢發(fā)生低溫化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域.分析該時(shí)刻下OH 組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度分布，如圖9a 和圖10a 所示，發(fā)現(xiàn)Non-CEM 區(qū)域右側(cè)區(qū)域溫度逐漸上升，形成多個(gè)高活性核心，但處于化學(xué)反應(yīng)初期，化學(xué)反應(yīng)活性仍很強(qiáng)，故對(duì)應(yīng)的位置為化學(xué)爆炸模式(CEM).

圖8 不同時(shí)刻下計(jì)算區(qū)域Λe 空間分布Fig.8 Spatial distribution ofΛe in the computational domain at different times

圖9 不同時(shí)刻下計(jì)算區(qū)域OH空間分布Fig.9 Spatial distribution of OH concentration in the computational domain at different times

圖10 不同時(shí)刻下計(jì)算區(qū)域溫度空間分布Fig.10 Spatial distribution of temperature in the computational domain at different times

圖8b 所示t＝0.383 ms 時(shí)刻第二階段著火發(fā)生后，著火核心燃燒后發(fā)熱膨脹，形成高溫膨脹核心，因而離散的高溫膨脹核心著火后形成藍(lán)色(Λe＜0)的Non-CEM 區(qū)域.實(shí)際上，難以找到合適的OH 組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)限值來確定反應(yīng)前沿，在圖9b 中該時(shí)刻下OH 質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高處和已燃區(qū)并非完全匹配，而使用CEMA 分析方法可以量化方式準(zhǔn)確地確定火焰前沿和反應(yīng)區(qū)域.

反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行至t＝0.403 ms 時(shí)刻，多個(gè)位置相繼進(jìn)入第二階段著火時(shí)期，已存在的高溫膨脹核心膨脹連結(jié)，開始在空間上形成兩個(gè)獨(dú)立的區(qū)域.同時(shí)，正庚烷側(cè)下游存在冷焰形成的條狀Non-CEM 區(qū)域.高溫已燃區(qū)和冷焰區(qū)中間的中溫反應(yīng)區(qū)仍然保持較高的自燃傾向.t＝0.430 ms 時(shí)刻低溫冷焰和高溫已燃Non-CEM 區(qū)域已經(jīng)連結(jié)，繼續(xù)向兩側(cè)傳播.

3 結(jié)論

(1) 第一階段著火后，湍流作用下在ξMR,1等值線邊緣偏濃區(qū)域逐漸生成冷焰；第二階段著火后，在ξMR,2等值線偏甲烷側(cè)生成多個(gè)高溫的膨脹核心；高溫核心在混合分?jǐn)?shù)平緩的區(qū)域更易生成；混合分?jǐn)?shù)梯度過大會(huì)增大標(biāo)量耗散率，加強(qiáng)熱量和活性基團(tuán)的耗散，不利于燃燒反應(yīng)的穩(wěn)定進(jìn)行.

(2) 不同于層流混合層中火焰前沿，湍流作用下火焰前沿形成褶皺向兩側(cè)傳播；位于熱膨脹核心位置的火焰前沿傳播較快，混合分?jǐn)?shù)梯度大的區(qū)域反應(yīng)進(jìn)行緩慢，反應(yīng)前沿傳播滯后；甲烷側(cè)氧含量高，前沿傳播加快，火焰前沿褶皺程度逐漸降低；正庚烷側(cè)火焰前沿在傳播下游存在冷焰反應(yīng)區(qū)域，呈現(xiàn)“雙火焰”結(jié)構(gòu)，冷焰位置低溫化學(xué)組分KET 大量生成，火焰前沿處溫度高，高溫化學(xué)反應(yīng)組分OH 大量生成；隨著反應(yīng)進(jìn)行，火焰前沿傳播至更濃混合物中，雙火焰面之間的距離逐漸縮短.

(3) 由混合分?jǐn)?shù)空間上溫度、組分和溫度梯度時(shí)間變化特征可知，甲烷側(cè)的化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度更大，反應(yīng)前沿逐漸向ξst位置傳播；另外，甲烷組分在混合分?jǐn)?shù)空間上同時(shí)存在生成和消耗反應(yīng)區(qū)，甲烷側(cè)的溫度高且氧氣充分，甲烷分子氧化消耗，而正庚烷側(cè)氧含量低，正庚烷無法完全氧化，部分裂解反應(yīng)生成甲烷分子；CEMA 分析發(fā)現(xiàn)特征值可以準(zhǔn)確地區(qū)分冷焰和高溫膨脹核心區(qū)，相較于表征組分等值線的方式，可以量化確定反應(yīng)區(qū)、火焰前沿和雙燃料NTC 效應(yīng)影響的中溫反應(yīng)區(qū).