甲烷/氫氣/空氣混合氣激光誘導(dǎo)等離子體點(diǎn)火特性

王朝君，黃詩晗，胡二江，高群飛，黃佐華

(西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，陜西西安，710049)

稀薄燃燒具有污染物排放低，經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，受到燃燒學(xué)界和工業(yè)界越來越多的關(guān)注。但是，稀薄燃燒在實(shí)際應(yīng)用上存在一些問題。對于稀燃混合氣，尤其是在低壓下，點(diǎn)火將會變得非常困難，這給燃燒系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來了極大挑戰(zhàn)，如航空發(fā)動機(jī)通常工作在稀燃、高流速和貧氧等極端條件下，發(fā)生熄火的可能性較大，如果不能保證穩(wěn)定、可靠的點(diǎn)火，有可能發(fā)生嚴(yán)重的安全事故。對于傳統(tǒng)的火花塞點(diǎn)火技術(shù)來說，一般采用高壓放電去提高點(diǎn)火的穩(wěn)定性，但是也會縮短火花塞使用壽命，造成安全隱患。因此，激光誘導(dǎo)等離子體點(diǎn)火技術(shù)(laser-induced plasma ignition，LIPI)逐漸被重視。

與火花塞點(diǎn)火相比，激光誘導(dǎo)等離子體點(diǎn)火能量密度高，可以提高燃燒效率，擴(kuò)大稀燃極限[1-4]。同時(shí)，LIPI 點(diǎn)火時(shí)電磁輻射較小，降低了電磁干擾的風(fēng)險(xiǎn)[5]。此外，LIPI點(diǎn)火還可以更好地控制點(diǎn)火時(shí)間和位置，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)點(diǎn)火[6-7]。

天然氣是目前最有發(fā)展前景的替代燃料之一。它的主要成分是甲烷，其火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊?、最小點(diǎn)火能量高，尤其在稀燃條件下點(diǎn)火困難的問題更加突出，這制約了稀燃技術(shù)在天然氣發(fā)動機(jī)上應(yīng)用。氫氣具有極快的火焰?zhèn)鞑ニ俣群洼^低的最小點(diǎn)火能量，與天然氣摻混可以提高天然氣發(fā)動機(jī)稀燃混合氣的點(diǎn)火成功率和火焰?zhèn)鞑ニ俣萚8-11]。

ZHANG 等[12]在定容燃燒彈上開展CH4/O2/N2混合氣體激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)純氧條件下，混合氣的化學(xué)反應(yīng)速率過快，使火核難以形成環(huán)狀和第三瓣結(jié)構(gòu)，隨著壓力和激光能量降低，更容易形成環(huán)形結(jié)構(gòu)；MAHAMUD 等[13]建立了雙脈沖激光點(diǎn)火的二維數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)雙脈沖激光點(diǎn)火可以增強(qiáng)稀燃甲烷/空氣混合氣的點(diǎn)火性能；DHARAMSHI 等[14]在定容燃燒彈上研究了不同初始壓力下H2/Air 混合氣LIPI 的火核形態(tài)和火焰?zhèn)鞑ニ俣?，發(fā)現(xiàn)隨著初始壓力增大，激光點(diǎn)火形成的環(huán)形火核變得更加褶皺；蔡尊等[15]發(fā)現(xiàn)凹腔前壁面燃料噴注方案更有利于初始火焰的傳播和發(fā)展；楊樂樂[16]利用激光誘導(dǎo)水等離子體助燃甲烷/空氣混合氣，發(fā)現(xiàn)水等離子體助燃是可行的；WOHLHüTER 等[17]通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究了微型火箭燃燒室中甲烷/氧氣混合氣激光點(diǎn)火特性，比較了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在壓力變化曲線和燃燒室峰值壓力上的差異；BEDUNEAU等[18]研究表明火核的幾何尺寸與混合氣點(diǎn)火或熄火之間的相關(guān)性很低；BAO等[19]觀測到的等離子體呈十字形，而火核的形狀最初為圓形，隨后變成橢球結(jié)構(gòu)，沖擊波速度受激光能量和混合氣當(dāng)量比的影響不大；張俊杰等[20]研究了丙烷/空氣混合氣的LIPI 點(diǎn)火特性，發(fā)現(xiàn)隨著氣流流速增大，火焰發(fā)展速度加快。

由此可見，前人集中研究甲烷/空氣和氫氣/空氣混合氣，針對甲烷摻氫混合氣的研究較少；而且現(xiàn)有文獻(xiàn)研究的邊界條件和點(diǎn)火特性參數(shù)比較單一，不夠全面。本文作者研究采用定容燃燒彈實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)合高速攝像技術(shù)，系統(tǒng)研究壓力和摻氫比例對激光誘導(dǎo)等離子體點(diǎn)火和燃燒特性的影響；結(jié)合數(shù)值模擬方法，獲得點(diǎn)火過程中溫度、反應(yīng)物和生成物空間分布隨時(shí)間的變化規(guī)律，從微觀上解釋了摻混氫氣對火核發(fā)展過程的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由定容燃燒彈、LIPI 點(diǎn)火系統(tǒng)、高速紋影成像系統(tǒng)和壓力采集系統(tǒng)組成，如圖1所示。激光光源發(fā)射的激光被1 塊焦距為150 mm 的透鏡聚焦，然后通過1塊直徑為24 mm的石英玻璃窗口進(jìn)入腔體，焦點(diǎn)位于燃燒彈的中心。2臺能量計(jì)(Coherent Fieldmax II)分別測量光束的入射能量和出射能量?；鸷擞筛咚傧鄼C(jī)(Phantom v611)通過直徑為100 mm的窗口拍攝，燃燒壓力由壓力傳感器(Kistler 7001)和數(shù)據(jù)采集儀(Yokogawa DL850)記錄。LIPI 點(diǎn)火過程中火焰發(fā)射光譜由光譜儀(Ocean FX)檢測。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experiment set-up

1.2 研究方法

在點(diǎn)火試驗(yàn)前，需要確定擊穿的最小能量，即擊穿閾值。擊穿閾值測量方法如下：測量空氣中激光的入射能量和出射能量，如圖2所示。當(dāng)入射能量較低時(shí)，出射能量隨入射能量呈線性增加(圖2中的紅色虛線)。由于燃燒彈玻璃視窗的反射以及空氣的吸收和散射，出射能量略低于入射能量。隨著入射能量進(jìn)一步增加，發(fā)生了等離子體擊穿，出射能量急劇下降。本文選取與線性關(guān)系偏離最小的入射能量作為擊穿閾值。

圖2 常壓條件下空氣中入射能量與出射能量的關(guān)系Fig.2 Relationship between incident energy and transmitted energy in air under atmospheric pressure

在點(diǎn)火試驗(yàn)中，采用Bruceton方法可以在最少的試驗(yàn)次數(shù)內(nèi)獲得足夠有意義的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[21]。每次試驗(yàn)中使用的激光脈沖能量取決于前一次試驗(yàn)的結(jié)果，遵循一個(gè)簡單的規(guī)則：

1)若前一次試驗(yàn)點(diǎn)火成功，則下一次測試的脈沖能量將按最小增量降低；

2)點(diǎn)火失敗將脈沖能量按最小增量增加。

為了保證最小脈沖能量的準(zhǔn)確性，每個(gè)工況進(jìn)行不少于50次的測試。

通過邏輯回歸方法分析點(diǎn)火試驗(yàn)的結(jié)果，從而獲得點(diǎn)火數(shù)據(jù)的累積概率分布。首先，建立一個(gè)二值結(jié)果模型描述點(diǎn)火試驗(yàn)的結(jié)果，如式(1)所示：

式中：y=1 代表點(diǎn)火成功；y=0 代表點(diǎn)火失?。粁和E分別代表試驗(yàn)中的激光脈沖能量和該工況下的最小脈沖能量。給定激光脈沖能量，可以用待定參數(shù)的對數(shù)分布函數(shù)表示點(diǎn)火成功率P。

式中：P(y=1)為點(diǎn)火成功率；β0和β1為待定參數(shù)。

采用極大似然方法估計(jì)確定β0和β1。似然函數(shù)如式(3)所示，它描述n次試驗(yàn)中所有脈沖能量數(shù)據(jù)和二值結(jié)果。

式中：L為n次點(diǎn)火成功的似然函數(shù)

本文中，最小脈沖能量定義為點(diǎn)火概率為50%時(shí)所對應(yīng)的脈沖能量，如圖3所示，因此，最小脈沖能量可以從式(4)得出。

圖3 最小脈沖能量的定義Fig.3 Definition of minimum pulse energy

利用MOFFAT[22]提出的方法評估擊穿閾值和最小脈沖能量的不確定性?？偟牟淮_定度可由式(5)推導(dǎo)得到。

式中：δ為總不確定度；B為系統(tǒng)不確定度；tm-1,0.95為置信區(qū)間為95%、自由度為m-1 的t分布的值；S為標(biāo)準(zhǔn)偏差；m為每個(gè)工況下的測試次數(shù)。B由式(6)給出。

式中：xi代表影響E的每個(gè)因素(壓力、當(dāng)量比和摻氫比等，其中當(dāng)量比為完全燃燒理論所需的空氣量與實(shí)際供給的空氣量之比)；ui為xi的系統(tǒng)誤差，本文中根據(jù)壓力變送器的精度計(jì)算出壓力、當(dāng)量比和摻氫比對應(yīng)的ui分別為±3 kPa，±0.01 和±0.001，均在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

1.3.1 擊穿閾值和最小脈沖能量

在點(diǎn)火試驗(yàn)之前測量在初始壓力范圍0.02～0.10 MPa 空氣的擊穿閾值，如圖4所示。隨著壓力提高，擊穿閾值逐漸降低。同時(shí)測量0.03～0.10 MPa 的甲烷/空氣混合氣的最小脈沖能量，如圖5所示，發(fā)現(xiàn)最小脈沖能量隨著壓力提高而降低。

圖4 不同壓力下空氣的擊穿閾值Fig.4 Breakdown threshold in air under different pressures

圖5 當(dāng)量比為0.6時(shí)不同壓力下甲烷/空氣混合氣的最小脈沖能量Fig.5 Minimum pulse energy of methane/air mixtures at 0.6 of equivalent ratio under different pressures

圖6所示為不同摻氫比下甲烷/氫氣/空氣混合氣的最小脈沖能量變化。摻氫比定義為混合氣中氫氣摩爾分?jǐn)?shù)?；旌蠚獾淖钚∶}沖能量隨摻氫比增加而降低。對于較小的摻氫比(0～20%)，最小脈沖能量的下降可以忽略不計(jì)，而當(dāng)摻氫比在20%～100%之間時(shí)，最小脈沖能量幾乎呈線性下降。

圖6 不同摻氫比下的甲烷/氫氣/空氣混合氣的最小脈沖能量Fig.6 Minimum pulse energy of methane/hydrogen/air mixtures under different hydrogen fractions

1.3.2 火核發(fā)展和燃燒壓力

圖7所示為當(dāng)量比為0.7 時(shí)不同初始壓力下甲烷/空氣混合氣火核發(fā)展的紋影圖像，所有工況的激光脈沖能量均選擇在最小脈沖能量附近。隨著壓力提高，火焰邊界逐漸清晰，火焰發(fā)展受到抑制。

圖7 當(dāng)量比為0.7時(shí)不同初始壓力下火核發(fā)展的紋影圖片F(xiàn)ig.7 Schlieren images of flame kernels under different pressures with equivalent ratio of 0.7

圖8所示為當(dāng)量比為0.7 時(shí)不同初始壓力下燃燒壓力變化，由圖8(a)可見：p0=0.03～0.06 MPa 時(shí)和p0=0.07～0.10 MPa 時(shí)的燃燒壓力曲線完全不同。在較高初始壓力下，燃燒壓力曲線中出現(xiàn)2個(gè)壓力峰值；在低壓下，燃燒壓力曲線中只有1個(gè)峰值。

圖8 當(dāng)量比0.7時(shí)不同壓力下的燃燒壓力特征Fig.8 Combustion pressure characteristics under different pressures with equivalent ratio of 0.7

由圖8(b)可見：在p0=0.07～0.10 MPa 時(shí)，燃燒壓力升高率曲線中也可以觀察到2個(gè)峰值。造成這一現(xiàn)象的原因是火焰在稀燃工況下的浮力不穩(wěn)定。由于混合氣的當(dāng)量比較小，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊陀谠摮跏級毫ο禄鹧婷娴纳咚俣龋瑢?dǎo)致火焰面整體向上移動并消耗了燃燒室上部未燃混合氣?；鹧娴竭_(dá)壁面后，最終向底部傳播，二次燃燒，導(dǎo)致燃燒壓力再次增加。隨著初始壓力增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?，燃燒壓力升高率達(dá)到峰值所經(jīng)過的時(shí)間增加。

圖9所示為壓力為0.1 MPa、當(dāng)量比為0.7條件下，不同摻氫比混合氣火核的發(fā)展情況。摻氫比為0～60%時(shí)，火核紋影圖像中可以觀察到第三瓣和環(huán)形結(jié)構(gòu)。對于甲烷/空氣混合氣(0%H2)，火焰?zhèn)鞑ニ俣确浅Ｂ?，第三瓣結(jié)構(gòu)約在5 ms 時(shí)消失。當(dāng)摻氫比為20%時(shí)，添加氫氣對燃燒穩(wěn)定性的改善作用開始顯現(xiàn)，第三瓣不會消失，發(fā)展成另一個(gè)火核。對于含有40%氫氣的混合氣，第三瓣不與主核分離，因?yàn)榛鹧嫠俣茸銐蚩欤瑑?nèi)核的2個(gè)部分像2個(gè)半球一樣發(fā)展。當(dāng)摻氫比達(dá)到60%時(shí)，環(huán)狀結(jié)構(gòu)不清晰，火核的形狀比上述2種摻氫比例的混合氣更接近球體。當(dāng)摻氫比達(dá)到80%時(shí)，第三瓣和環(huán)狀結(jié)構(gòu)都消失，形成球形火焰鋒面發(fā)展。

圖9 不同摻氫比下火核發(fā)展的紋影圖片F(xiàn)ig.9 Schlieren images of flame kernels under different hydrogen fractions

圖10所示為在壓力為0.1 MPa條件下，不同摻氫比下混合氣燃燒過程中燃燒壓力變化。由圖10可見：隨著摻氫比增加，燃燒峰值壓力增大，燃燒時(shí)間縮短，燃燒壓力升高速率迅速增加。

圖10 不同摻氫比下的燃燒壓力特征Fig.10 Combustion pressure characteristics under different hydrogen fractions

1.3.3 光譜特性

圖11所示為當(dāng)量比為1.0、初始壓力為0.1 MPa時(shí)，不同摻氫比下甲烷/氫氣/空氣混合氣LIPI點(diǎn)火的發(fā)射光譜。由圖11可知，摻氫比為0 時(shí)僅可觀察到1條波長為310 nm的OH譜線，且輻射強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其余工況的輻射強(qiáng)度。在摻氫比為40%的工況中，除OH譜線外還可觀察到波長為590 nm的N原子譜線和波長為717 nm 的O 原子譜線。這2 條譜線的輻射強(qiáng)度隨摻氫比增加而顯著增加。當(dāng)摻氫比增加至60%時(shí)，590 nm 的N 原子輻射強(qiáng)度已經(jīng)超過了激光強(qiáng)度，同時(shí)還出現(xiàn)了另1 條波長為767 nm的O原子譜線。摻氫比為100%的工況出現(xiàn)了1條波長為555 nm的N原子譜線以及1條波長為626 nm的H2譜線。此時(shí)波長為590 nm的N原子譜線輻射強(qiáng)度比摻氫比為40%的工況中N 原子輻射強(qiáng)度高2個(gè)數(shù)量級。

圖11 不同摻氫比下甲烷/氫氣/空氣混合氣LIPI點(diǎn)火的發(fā)射光譜Fig.11 Emission spectra of LIPI ignition of methane/hydrogen/air mixture under different hydrogen fractions

2 LIPI點(diǎn)火數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬方法

本文使用CONVERGE軟件，采用自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化技術(shù)和SAGE詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型，開展甲烷/氫氣/空氣混合氣在靜態(tài)條件下LIPI點(diǎn)火的數(shù)值模擬，獲得點(diǎn)火區(qū)域內(nèi)溫度以及CH4，H2O 和OH 摩爾分?jǐn)?shù)的空間分布規(guī)律。其中，OH 是指羥基，是一種重要的燃燒化學(xué)反應(yīng)自由基，其強(qiáng)度可反映化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度、熱釋放率的關(guān)鍵信息。

2.1.1 自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化

自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化(adaptive mesh refinement，AMR)技術(shù)，可根據(jù)計(jì)算過程中流場及其他物理量(例如溫度和速度的變化情況)自動加密網(wǎng)格。AMR 技術(shù)可以在變化較為劇烈的時(shí)刻和區(qū)域提供高度細(xì)化的網(wǎng)格，不需要在模擬的初始階段使用全局加密的網(wǎng)格來進(jìn)行計(jì)算，從而極大地節(jié)省了計(jì)算資源，提高了網(wǎng)格效率和計(jì)算精度[23]。

2.1.2 SAGE詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型

SAGE詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型可在燃燒系統(tǒng)的模擬中應(yīng)用詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。SAGE模型使用CVODES 求解器，求解化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)中的常微分方程[23]。

2.2 網(wǎng)格劃分與求解器設(shè)置

定容燃燒彈內(nèi)部的燃燒室近似為一個(gè)圓柱體，因此，計(jì)算域可以簡化為一個(gè)直徑和軸向長度均為100 mm的圓柱體，如圖12所示。圓柱體的側(cè)面及2個(gè)端面均設(shè)為無滑移壁面邊界條件。

圖12 靜態(tài)LIPI點(diǎn)火數(shù)值模擬的計(jì)算域Fig.12 Calculation domain of static LIPI ignition numerical simulation

模擬設(shè)置的各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。將LIPI點(diǎn)火區(qū)域簡化為1 個(gè)球形區(qū)域，球心為圓柱體計(jì)算域中心，半徑為0.5 mm，輸入的功率密度為8×1011W/m3，持續(xù)時(shí)間為0.3 ms。計(jì)算起始時(shí)刻為點(diǎn)火時(shí)刻。

表1 靜態(tài)LIPI點(diǎn)火數(shù)值模擬求解參數(shù)設(shè)置Table 1 Numerical simulation solution parameter settings of static LIPI ignition

采用PETERSEN 等[24]研究的機(jī)理，該機(jī)理共包含118 個(gè)物種，665 個(gè)反應(yīng)。在初始壓力為0.1 MPa、當(dāng)量比為0.7 下，開展摻氫比分別為0，60%和100%工況下的靜態(tài)LIPI點(diǎn)火模擬。

2.3 溫度和物種分布隨摻氫比和時(shí)間的變化

本文主要選取溫度以及CH4，H2O 和OH 摩爾分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析，并選取0.5，1.5 和5.0 ms 這3 個(gè)時(shí)間，得到不同摻氫比下溫度以及CH4，H2O 和OH摩爾分?jǐn)?shù)隨時(shí)間及空間位置的變化規(guī)律。其中，y=0處是點(diǎn)火中心位置。

2.3.1 溫度空間分布

圖13所示為不同摻氫比下溫度空間分布情況。由于點(diǎn)火位置位于y=0 mm，因此中心位置溫度最高，隨著距離y增大，中心處的高溫已燃混合氣與外部溫度較低的未燃混合氣發(fā)生劇烈對流換熱，直至降低至室溫?；鹧媲颁h面處發(fā)生了劇烈換熱，溫度梯度變化最大。隨著火焰發(fā)展，火焰前鋒面逐漸向兩側(cè)發(fā)展，中心處溫度逐漸降低，溫度梯度減小。由于氫氣極快的火焰?zhèn)鞑ニ俣龋S著摻氫比增大，火焰前鋒面移動速度更快，t=5 ms 時(shí)，未摻氫火焰前鋒面位于y=8～9 mm處，純氫氣火焰前鋒面位于y=42～44 mm。值得注意的是，純氫氣在0.5 ms和1.5 ms時(shí)中心位置的溫度略低于摻氫比為0和60%的工況時(shí)的溫度，這是由于氫氣熱值比甲烷熱值低，因而在火核發(fā)展的初始階段放熱較少。

圖13 不同摻氫比下溫度空間分布Fig.13 Spatial distribution of temperature under different hydrogen fractions

2.3.2 CH4空間分布

圖14所示為不同摻氫比下CH4空間分布情況。根據(jù)CH4剩余情況可以將計(jì)算區(qū)域分成已燃區(qū)、反應(yīng)區(qū)和未燃區(qū)。已燃區(qū)CH4消耗殆盡。在反應(yīng)區(qū)內(nèi)，隨著到中心的距離y減小，CH4摩爾分?jǐn)?shù)從初始值急劇減小到0。未燃區(qū)CH4保持初始值不變。從圖14可以看出，隨著火焰發(fā)展，已燃區(qū)逐漸向兩側(cè)發(fā)展。在相同時(shí)間下，高摻氫比下已燃區(qū)移動距離更大。

圖14 不同摻氫比下CH4空間分布Fig.14 Spatial distribution of CH4 under different hydrogen fractions

2.3.3 H2O空間分布

圖15為不同摻氫比下H2O 空間分布情況。作為生成物，H2O 摩爾分?jǐn)?shù)分布規(guī)律與CH4的相反。但是在0.5 ms 和1.5 ms 這2 個(gè)時(shí)間，已燃區(qū)內(nèi)H2O的摩爾分?jǐn)?shù)并非保持不變，而是在中心位置出現(xiàn)了低谷，越靠近中心位置H2O 的摩爾分?jǐn)?shù)越小。結(jié)合溫度分布曲線，考慮到0.5 ms和1.5 ms中心位置的溫度極高，可能發(fā)生了CO2+H2O→CO+2OH反應(yīng)，使得H2O 的摩爾分?jǐn)?shù)降低，并生成了較多的OH。由于此反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，并且隨著與中心位置的距離y逐漸增大，溫度降低導(dǎo)致反應(yīng)被抑制，H2O 的摩爾分?jǐn)?shù)逐漸增加。隨著摻氫比增大，化學(xué)反應(yīng)劇烈，生成的H2O摩爾分?jǐn)?shù)逐漸增大。

圖15 不同摻氫比下H2O空間分布Fig.15 Spatial distribution of H2O under different hydrogen fractions

圖16所示為不同摻氫比下OH 空間分布情況。OH摩爾分?jǐn)?shù)分布受到溫度影響，由于中心區(qū)域溫

圖16 不同摻氫比下OH空間分布Fig.16 Spatial distribution of OH under different hydrogen fractions

2.3.4 OH空間分布度較高，因此生成了大量OH。隨著到中心位置距離y增加，OH 摩爾分?jǐn)?shù)逐漸降低，并在未燃區(qū)降至0。隨著火核發(fā)展，中心位置的溫度降低，OH生成量減小，其摩爾分?jǐn)?shù)逐漸降低。純氫氣下OH的摩爾分?jǐn)?shù)分布與摻氫比為0和60%的工況時(shí)有所不同。與摻氫比為60%的工況相比，純氫氣工況在0.5 ms時(shí)中心位置的摩爾分?jǐn)?shù)增加了37%，這主要是因?yàn)榧儦錃饣瘜W(xué)反應(yīng)較強(qiáng)生成了大量的OH。3個(gè)摻氫比工況下，OH在已燃區(qū)均出現(xiàn)了局部下凹的情況，但是摻氫比為100%的工況下出現(xiàn)下凹的時(shí)間提前，約1.5 ms時(shí)開始。這主要是因?yàn)?.5 ms該區(qū)域溫度相較于其他工況溫度較低，促進(jìn)了CO+2OH→CO2+H2O，OH被大量消耗。

3 結(jié)論

1)空氣的擊穿閾值隨著壓力升高而減小。丙烷/空氣混合氣摻混氫氣比例較小時(shí)，其最小脈沖能量幾乎不變，當(dāng)摻混氫氣超過一定值時(shí)，混合氣的最小脈沖能量隨著壓力升高而線性下降。

2)在混合氣中摻混氫氣可以降低最小脈沖能量，并顯著提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?。隨著摻氫比增加，燃燒壓力升高更快，燃燒壓力峰值增大，并抑制了火焰第三瓣結(jié)構(gòu)發(fā)展。

3)混合氣摻混氫氣比例不同，會出現(xiàn)不同的原子發(fā)射光譜，并且各個(gè)原子輻射強(qiáng)度隨著摻混氫氣比例增大而提高。

4)溫度的空間分布隨時(shí)間的變化反映了火焰前鋒面的傳播。在火核發(fā)展初期，點(diǎn)火區(qū)域的中心位置具有極高的溫度和溫度梯度。但是隨著火核發(fā)展，中心位置的溫度迅速降低，溫度梯度減小。

5)H2O 和OH 的空間分布具有一定的關(guān)聯(lián)性，在火核發(fā)展初期，H2O在中心位置的摩爾分?jǐn)?shù)低于周圍已燃區(qū)的摩爾分?jǐn)?shù)，而OH在中心位置的摩爾分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于周圍的已燃區(qū)的摩爾分?jǐn)?shù)。