Vol. 37 No. 6Dec. 2 0 2 0
第37卷第6期2020年12月沈阳航空航天大学学报Journal of Shenyang Aerospace University 文章编号；2095 -1248(2020)06 -0037 -06
等离子体对
CH4
-空气着火特性的影响因素分析
王美琪，陈雷，曾文，裴欢，刘 宇，杨昆
（沈阳航空航天大学辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室，沈阳20136）
摘要：为了探究非平衡等离子体对甲烷着火延迟时间的影响，建立该燃料的化学反应动力学
模型，在GRI-mech 7. 0的基础上添加O7相关的化学反应方程式，编制了等离子体辅助甲烷 的燃烧反应机理。对等离子体辅助甲烷的燃烧反应过程进行数值模拟，分析了着火温度、当 量比对CH*/空气/O7混合气着火延迟时间的影响，得到了非平衡等离子体对甲烷着火延迟 时间的影响规律。结果表明：添加O7后着火延迟时间显著减少；不同当量比下,CH*/空气/
O7混合气着火延迟时间与着火温度呈线性关系；CH*/空气/O7混合气的着火延迟时间随着
着火温度的升高逐渐缩短。通过敏感度分析，揭示了非平衡等离子体生成自由基影响甲烷点 火的化学反应机理。
关键词：非平衡等离子体；数值模拟；着火延迟时间；敏感性分析；化学反应动力学；甲烷
中图分类号：V27 2. 1 文献标志码：A
doi : 12. 3765/j. issn. 2095 - 1228. 2022. 06. 005
Analysis of the influencing factors of plasma on the ignition
characteristics of CH 4-ais管理部
WANG Mei-qi,CHEN Lei,ZENG Wen,PEI Huan,LIU Yu,YANG Kun
（Liaoning Key Laboratory of Advancen Measurement and Test Technology for Aviation
Populsion System ，Shenyang Aerospace Univvrsito , Sheeyang 110136,Chino ）
布丁的做法大全
Abstract : In orSes to explore tie effect oO non-equiObeum uOsmn on tie ionition delay time oO meOi-
ane , n chemicnS Tenchon kinetin modeS oO tie fuel wnt estaniisPee , o O tie chemicnS reachoo equation
relatee i O7 wot aOden on O ic Oasit oO GRI-mech3. 0 to uTepare ie uOsmc-essisten methane combut-
tioo reachoo mechanism-The 10X110-essisten methane cemUustion reachoo pTocest wop numericallo
simulaten , ant the ionition temperature , equoyeni ratio were analyzen foe the ionition delay time oO
methane/jiT/COmixtuTe-The effed oO non-enuilinrium plasma cm the ionition delay time oO methane was ontunen-Tha results stow that ：afteT abding O 3，the ioution delay time is sioUficanhy enuced ；ct diffeent e-
quivvlence ratios UC c looarithm ot the inution delay zime ot the methane/aO/COmixPue O
with 3he in
nition tempeoture ；01e ioution ot he mehiane/aO/Os mixture-The delay time araduaOy decreas wit the
increasn ot ioution temperature-qTropch $60-0X0 analysis,the chemical reaction mechausm ot free enicO
收稿日期：2022 -06 -13
基金项目：中国航空动力基金（项目编号：6121B095548）；辽宁省教育厅基础研究项目（项目编号:JYT12559）；国家自然科学
基金（项目编号：51676132）
目前电影票房排行榜作者简介：王美琪（1995 -）女，辽宁朝阳人，硕士研究生，主要研究方向：发动机高效燃烧与低排放,E-mab ：6412218413@
127. cem ；陈雷（1981 -），男，辽宁铁岭人，副教授，博士，主要研究方向：等离子体强化燃烧及应用技术,E-my ：yy- runtianqi@163. com 。
38沈阳航空航天大学学报第37卷generation of non-equilibrium plasma忒fecting the ignition of methane is revealed.
Key words:non-equilibrium plasms；numericni
chemicni reaction kinetics；methane
随着社会经济的快速发展，全球能源的需求和污染物的排放问题成为人类社会可持续发展面临的两大难题［1］0天然气由于其环保、储量大等优点，已经广泛地应用在各个领域。但天然气主要成分甲烷的C-H键断裂过程需要较高能量，这会导致点火可靠性差等问题［2\为了找到解决办法，国内外许多学者对甲烷的燃烧特性进行了研究［84］0其中，等离子体由于包含大量非束缚态带电粒子，可以加速燃料的点火，引起了研究人员的极大关注［54］0
胡宏斌［7］进行了等离子体辅助甲烷燃烧的实验研究。结果表明，等离子体辅助低热量气体燃料的燃烧性能得到了显著改善，具体表现为提高点火可靠性、扩大稀薄燃烧极限和提高火焰传播速度。张浩［8］采用有限元分析方法求解了一维等离子体助燃模型，研究结果表明：电离产生的等离子体增加了0的来源途径，提高了0的生成速率，使着火延迟时间缩短。可以看出，在等离子体辅助甲烷燃烧领域已经取得了一些进展。但是，由于等离子体化学反应的复杂性以及电离产生活性粒子的多样simulation；ignition deity time；nsitgity analysis
性，目前对等离子体的研究仍局限于理论和基础实验，从微观和机理的角度研究成果颇为少见。因此，有必要研究等离子体辅助燃烧的燃烧机理，并探索在辅助甲烷燃烧中起主要作用的关键活性颗粒的类型。
1研究方法
1.1构建机理
等离子体辅助CH/空气化学反应的机理分为两部分，放电阶段和点火阶段510放电阶段是能量转移和中性粒子活化的过程。经过粒子激发、离解、电离、电荷交换、激发粒子淬灭、电子离子重组等一系列反应，最终产生了大量的活性粒子［I2］o在点火阶段，将放电阶段产生的活性粒子作为初始成分添加到CH/空气混合物中，模拟等离子体增强甲烷点火的整个过程。本文在GRI8.0的基础上添加。8的相关化学反应方程式，形成等离子体激励甲烷燃烧反应机理，着重研究了08粒子对反应的刺激作用。表1为08相关的部分化学反应方程式。
表1相关化学反应
化学反应速率系数
A/(m3•s一1)n E,J•moi"1)序号基元反应
1O2+O3二>0+。2+。2 1.04E+14028064 20+。2+。2二＞。2+。彳8.26E+19-2.10 8。彳+N?=>0+N?+。2 4.00E+14022667 4。2+0+N?二>。8+N?160E+14-044-1891 50+。8二>0+0+。2 2.48E+15022727 6。2+0+0二>。8+02028E+14-044-1891 7。8+。8二〉0+。2+。8 4.40E+14028064 80+。2+。8二>。8+。81067E+14-044-1891 908+H<=>0H+。28.43E+130984 10。3+H<=>0+H024442E+1100
第6期王美琪，等：等离子体对CH q-空气着火特性的影响因素分析39
1.2着火延迟时间
着火延迟时间是可燃物已达到着火条件时，由初始状态到跃变状态所需要的时间[5]o 开展等离子体增强甲烷点火的着火延迟时间的化学反应动力学分析，能够对提高发动机热效率和减少污染排放的可持续发展提供理论指导并对理解等离子体增强甲烷的着火特性、燃烧机理、污染物生成和构建合理的燃烧反应模型提供理论数据支撑。设定着火时间有多2a、图2b所示,CH。在开始时缓慢消耗，反应速率较慢，在着火时刻反应速率迅速增大,CH。迅速被消耗，直至摩尔分数变为0。如图2c、图2d所示，图2c0H的摩尔分数剩余量约为0.015，反应过程中OH的最大摩尔分数为0.139。图2d OH的摩尔分数剩余量约为0-017，反应过程中OH的最大摩尔分数为0.144。加入O9后生成OH的时间缩短，同时促进了OH消耗，因此缩短了着火延迟时间。
种方法，可以选择温度、压力和自由基发射光谱强度的变化来设定着火延迟时间[I5]o本文选择反应开始时刻到0H自由基生成速率最快的时刻之间的时间间隔作为着火延迟时间。
2计算结果
O.
-»-CH*
-»-CH4+0.5%03 1
1
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O
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备
在起始温度T为3200K、起始压强P为
latm、不考虑能量损失和周围活性颗粒扩散的情况下，分别计算正常燃烧和等离子体助燃条件下，不同当量比（=0.8、3.0、3.2）、不同压力（p=3、5、15bar）的着火延迟时间随温度的变化情况；并计算了不同当量比燃烧的温度变化以及燃烧产物的摩尔浓度随时间的变化。2.1不同温度对着火延迟时
间的影响
图3为初始温度对着火延迟时间的影响。从图3中可以明显看出，GRI3.0机理和加入0.5%09的等离子体助燃机理随着初始温度的升高，着火延迟时间明显减小。这是因为当温度升高时，燃料分子能量增加，反应中的活性粒子数量增多，极大提升了反应速率，因此缩短了着火延迟时间。在反应中加入0.2%O9后，着火延迟时间比正常燃烧的着火延迟时间缩短了很多。在3660K时，加入0.5%。9的着火延迟时间大约为4.5x15"4s，甲烷自点火的着火延迟时间大约为3.88xl5-9s。
2.2摩尔分数随时间的变化
图2为燃烧反应过程中的主要反应物和燃烧产物的摩尔分数随时间的演化过程。如图
140016001800200022002400
温度/K
图1着火延迟时间随温度的变化
2.2不同当量比对着火延迟时间的影响
图3显示了当量比分别为0.8、3.0、3.2时着火延迟时间随初始温度的变化趋势。在不同的温度下,CH。/空气/O9混合气的着火延迟时间随着当量比的变化而变化明显，着火温度与着火延迟时间呈线性关系。在相同的初始温度下，随着混合气当量比的增加，混合气从富氧混合气达到化学恰当比，再到贫氧混合气，混合气的着火延迟时间呈增加趋势。
从图4中可以看出，燃料燃烧的温度上限在当量比为3.0时最大，其次是浓混合气，稀混合气的燃烧最高温度最小。当量比为3.0时，温度升高速率最大。这是由于浓混合气活性分子数量多，反应速度加快，但随着燃烧的进行，氧分子被消耗，使最终的放热量减少，燃烧最高温度降低。稀混合气则是由于缺少燃料，最终的放热率减少，燃烧最高温度低。在理论空燃比附近，燃料分子和氧分子的燃烧最为充分，放
44沈阳航空航天大学学报第37卷
出的总热量最多，燃烧最高温度最大。
0.20 r
r枯萎近义词
o 25
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10
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二务
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念怎»
0.050.000 1 0.000 2 0.000 3 0.000 4 0.000 5时间/s
0.05
0 0.000 1 0.000 2 0.000 3 0.000 4 0.000 5
a 加入0.5% O3自由基后各组分的摩尔浓度
随时间的变化（摩尔分数大于0.02的组分）
时间/s
b 无自由基参与的各组分的摩尔浓度 随时间的变化（摩尔分数大于0.02的组分）
00.020
咬唇妆口红怎么涂O H O C
0.020
O —
—H —OH ------CH 3
10
.O 0.0050.005
0 0.000 1 0.000 2 0.000 3 0.000 4 0.000 5
纷纷暮雪
时间/s
c 加A0.5%自由基后各组分的摩尔浓度 随时间的变化（摩尔分数小于0.02的组分）0.000------- 1 1-------------丿-------------------------0.0000 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005
时间/s
d 无自由基参与的各组分的摩尔浓度 随时间的变化（摩尔分数小于0.02的组分）
图2摩尔分数随时间的变化
温度/K
时间/s
图3当量比对着火延迟时间的影响
2.1温度敏感性分析
为了更好地理解加入。3对甲烷点火的影 响，选择了 14个对甲烷着火延迟时间有重要影 响的化学反应。在初始温度1400K，标准大气
图4当量比对温度上限的影响
压和加入0.5%08的条件下，进行了自点火的
敏感性分析。结果如图5所示，加入0. 0% 08
后，各反应式对着火延迟时间的影响明显增强, 可以看出R38、R119和R156的敏感性系数非
第6期王美琪，等：等离子体对CH-空气着火特性的影响因素分析41
常高且大于O0这3个反应是产生OH自由基的主要反应。加入O.后，敏感性系数增加,OH 自由基的产生速率增加，因此着火延迟时间减少。尽管加入0.0%O.也会在不同程度上提高负敏感性系数以增加着火
延迟时间，但CH4/空气/O.混合气的总体着火延迟时间却有所减少。
□
R32:CH2O+O2<=>HO2+HCO
R38:H+O2<=>O+OH
R53:H+CH4<=>CH3+H2—R9&CH4+OH v=>CH3+H2O
R119:HO2+CH3<=>OH+CH3O R155:CH3+O2<=>O+CH3O
R156:CH3+O2<=>OH+CH2O
R158:2CH3(+M)<=>C2H6(+M) R161:CH3+CH2O<=>HCO+CH4 R170:CH30+02<=>H02+CH20 R326:O3+O2=>O2+O+O2
R32&O3+N2v=>O2+O+N2
R334:O3+H<=>O2+OH
R334:O3+H<=>O2+OH CH4+O.5%03 ch4
-8-6-4-20246
敏感性系数
8
3结论图5敏感性分析
着火延迟时间，但CH。/空气/O.混合气的总体2017年春节联欢晚会
着火延迟时间却减少了。
对CH。/空气/(O混合气体的点火过程进行了数值计算，并与CH/空气混合气体的点火过程进行对比。得出了O.对甲烷着火延迟时间的影响规律，结论如下：
(2)与CH4燃烧反应机理相比，加入O.后燃烧起始时间明显加快，在2660K时，着火延迟时间减少了78.7%o随着初始温度的升高，着火延迟时间减小,。7对着火延迟时间的影响作用降低。O7有助于加快反应速度，减少着火延迟时间。
(2)当量比为2.0时，不同压力下的着火延迟时间与着火温度呈线性关系；同时，随着着火温度与压力的升高，着火延迟时间逐渐缩短。
(3)根据敏感性分析，加入0.0%O7后，各反应式对着火延迟时间的影响明显增强。R38、R119和R126的反应式明显减少了CH。混合气的着火延迟时间。尽管加入0.0%O7也会在不同程度上提高负敏感性系数导致增加参考文献(Referercrt):
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