氫氣-乙醇-空氣預混層流燃燒特性仿真研究*

閆晨朝，姜根柱，王筱蓉

氫氣-乙醇-空氣預混層流燃燒特性仿真研究*

閆晨朝，姜根柱?，王筱蓉

（江蘇科技大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100）

利用數(shù)值模擬方法，采用Chemkin軟件分析計算得到氫氣?乙醇?空氣預混燃料的層流燃燒速度、密度比、絕熱火焰溫度、火焰厚度、敏感性系數(shù)和主要自由基的摩爾分數(shù)等數(shù)據(jù)。結果表明，預混火焰的層流燃燒速度與初始壓力呈負相關，在所有初始條件下，其峰值出現(xiàn)在當量比為1.2左右，并且隨著氫氣含量的增加，峰值向富燃側移動。密度比和絕熱火焰溫度都隨著當量比的增大而呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢，而火焰厚度則表現(xiàn)出相反的規(guī)律。絕熱火焰溫度在= 1.1時達到最高，比層流燃燒速度達到最高值的當量比小，這是由于實驗中存在較大的熱損失。此外，初始壓力的升高會使得火焰厚度變薄，導致火焰表現(xiàn)出不穩(wěn)定的趨勢。在任何工況下，H + O2= O + OH均為敏感性系數(shù)最高的基元反應，該基元反應的敏感性系數(shù)與H摩爾分數(shù)均在= 1.2 時達到最大值。

氫氣?乙醇?空氣；Chemkin；層流燃燒；仿真

0 引 言

據(jù)英國石油公司報道，雖然化石燃料（包括石油、天然氣和煤炭）的消耗在不斷變少，但其在當前能源市場中仍然占據(jù)主導地位，這意味著化石資源分布不均仍將影響國際格局，人類的共同環(huán)境仍將受到這類礦物燃料燃燒排放的威脅[1]。在此情況下，為了促進我國經(jīng)濟朝綠色可持續(xù)發(fā)展的道路前進，國務院提出了綠色船舶、低碳航運等概念。因此，可再生清潔替代能源已成為各國關注的焦點，氫能源被各國視為尋求可持續(xù)發(fā)展道路上的一大選擇[2-3]。

生物乙醇重整制氫，由于其廣泛的原料來源和相對低廉的成本[4-5]，成為綠色制氫的主要選擇。然而，氫氣和乙醇都是非常容易泄漏的化學物質，一旦在反應容器中發(fā)生泄漏，混合物就會迅速擴散并與空氣混合。如果遇到火源，會發(fā)生劇烈的爆炸，嚴重威脅人類生命安全。因此有必要研究氫氣?乙醇預混燃氣的層流燃燒特性。

層流燃燒速度（laminar burning velocity, LBV）是預混燃燒的重要參數(shù)，對于研究燃燒過程[6]的特征變化十分重要。LBV反映了預混火焰的化學反應性質和放熱性質，可用于計算湍流燃燒速度、點火能量和放熱參數(shù)[7-12]。因此，測定預混火焰在不同操作條件下的LBV可為化學反應分析提供依據(jù)。

近年來，諸多文獻對含氫燃料混合物的LBV進行了廣泛的報道。TUTAK等[13]研究了柴油?天然氣?氫氣混合替代燃料的燃燒過程，發(fā)現(xiàn)氫氣的添加雖然使發(fā)動機出現(xiàn)了爆震，但是燃燒持續(xù)的時間以及燃燒末端的擴散等燃燒過程都得到了明顯的改善。JAMROZIK等[14]在雙燃料柴油機中對氫氣與柴油混合燃料進行了排放與燃燒過程的研究，發(fā)現(xiàn)氫氣的添加使得最大燃燒壓力、熱釋放率和壓力上升率都得到了提升。LI等[15]利用球形火焰?zhèn)鞑嶒灤_定了在大氣壓下不同乙醇比例對乙醇?空氣混合物LBV的影響，并在現(xiàn)有實驗的基礎上建立了經(jīng)驗方程來估算乙醇?氫氣?空氣預混火焰的LBV。XU等[16]在乙酸乙酯中加入氫氣，發(fā)現(xiàn)氫氣延長了乙酸乙酯的可燃下限，大大提高了其LBV。LI等[17]采用球形火焰法對不同燃料比影響甲烷?氫氣預混火焰LBV的因素進行綜合分析，發(fā)現(xiàn)LBV的變化與熱效應變化密切相關。SUN等[18]分析了氫氣?空氣預混火焰爆炸特性。結果表明，對于氫氣?空氣混合物，化學計量比的混合物具有最高的絕熱火焰溫度，即在相同的初始環(huán)境下，化學計量爆炸可能釋放的熱量最大。

綜上所述，氫氣與其他燃料混合的研究從未停止，其原因在于氫氣的加入可以極大地提升混合燃料的LBV，還可以改善其排放特性，拓展燃燒極限。但是由于氫氣存在點火能低、易爆炸等危險性，氫氣的加入也會不可避免地使得整體燃料的安全性降低。因此，氫氣的存儲與安全性問題至今仍是熱門研究方向。本研究利用Chemkin軟件，探究初始壓力為0.2 ～ 0.4 MPa、溫度為400 K時的氫氣?乙醇?空氣預混火焰的LBV，結合絕熱火焰溫度和火焰厚度等參數(shù)對燃料特性進行綜合分析，并對影響燃料LBV變化的因素進行深入討論。本研究旨在探尋多元混合燃氣的燃燒機理，為氫氣混合物在存儲和運輸上的安全問題及氫混乙醇的實際應用提供理論指導。

1 計算模型和相關理論

1.1 計算模型

一維穩(wěn)態(tài)火焰的控制方程可以用下面四個方程描述[19]。

（1）連續(xù)性方程：

（2）能量守恒方程：

（3）質量守恒方程：

（4）狀態(tài)方程：

1.2 火焰化學反應動力學機理

本研究使用Chemkin中的Premix模塊進行模型搭建，如圖1所示，通過添加氣相動力學文件、表面動力學文件和傳遞過程文件對氫氣?乙醇?空氣預混燃料的燃燒過程和特性進行仿真研究。

圖1 Chemkin模型搭建

2 結果與討論

2.1 實驗與仿真

為驗證仿真機理的可靠性，針對本仿真系統(tǒng)開展了實驗研究，并與LI等[15]的研究結果進行對比，結果如圖2所示。實驗燃料為乙醇，在初始壓力為0.1 MPa、初始溫度為383 K的條件下進行，測量的當量比范圍為0.8 ～ 1.6。由圖2可知，實驗仿真計算得出的層流燃燒速度L變化趨勢與LI等的實驗數(shù)據(jù)基本相同，表明本次實驗結果與之前的研究結果基本吻合，進一步證明了仿真所采用機理的可靠性。

圖2 本仿真的乙醇層流燃燒速度與文獻[15]的結果對比

2.2 層流燃燒速度

H2比例分別為0%、50%、70%和80%，初始溫度為450 K，初始壓力為0.2 ～ 0.4 MPa時對氫氣?乙醇?空氣預混火焰LBV影響的變化規(guī)律如圖3。當H2比例提高后，LBV峰值的出現(xiàn)逐漸向當量比高的一側偏移。H2比例的提高會使得LBV明顯上升，特別是在H2比例大于50%后。但隨著初始壓力的升高，H2比例的提高對LBV的影響開始減小。隨著初始壓力的升高，LBV逐漸受到抑制，在相同下，LBV會隨著初始壓力的增大而減小。這是由于H2比例的上升使得基元反應中的H自由基濃度得到提升，加快了OH自由基的生成，同時也會使得鏈式反應放出更多的熱量，從而加快了預混火焰的LBV。然而，增加初始壓力會減小H自由基的濃度影響，從而降低氫氣添加對燃料LBV增加程度的影響。

2.3 密度比

密度比 𝜎 定義為：

燃料在點燃之后，已燃區(qū)域的密度會發(fā)生改變，這將導致火焰在其前沿和后沿的密度不均勻的情況下發(fā)生拉伸，從而在火焰前鋒面的氣流形成流線偏折[19]，使火焰單位體積燃燒速率發(fā)生變化，這一變化最終會使得火焰出現(xiàn)流體動力學不穩(wěn)定。因此與流體動力學不穩(wěn)定影響正相關的 𝜎 可以很好地反映火焰出現(xiàn)不穩(wěn)定的程度。

圖4展示了、H2比例、初始溫度和初始壓力對于 𝜎 的影響。由圖可知初始溫度的變化可以顯著影響 𝜎。升高初始溫度，氫氣?乙醇?空氣預混合火焰的 𝜎 呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。當升高時，可以看出 𝜎 在= 1.1左右達到峰值。當H2比例升高時，𝜎 會上升，但上升并不明顯。而當初始壓力升高時，預混火焰的 𝜎 幾乎沒有變化。

圖4 不同工況對密度比的影響

2.4 絕熱火焰溫度

圖5是絕熱火焰溫度ad隨著、H2比例和初始壓力變化的曲線。在? 1的階段，氫氣?乙醇?空氣預混火焰的ad幾乎不變，在= 1.0之后則開始出現(xiàn)明顯的差異，并在= 1.1時達到最高值。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是H2的摩爾熱值相對于乙醇來說非常小，約為其五分之一，因此當H2比例上升時，總混合物的摩爾熱值會下降。空氣中的主要成分為N2，總混合物的比熱主要由N2決定。因此當N2含量減少即上升時，氫氣?乙醇?空氣預混火焰的ad呈現(xiàn)上升的趨勢。當≥ 1.0時，混合物可以進行充分的反應，使得ad對H2比例變化的響應開始明顯。初始壓力的變化對氫氣?乙醇?空氣預混火焰的ad的影響非常小，僅僅在化學計量比時有些許差距。而當預混火焰中H2的比例上升時，初始壓力對其影響相比于低H2比例時會稍有提高。

圖5 不同工況對絕熱火焰溫度的影響

2.5 火焰厚度

由于火焰厚度會影響火焰前鋒面兩邊的燃氣密度梯度，從而影響流體動力學不穩(wěn)定性，因此不同工況下火焰厚度表現(xiàn)出來的規(guī)律需要被了解和分析。根據(jù)LAW等[20]和TANG等[21]的研究，火焰厚度可由公式（6）計算得到：

式中：u為初始火焰溫度。

圖6為火焰厚度隨著、H2比例以及初始壓力變化的曲線。由于混合物的運動黏度對的變化不敏感，表現(xiàn)出來的行為與無拉伸火焰速度正好相反。在H2比例小于50%時，最低點出現(xiàn)在= 1.2處，并且H2比例的上升并沒有對產(chǎn)生明顯的影響。而當H2比例大于50%的時候，最低點出現(xiàn)的位置向當量較高的一側偏移，其峰值出現(xiàn)在= 1.3時，H2含量對的影響也更為明顯。初始壓力的升高會使得變薄，進而使火焰前鋒面兩邊的密度梯度變化增大，導致火焰表現(xiàn)出不穩(wěn)定的趨勢。

圖6 不同工況對火焰厚度的影響

2.6 敏感性分析

火焰的溫度與火焰的傳播速度和化學反應速率存在線性關系，因此從當量比、初始壓力、H2比例變化來對氫氣?乙醇?空氣預混火焰對溫度的敏感性進行分析。

基元小分子反應一般作為碳氫化合物和含氧碳氫化合物的高溫氧化反應的支配者，起到促進或抑制的作用，從而影響火焰?zhèn)鞑ニ俣取１疚闹饕獙η?個敏感反應進行分析。圖7顯示了氫氣?乙醇?空氣預混火焰在= 0.7、1.2和1.4時以及不同H2添加比例下的敏感反應。反應 H + O2= O + OH (R1)是最敏感的反應，因其可以加速O 和 OH 等活性自由基的產(chǎn)生，并且R1的靈敏度隨H2添加量的增加而增加。反應H2O + M = H + OH + M (R8)、HO2+ OH = H2O + O2(R13)、H + O2(+M) = H2O (+M) (R9)和CH3+ H (+M) = CH4(+M) (R96) 的敏感性系數(shù)為負數(shù)，表明這些基元反應會抑制火焰的發(fā)展。

圖7 不同當量比下的敏感性系數(shù)

圖8為氫氣?乙醇?空氣預混火焰在= 1.2時，分別在6種不同H2比例、3種不同初始壓力下的前6個敏感反應。由圖可知，R1、HCO + M = H + CO + M (R26)、CO + OH = CO2+ H (R24)和CH3+ O = CH2O + H (R108)為起到正向促進作用的基元反應。其中R1為最主要的反應，該反應消耗了H自由基并產(chǎn)生了O和OH自由基，是消耗H2的主要反應鏈，有助于提升LBV。在當量比和初始溫度相同的情況下，R8和R96這兩種主要起到抑制作用的基元反應的敏感性系數(shù)隨著初始壓力的上升而上升，而這兩種主要的基元反應消耗了高活性基，導致LBV隨著初始壓力的上升而下降。

圖8 不同初始壓力下的敏感性系數(shù)

3 結 論

基于Chemkin中的Premix模塊搭建一維火焰模型，從層流燃燒速度、密度比、絕熱火焰溫度、火焰厚度、敏感性五個方面，探討了當量比、初始壓力和H2比例對氫氣?乙醇?空氣預混火焰的燃燒特性的影響。結論如下：

（1）氫氣?乙醇?空氣預混火焰的LBV峰值出現(xiàn)在當量比為1.2左右，并且隨著氫氣含量的上升，LBV峰值對應的當量比會朝著富燃一側移動。

（2）隨著當量比的上升，密度比和絕熱火焰溫度都呈現(xiàn)出先上升再下降的規(guī)律，而火焰厚度則呈現(xiàn)相反的變化，其峰值都出現(xiàn)在當量比為1.2或者1.3。這表明預混燃氣的流體動力學不穩(wěn)定性隨著當量比的變化呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢，并且在1.2或1.3時達到最小。

（3）鏈分支反應H + O2= O + OH (R1) 的敏感系數(shù)在任何工況下都是最高的，該反應可以生成O和OH這兩種高活性的自由基，使得鏈式反應快速進行，釋放大量的熱從而提高火焰速度，因此該鏈分支反應的變化規(guī)律在較大程度上會影響LBV的變化。而基元反應R8、R13、R9和R96的敏感性系數(shù)為負數(shù)，對火焰的發(fā)展起到抑制作用。

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Simulation Study on Laminar Combustion Characteristics of Hydrogen-Ethanol-Air Premix

YAN Chenzhao, JIANG Genzhu?, WANG Xiaorong

(School of Mechanical and Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212100, Jiangsu, China)

The laminar burning velocity, density ratio, adiabatic flame temperature, flame thickness, sensitivity coefficient, and molar fraction of main free radicals of the hydrogen-ethanol-air premixed fuel were analyzed and calculated by using numerical simulation with Chemkin software. The results showed that the laminar burning velocity of the premixed flame was negatively correlated with the initial pressure, and the peak occurred around the equivalence ratioof 1.2 for all initial conditions, and the peak shifted toward the rich combustion side with the increase of hydrogen content.Both the density ratio and adiabatic flame temperature showed a tendency to increase first and then decrease with the increase of the equivalence ratio, while the flame thickness exhibited the opposite trend.The adiabatic flame temperature reached its highest value at= 1.1, which was smaller than the equivalence ratio at which the laminar burning velocity peaked. This discrepancy could be attributed to the presence of substantial heat losses in the experimental setup. In addition, the increase in initial pressure made the flame thickness thinner, causing the flame to exhibit an unstable tendency. The H + O2= O + OH was the elementary reaction with the highest sensitivity coefficient at all operating conditions, and the sensitivity coefficient for this radical reaction with respect to the H molar fraction reached its highest value at= 1.2.

hydrogen-ethanol-air; Chemkin; laminar combustion; simulation

2095-560X（2023）05-0450-07

TK411

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2023.05.009

2022-12-01

2023-01-10

江蘇省研究生創(chuàng)新基金項目（SJCX22_1913)

姜根柱，E-mail：jianggenzhu@just.edu.cn

閆晨朝, 姜根柱, 王筱蓉. 氫氣?乙醇?空氣預混層流燃燒特性仿真研究[J]. 新能源進展, 2023, 11(5): 450-456.

： YAN Chenzhao, JIANG Genzhu, WANG Xiaorong. Simulation study on laminar combustion characteristics of hydrogen-ethanol-air premix[J]. Advances in new and renewable energy, 2023, 11(5): 450-456.

閆晨朝（1996-），女，碩士研究生，主要從事能源燃燒特性研究。

姜根柱（1979-），男，碩士，高級實驗師，主要從事仿生推進與燃燒研究。