W ANG X i2b i n,M I AO Ha i2yan,J I ANG D e2m i n g
(State Key Laborat ory of Multi pha Fl ow in Power Engineering,Xi’an J iaot ong University,Xi’an710049,China) Abstract:Pr opagation and devel opment characteristics of surface instability of the s pherical p rem ixed flames for methanol2air2nitrogen m ixtures were studied by using a constant volu me combustion chamber and high2s peed schlieren photography system.The lam inar burning vel ocities,the mass burning fluxes,and the Markstein lengths were obtained at different equivalence rati os,p ressures,initial temperatures and ini2 tial dilution ratios.A t the elevated p ressures,the cracks on the flame surface branch and develop into the cell structure.For very lean m ixture combusti on,the buoyancy effect and cooling effect from the s park electr odes have a significant i mpact on the flame p r opagation.The hydr odynam ic instability is inhibited with the increa of initial temperature around the st oichiometric equivalence rati o while it is enhanced with the increa of initial p ressure.M ixture diluti on can supp ress the hydrodynam ic instability. Keywords:Methanol;Spherical flame;Prem ixed combustion;Flame instabilities
引言
日益增长的原油价格和日趋严格的排放法规使得代用燃料的研究成为内燃机研究的一个热点。当前内燃
机的替代燃料主要有氢气、压缩天然气、液化石油气和醇类燃料等。在醇类燃料中使用掺混燃料只需对发动机进行较小改动甚至无需改动，因而大量的研究工作集中在使用汽油掺醇燃料的汽油机性能和燃烧排放研究[124]。
甲醇有辛烷值高、含氧、汽化潜热大和层流燃烧速度高等优点[5]。另外甲醇来源丰富，可以规模化生产和降低生产成本[6]。目前，大量的研究工作主要集中在甲醇汽油混合燃料汽油机的燃烧和排放性能方面，也涉及到一些甲醇燃烧的基础性研究工作[7213]。Met2 ghalchi[7]、Saeed[8]、Koda[9]、Gülder[10211]获得了甲醇2空气混合气的层流燃烧速度。然而在这些研究中，没有得到火焰的拉伸作用和马克斯坦长度，火焰锋面的细胞状结构的影响也未能考虑，这些都对层流燃烧速度的准确测量带来误差。Muller[12]使用化学动力学获得甲醇2空气混合气的层流燃烧速度，但计算结果和试验
结果存在一定偏差。在国内，廖世勇[5,13]等人使用高速纹影摄影的方法在容弹中研究了初始压力和初始温度对甲醇2空气混合气预混层流燃烧特性的影响。
废气再循环是降低发动机NO
x
排放的有效措施之一，开展稀释条件下甲醇2空气混合气预混层流燃烧具有重要的学术价值和工程指
导价值。本研究使用氮气作为稀释气体来模拟废气对甲醇2空气混合气燃烧特性的影响，研究不同当量比、初始温度、初始压力和稀释度时甲醇2空气2氮气混合气预混层流火焰的发展特性，为深入认识稀释条件下甲醇2空气预混火焰提供新的数据支持和理论依据。
1 试验装置和试验方法
预混球型火焰具有结构简单和拉伸定义明确等优点[14]，被广泛应用在层流火焰的研究中。本研究采用高速摄影拍摄定容燃烧弹内火焰的发展过程。试验中所用定容燃烧弹内径为180mm、容积为0.0055m3的不锈钢圆柱体，如图1所示。容弹圆柱体外部分别安装有压力变送器、热电偶、压力传感器、液体燃料注射阀、进排气阀等。容弹内布置中心电极，用来点燃混合气。容弹的两个端面装有石英玻璃视窗(直径为80 mm)，为纹影系统提供光学通路。高速摄像机(HG2 100K)拍摄速度为10000幅/s，用来拍摄火焰发展过程。电加热带均匀缠绕在容弹外部用来加热混合气，容弹内部混合气的初始温度用热电偶测量。用微量进样器把指定初始温度、压力、燃空当量比和气体稀释度条件下预先计算好的燃料量通过液体燃料注射阀注入容弹内。混合气均匀混合5～10m in后点火，以确保混合气处于静止状态。本研究的预混火焰前锋面厚度较小，因而纹影系统能较精确测量火焰的半径[15216]。
图1 定容燃烧弹结构图
F i g.1 Sche ma ti c d i a gram of the con st an t
在本研究中，处理数据用的火焰半径大于6mm，以消除电极和点火对火焰发展的影响，小于25mm的数据以确保容弹内很小的压力和温度变化。使用数据的范围也限制在火焰细胞状结构出现以前，因为火焰细胞状结构的出现会加速火焰传播速度，从而对层流燃烧速度的获取带来偏差[8,17218]。
对于球型向外发展火焰，火焰传播速度可由火焰半径和时间的关系式给出[17]，则
S如何锻炼手腕力量
n
=d r u/d t(1)
式中:r
u
为纹影照片中火焰半径;t为时间。对于球型向外发展火焰，火焰拉伸率定义为
α=
1
A
·
d A
d t
=
2
r u
立即安装·
d r u
d t
=
2
r u
S n(2)式中:A为火焰前锋面积。在火焰发展早期，无拉伸层
流火焰传播速度S
l
与拉伸层流火焰传播速度S
n
之间存在线性关系为
S
仙居景点
l郭美美
-S n=L bα(3)
式中:L
b
是已燃气体马克斯坦长度。
层流燃烧速度可通过火焰前锋面前后的质量守恒关系式得到
f=ρ
u
u l=ρb S l(4)
式中:ρ
u
和ρ
b
分别是未燃气体和已燃气体的密度;f是质量燃烧流量。从式(4)可以看出，除了无拉伸火焰传播速度和层流燃烧速度外，质量燃烧流量也是层流预混火焰的基本参数。质量燃烧流量能综合地体现出
混合气的反应特征、扩散特征和放热特性[18]。ρ
后字草书u
是未
燃混合气的初始密度,ρ
b
由热平衡计算得到。由式(4)可以获得层流燃烧速度:
u
纽约地铁线路图l
=ρb S l/ρu(5) 2 结果和分析
2.1 层流燃烧速度和质量燃烧流量
图2给出了层流燃烧速度(u
l
)和质量燃烧流量(f)随当量比(<)的变化关系。在各初始状况下，最大层流燃烧速度和质量燃烧流量均出现在当量比为1.1处。随着混合气变浓或变稀，层流燃烧速度和质量燃烧流量均降低。由于甲醇和氮气的分子量比较接近，因而未燃混合气的密度随当量比的变化而变动不大。因此，层流燃烧速度和质量燃烧流量随当量比变化呈现出相同的变化趋势。
试验结果表明，随着初始温度的增加，层流燃烧速度增加。初始温度的提高增加了化学反应速率因而提高了火焰传播速度。尽管提高初始温度会降低未燃混
a )
b )
c )
(实心符号：层流燃烧速度；空心符号：质量燃烧流量)
图2 甲醇2空气2氮气混合气层流燃烧速度和质量燃烧流量
F i g .2 Lam i n ar burn i n g veloc iti es and ma ss burn i n g
fluxes of m ethanol 2a i r 2n itrogen m i xtures
随着初始压力的提高，层流燃烧速度降低而质量
燃烧流量增加。这是由于未燃混合气的密度随着初始压力增加而增加起到了主要作用。
随着氮气稀释气的加入，无拉伸层流燃烧速度和质量燃烧流量减小。随着稀释气体的加入，可燃混合气量减少。此外，稀释气会吸收燃烧所释放出的部分热量。在这两个因素的共同作用下，燃烧温度降低，从而降低了层流燃烧速度。未燃混合气的密度对稀释度的变化不敏感。因而，不同稀释度时，
无拉伸层流燃烧
速度和质量燃烧流量随着当量比的变化仍然呈现出相
2.2 马克斯坦长度
层流燃烧速度和马克斯坦长度是拉伸预混层流火焰最重要的两个全局参数[19]
。马克斯坦长度可以定量地描述层流预混火焰对火焰拉伸的敏感程度以及火焰锋面的热扩散不稳定性。一般说来，在正的拉伸率下，正的马克斯坦长度意味着火焰速度随着拉伸率的增加而降低。火焰锋面凸向未燃混合气的部分因具有正的拉伸率而被抑制。相反，凹向未燃混合气的部分因具有负的拉伸率而加强。因此褶皱和细胞状结构的发展得到抑制，使火焰锋面趋于光滑稳定。负的马克斯坦长度反映出火焰锋面热扩散不稳定性，褶皱和细胞状结构的火焰面将进一步发展和增强。
图3给出了马克斯坦长度随当量比的变化关系。
a )
b )
c )
图3 甲醇2空气2氮气混合气马克斯坦长度
各初始状况下，马克斯坦长度均随当量比的增加而减
小，这和其他重分子碳氢燃料的趋势一致[17,20]
。拉伸火焰的选择性扩散作用是导致这一现象的原因。说明甲醇2空气2氮气混合气的路易斯数随混合气的变浓而减小。混合气逐渐变稀时，着火逐渐困难，尤其在<<0.6时，如果不提高点火能量则难以着火。试验结果表明，随着甲醇2空气2氮气混合气变浓，热扩散不稳定性逐渐增强，在浓混合气时火焰表面易产生褶皱和细胞状结构。 对稀的甲醇2空气混合气，马克斯坦长度对初始温度变化幅度较浓混合气小。初始压力升高时，马克斯坦长度明显降低，这反映出初始压力增加后，热扩散不稳定性增强。这一结果和其他学者的研究结果相一致[17,20]。马克斯坦长度随着稀释度的增加而增加，这一现象在稀混合气时比较明显。稀释气的加入降低了混合气中燃料和氧气的密度，导致层流燃烧速度降低和马克斯坦长度增加。这说明对于甲醇2空气2氮气混合气，随着当量比的减小和稀释度的增加，火焰的热扩
散不稳定性得到抑制。
2.3 火焰形态分析
预混层流火焰通常伴随有热扩散不稳定性、流体
动力学不稳定性和浮力不稳定性[21]
。
本研究中，热扩散不稳定性借助马克斯坦长度和火焰锋面形态分析；流体动力学不稳定性借助火焰厚度和未燃气体与已燃气体的密度来分析；浮力不稳定性借助火焰锋面发展形态分析。在球型火焰发展初期，热扩散不稳定性起主要作用，随着火焰的发展，流体动力学不稳定性的作用越来越明显。本研究主要集中在火焰发展的初期，因而火焰锋面的不稳定性主要由热扩散不稳定性造成。
图4为不同初始温度时半径为30mm 时的火焰纹影照片。所有的火焰锋面均保持光滑，尽管马克斯坦长度随当量比的增加而减小，但在图4的初始状况下，马克斯坦长度均为正值，因而热扩散不稳定性得到抑制，火焰锋面保持光滑形态
。
图4 不同初始温度下火焰半径为30mm 处甲醇2空气火焰前锋面纹影图像(p u =0.1MPa )
不合格党员F i g .4 Schli eren i m ages of m ethanol 2a i r fl am e a t the rad i us of 30mm a t d i fferen t te m pera tures
图5给出了不同初始压力条件下半径为30mm
时的火焰纹影照片。低初始压力时，各当量比时火焰锋面均保持光滑。高初始压力时，随当量比的增加，火焰锋面由光滑逐渐变为褶皱和细胞状结构，这说明火焰不稳定性随当量比的增加而增强。随着初始压力的增加，甲醇2空气混合气的不稳定性逐渐增强，这与从马克斯坦长度的变化所得的结果相一致。 图6给出了稀释气体加入后的半径为30mm 处的火焰锋面。各当量比和稀释度下火焰锋面均保持光滑结构，纹影图像反映的结果与从马克斯坦长度分析
的影响规律，图7给出了4个不同初始压力时的火焰纹影图像。 从图7可以看出，初始压力对火焰锋面细胞状结构的出现时刻有重要影响。在初始压力为0.1MPa 时，没有观察到细胞状结构出现。而当初始压力从0.25MPa 提高到0.75MPa 时，火焰前锋面细胞状结
构出现。初始压力为0.1MPa 时，火焰锋面均保持光滑；当初始压力为0.25MPa 时，火焰后期图片出现褶皱线；当初始压力提高至0.50MPa 时，火焰后期锋面出现大量的小胞状结构，而初始压力为0.75MPa 时,
图5 不同初始压力下火焰半径为30mm 处甲醇2空气火焰前锋面纹影图像(T u =273K )
F i g .5 Schli eren i m ages of m ethanol 2a i r fl
am e a t the rad i us of 30mm a t d i fferen t pressures
图6 不同稀释度下火焰半径为30mm 处甲醇2空气2氮气火焰前锋面纹影图像(T u =273K,p u =0.1M Pa )
F i g .6 Schli eren i m ages of m ethanol 2a i r 2n itrogen fl am e a t the rad i us of 30mm a t d i fferen t d iluti on ra ti os
初始压力提高至0.5MPa 和0.75MPa 时，火焰锋
面在火焰发展初期就出现一些裂纹，这些裂纹对火焰传播速度并无明显影响。随着火焰的进一步发展，这些裂纹形成分支和生长，最终在火焰锋面形成大量的小胞，这些小胞随着火焰的发展而逐渐地长大，随后又分裂成新的小胞。这一过程随着火焰的发展不断地
三书六礼
重复[22]
。
图8给出了初始状况为T u =373K 、p u =0.25MPa 、<=0.6时的甲醇2空气火焰纹影照片。在此初始条件下，火焰传播速度较慢，此时浮力作用和电极的冷
却作用十分明显。由于浮力作用，火焰整体向上漂浮。
同时由于电极的冷却作用，火焰在垂直方向的传播速度大于在水平方向的传播速度。 流体动力学不稳定性是由未燃气体经过火焰锋面燃烧后的热膨胀作用所产生的[23]
。燃烧是放热反应，因而所有的预混火焰都会伴随有热膨胀现象。密度比大时会增加流体动力学不稳定性，火焰厚度值大时有利于抑制流体动力学不稳定性的产生。文中密度比通过热平衡计算获得，而火焰厚度从未燃混合气的黏性系数与层流燃烧速度的比值得到。
