初始壓力對甲烷

初始壓力對甲烷-空氣預(yù)混氣體燃燒特性的影響研究謝烽淳B進(jìn);胡坤倫;武若愚【摘要】試驗(yàn)采用高速紋影系統(tǒng)和壓力傳感器對甲烷-空氣預(yù)混氣體定容燃燒特性進(jìn)行了研究，分析了不同初始壓力對火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懸约岸ㄈ萑紵龔椫袎毫Φ淖兓?guī)律.試驗(yàn)結(jié)果表明:隨著初始壓力的增加，火焰的傳播速度變化不大，并且有減小的趨勢，當(dāng)初始壓力超過0.14MPa后火焰的燃燒速度會發(fā)生突變而增大;初始壓力的變化對定容燃燒彈中燃燒壓力的影響十分顯著，當(dāng)初始壓力為0.10MPa時，最大燃燒壓力Pmax=0.703MPa;而在初始壓力為0.16MPa時,最大燃燒壓力Pmax=1.42MPa;隨著初始壓力的增加，火焰變得愈發(fā)的不穩(wěn)定.【期刊名稱】《可再生能源》【年（卷），期】2015（033）009【總頁數(shù)】5頁（P1398-1402）【關(guān)鍵詞】安全工程;定容燃燒彈;火焰?zhèn)鞑ニ俣?甲烷;燃燒壓力【作者】謝烽;郭進(jìn)湖坤倫;武若愚【作者單位】中國礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京100083;安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽淮南232001;安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽淮南232001;中國礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京100083【正文語種】中文【中圖分類】TK16隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源消耗巨大，尤其以石油一類不可再生的化石燃料為甚，因此尋找清潔而高效的可再生替代能源顯得十分重要。我國有豐富的天然氣、煤層氣資源，其主要成分是甲烷（CH4）。以甲烷為主體的可燃?xì)怏w作為替代燃料，具有雜質(zhì)少、燃燒清潔、燃燒效率高等特點(diǎn)，因此有諸多學(xué)者對甲烷燃燒特性進(jìn)行了積極的探索［1］~［9］。劉巖基于定容燃燒彈和高速紋影系統(tǒng)模擬了常溫常壓下煤層氣中甲烷含量對其層流燃燒速度的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)量比對層流燃燒速度有很大的影響［10］。張紅光通過在定容燃燒室內(nèi)研究不同初始溫度、壓力、燃空當(dāng)量比、摻氫比下甲烷的燃燒壓力變化規(guī)律，得到了上述條件對混合氣最大燃燒壓力、最大壓力升高率、火焰發(fā)展期、燃燒持續(xù)期以及最大燃燒壓力循環(huán)變動的影響［11］。胡二江利用同樣的實(shí)驗(yàn)方法研究了高壓力情況下氫氣-空氣預(yù)混氣體的燃燒規(guī)律，揭示了壓力對燃燒速度的影響并不是很大［12］。從預(yù)混氣體有關(guān)研究中可以看出，對可燃?xì)怏w燃燒特性的影響有很多因素，這些研究可為進(jìn)一步探索甲烷的燃燒特性提供參考。目前，初始壓力對甲烷燃燒特性的影響研究主要集中在高壓區(qū)，壓力甚至高達(dá)數(shù)兆帕，而且壓力變化范圍很大（間隔0.1MPa），然而在很多情況下燃燒的環(huán)境壓力相對較低，例如一些高空飛行器的燃燒室都在低壓下工作，因此開展初始壓力較低、小范圍變化環(huán)境下的甲烷燃燒特性研究十分必要，為天然氣、瓦斯的安全存儲以及使用提供相應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。如圖1所示，試驗(yàn)系統(tǒng)主要由定容燃燒彈及其配套系統(tǒng)組成。定容燃燒彈為一圓柱體，彈體內(nèi)部長度和直徑分別為310mm和305mm，另有兩個直徑為295mm（內(nèi)徑）、厚度為50mm的石英玻璃置于彈體的兩個底面作為觀察窗口；高速攝像機(jī)拍攝頻率為1000幀/s，通過雙反射鏡紋影系統(tǒng)顯示，用高速攝像機(jī)記錄甲烷燃燒過程中球形火焰的運(yùn)動狀態(tài)，以確定其火焰?zhèn)鞑ニ俣?；在定容燃燒彈中央位置，有兩根呈直角的電極用于點(diǎn)火；CY-YD-205T型壓電式壓力傳感器用于測量火焰?zhèn)鞑ミ^程的壓力變化數(shù)據(jù)。首先利用Dalton分壓定律在配氣罐中配制好設(shè)定濃度的甲烷-空氣混合氣，然后使用真空泵將定容燃燒彈抽成真空，并將配制好的甲烷-空氣(甲烷的純度為99.9%)預(yù)混氣體充入其中，靜置5min，確保氣體相對靜止。本試驗(yàn)中，初始壓力為0.04-0.16MPa，每間隔0.02MPa為一組；燃空當(dāng)量比為1,溫度為300K。通過觸發(fā)點(diǎn)火器放電點(diǎn)燃容器中的可燃?xì)怏w，并同時開啟高速攝像機(jī)、壓力測試系統(tǒng)，點(diǎn)火后火焰從點(diǎn)火電極處呈球形自由傳播至整個定容燃燒彈中，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。下次試驗(yàn)前，用新鮮空氣吹洗容器3min，以保證容器中沒有剩余的燃燒產(chǎn)物。本文主要從火焰?zhèn)鞑ニ俣?、最大燃燒壓力和火焰的穩(wěn)定性等方面分析初始壓力對甲烷燃燒特性的影響。圖2為不同初始壓力下甲烷-空氣預(yù)混氣體在點(diǎn)火30ms后球形火焰?zhèn)鞑サ牡湫图y影圖像。從圖中可以看出，隨著壓力的增加，球形火焰在初始壓力為0.04-0.12MPa的過程中火焰直徑略微變小，當(dāng)初始壓力達(dá)到0.14MPa之后火焰直徑有明顯的變大。這與參考文獻(xiàn)［12］,［13］實(shí)驗(yàn)得到的預(yù)混氣體球形火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律相似。圖3為甲烷-空氣預(yù)混氣體火焰半徑隨時間的變化關(guān)系，從圖中可以看出，不同初始壓力下火焰半徑隨時間呈線性變化關(guān)系。初始壓力從0.04MPa增加到0.12MPa的過程中，火焰發(fā)展到同一半徑的時間變長，由此可知，初始壓力的增加導(dǎo)致甲烷-空氣預(yù)混氣體的燃燒速率變小，進(jìn)而火焰發(fā)展速度略有變慢。而當(dāng)初始壓力達(dá)到0.14MPa后，火焰的傳播速度發(fā)生了突變，甚至比初始壓力為0.04MPa時還大。從圖中還可以看出，相鄰的散點(diǎn)束兩兩都非?？拷?，說明壓力對于火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懖⒉幌癞?dāng)量比對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懩敲创螅?4］。圖4給出了火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c初始壓力之間的關(guān)系。在初始壓力為0.04-0.12MPa時，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著壓力的增加而變小，在初始壓力為0.04MPa時，傳播速度值最大(Sn?max=2.26m/s)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，初始壓力對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懖皇呛艽?。?dāng)初始壓力較小時，隨著初始壓力的增大，火焰的傳播速度略有減??；而突變發(fā)生在初始壓力為0.14MPa時，火焰的傳播速度突然變大。這是由于火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c初始壓力存在下面的關(guān)系：式中：n表示總反應(yīng)級數(shù)，一般輕質(zhì)碳?xì)淙剂显诳諝庵腥紵龝rn<2[15]o在給定當(dāng)量比下，隨著初始壓力的增加，由于鏈終止反應(yīng)的作用強(qiáng)于鏈分支反應(yīng)，n呈下降趨勢，當(dāng)壓力達(dá)到一定值后，n先降低后升高[16],[17]。因此，本試驗(yàn)中火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n隨著初始壓力的增加開始會略有下降，而當(dāng)壓力達(dá)到0.14MPa之后，火焰?zhèn)鞑ニ俣劝l(fā)生了突變。圖5為不同初始壓力條件下甲烷-空氣預(yù)混氣體的燃燒壓力隨時間的變化曲線。由圖可知，當(dāng)預(yù)混氣體的初始壓力為0.16MPa時，燃燒壓力上升速度最快，峰值壓力也最大，而初始壓力為其它值時，燃燒的峰值壓力和壓力上升速度都有所下降。這是因?yàn)辄c(diǎn)火瞬間，反應(yīng)剛剛開始，定容燃燒彈中的溫度上升需要一個過程，并不是瞬間達(dá)到最大值；隨著燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，放出大量的熱，定容燃燒彈壁的熱散失速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于燃燒反應(yīng)放出的熱量，定容燃燒彈中的溫度不斷上升，高溫高壓又使得燃燒反應(yīng)程度越來越劇烈，反應(yīng)速度持續(xù)加大，所以定容燃燒彈內(nèi)壓力上升速度較快；在達(dá)到峰值壓力之后，定容燃燒彈中可燃?xì)怏w含量減少，燃燒反應(yīng)速度減弱，定容燃燒彈內(nèi)溫度開始下降，由于能量散失得不到及時補(bǔ)充，壓力下降的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上升的速度，從而出現(xiàn)壓力下降的情況[15]。當(dāng)初始壓力為0.04MPa時，由于較低的初始壓力使得能量釋放率相對低，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速率慢，因而壓力曲線上升較緩慢。圖6為不同初始壓力下最大燃燒壓力與最大燃燒壓力出現(xiàn)時刻的關(guān)系，結(jié)果顯示，初始壓力對燃燒壓力的影響十分明顯。當(dāng)初始壓力為0.10MPa時，最大燃燒壓力Pmax=0.703MPa，而當(dāng)初始壓力為0.16MPa時，最大燃燒壓力Pmax=1.42MPa。較低的初始壓力條件下，最大燃燒壓力出現(xiàn)時刻的變化并不是太大，壓力峰值出現(xiàn)時間相對較晚，當(dāng)初始壓力達(dá)到0.10MPa后，隨著壓力進(jìn)一步升高，最大燃燒壓力出現(xiàn)時刻會有較大提前?；鹧娴牟环€(wěn)定性受熱擴(kuò)散因素和流體力學(xué)因素的綜合影響［18］，［19］。在火焰發(fā)展初期，熱量擴(kuò)散較快，熱擴(kuò)散主導(dǎo)了火焰的穩(wěn)定性，隨著火焰的擴(kuò)散，流體動力學(xué)因素的影響愈發(fā)顯著。熱擴(kuò)散的不穩(wěn)定性導(dǎo)致火焰表面出現(xiàn)裂紋和蜂窩狀結(jié)構(gòu)，這是由于火焰與火焰之間的熱傳導(dǎo)和反應(yīng)物與火焰之間的熱傳導(dǎo)產(chǎn)生的競爭效應(yīng)［20］，［21］。因此，火焰表面出現(xiàn)裂紋和蜂窩狀結(jié)構(gòu)都是火焰不穩(wěn)定的表現(xiàn)。圖7是火焰發(fā)展到蜂窩狀結(jié)構(gòu)的過程。需要說明的是，火焰蜂窩狀結(jié)構(gòu)并不是突然出現(xiàn)的，而是蜂窩逐漸增多的過程，而且當(dāng)初始壓力較小時，只有火焰?zhèn)鞑サ胶笃诓庞猩倭康姆涓C狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)初始壓力較高時，火焰?zhèn)鞑サ某跗诒隳苄纬奢^多的裂紋和蜂窩狀結(jié)構(gòu)。圖8給出了不同初始壓力下預(yù)混氣體點(diǎn)火50ms后的火焰圖片。從圖中可以看出，當(dāng)初始壓力較小時，火焰表面非常平滑，隨著初始壓力的增加，火焰表面的裂痕逐漸增多，當(dāng)初始壓力進(jìn)一步增加后火焰表面開始出現(xiàn)蜂窩，并且蜂窩越來越密集。這表明，初始壓力增加時火焰的穩(wěn)定性在減弱。試驗(yàn)結(jié)果表明，初始壓力對火焰的穩(wěn)定性有很大的影響。隨著初始壓力的增加，火焰蜂窩狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的時刻越來越早，這是因?yàn)楫?dāng)初始壓力增加時，流過火焰鋒面的可燃混合氣質(zhì)量流量隨之增加，因而在同樣大小的火焰鋒面內(nèi)，每單位時間內(nèi)燃燒的燃料也將增加，而且當(dāng)初始壓力進(jìn)一步增加時這種情況愈發(fā)嚴(yán)重，火焰也表現(xiàn)得更為不穩(wěn)定［16］。本文在已搭建好的定容燃燒彈內(nèi)對甲烷-空氣預(yù)混氣體的燃燒特性進(jìn)行了研究，通過改變初始壓力，采集火焰發(fā)展圖像，研究了初始壓力對燃燒壓力和燃燒速度的影響。通過對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和比較后，得出如下結(jié)論。在初始壓力由0.04MPa上升到0.12MPa的過程中，火焰的傳播速度變化不大，并有減小的趨勢。當(dāng)初始壓力達(dá)到0.14MPa后，火焰?zhèn)鞑ニ俣葧l(fā)生突變，并且有增加的趨勢。初始壓力對燃燒壓力有較大影響，隨著初始壓力的增加，預(yù)混氣體燃燒的峰值壓力和壓力上升速率也會增加。初始壓力對火焰的穩(wěn)定性影響很大，當(dāng)初始壓力較小時，只有火焰?zhèn)鞑サ胶笃诓庞猩倭康姆涓C狀結(jié)構(gòu)，隨著初始壓力的增加，火焰?zhèn)鞑ハ嗤臅r間，表面出現(xiàn)裂紋和蜂窩狀結(jié)構(gòu)的數(shù)量也隨之增加；當(dāng)初始壓力較高時，火焰?zhèn)鞑サ某跗诒隳苄纬奢^多的裂紋和蜂窩狀結(jié)構(gòu)；初始壓力增加，火焰變得愈發(fā)的不穩(wěn)定?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】WangJ，HuangZ,TangC,etal.Numericalstudyoftheeffectofhydrogenadditiononmethane-airmixturescombustion[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy,2009,34(2):1084-1096.DiSarliV,DiBenedettoA.Laminarburningvelocityofhydrogen-methane/airpremixedflames[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy,2007,32(5):637-646.GEAndrews,DBradley.Theburningvelocityofmethane-airmixtures[J].CombustionandFlame,1972,19(2):275-288.CoppensF,DeRuyckJ,KonnovA.EffectsofcompositiononburningvelocityandnitricoxideformationinlaminarpremixedflamesofCH4+H2+O2+N2[J].ProceedingsoftheCombustionInstitute,2007,29(2):2171-2177.IlbasM,CrayfordAP,YilmazI,etal.Laminarburningvelocitiesofhydrogen-airandHydrogen-methane-airmixtures:anexperimentalstudy[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy,2006,31(12):1768-1779.HuErjiang,HuangZuohua,HeJiajia,etal.Experimentalandnumericalstudyonlaminarburningcharacteristicsofpremixedmethane-hydrogen-airflames[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy,2009,34(11):4876-4888.MiaoHaiyan,QiJiao,HuangZuohua,etal.Effectofinitialpressureonlaminarcombustioncharacteristicsofhydrogenenrichednaturalgas[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy,2008,33(14):3876-3885.YuG,LawC,WuC.Laminarflamespeedsofhydrocarbon-airmixtureswithhydrogenaddition[J].CombustionandFlame，1986，63（3）：339-347.劉巖，苗海燕，黃佐華，等.甲烷含量對模擬煤層氣層流燃燒速度的影響[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，2011，17（4）：337-342.LiuYan，MiaoHaiyan，HuangZuohua，etal.Influenceofmethaneconcentrationonlaminarburningvelocityofsimulatedcoal-bedgas[J].JournalofCombustionScienceandTechnology，2011，17（4）：337-342.張紅光，白小磊，韓雪嬌，等.甲烷摻混氫氣的燃燒特性試驗(yàn)研究[J].兵工學(xué)報(bào)，2011，32（2）：230-235.ZhangHongguang，BaiXiaolei，HanXuejiao，etal.Re-searchoncombustioncharacteristicsofmethane-hydrogen-airmixture[J].ActaArmamentarii，2011，32（2）：230-235.ErjiangHu，ZuohuaHuang，JiajiaHe，etal.Experimentalandnumericalstudyonlaminarburningvelocitiesandflameinstabilitiesofhydrogen-airmixturesatelevatedpressuresandtemperatures[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy，2009，34（20）：8741-8755.ZhengShizhuo，ZhangXin，XuJian，etal.Effectsofinitialpressureandhydrogenconcentrationonlaminarcombustioncharacteristicsofdilutednaturalgas-hydrogen-air[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy，2012，37（17）：12852-12859.XuesongWu，ZuohuaHuang，XianggangWang，etal.Laminarburningvelocitiesandflameinstabilitiesof2，5-dimethylfuran-airmixturesatelevatedpressure[J].CombustionandFlame，2011，158:539-546.謝烽，郭進(jìn)，胡坤倫，等.甲烷-空氣預(yù)混氣體燃燒特性研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2014，14（2）：5-9.XieFeng，GuoJin，HuKunlun，etal.Experimentalstudyoncombustioncharacteristicsofmathane-airmixtures[J].JournalofSafetyandEnvironment,2014，14（2）：5-9.岑可法.高等燃燒學(xué)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2002.89-90.CenKefa.AdvancedCombustionTheory[M].Hangzhou:ZhejiangUniversityPress，2002.89-90.胡二江.天然氣-氫氣燃料結(jié)合EGR的發(fā)動機(jī)和預(yù)混燃燒研究[D].西安：西安交通大學(xué)，2010.HuErjiang.Studyonengineandpremixedlaminarcombustionfueledwithnaturalgas-hydrogenblendscombinedwithEGR[D].Xi'an:Xi'anJiaotongUniversity，2010.Egolfop