2.1 一维火焰结构
图 3为火焰附近温度以及重要的且性质相对稳定几种物质的变化曲线,包括CH4,CO,CO2,H2O,OH,H2O2,O2和H2等。在预混气体中,正庚烷逐渐转化为较小的分子,同时释放出大量的热量,提高了气体温度。在预热区域,CO,CO2,H2O以及H2的含量迅速地由0变化到一个较高的数值,CO与H2的含量在火焰附近达到最大; 在火焰下游,CO的含量逐渐上升,而H2含量在一个短暂的下降后保持了稳定。在火焰下游,CO2与H2O的梯度非常大,显示在此处的放热非常强烈。在火焰下游,CO2的含量逐渐上升,而H2O则有所下降。在正庚烷的氧化还原反应中,伴随着燃烧产物的生成,还有大量的中间产物的出现,如OH自由基,H2O2,H2与CH4分子等。中间产物随着流动的进行继续发生化学反应,含量下降,某些性质更加稳定的中间产物在出口处仍有极低的残留。
图3 正庚烷燃烧反应区及附近的火焰结构:mf=0.45 mg/s,ER=1.2,Hc=500 W/m2-K
Fig.3 Flame structure at and near n-Heptane combustion reaction zone as mf=0.45 mg/s,ER=1.2 and
Hc=500 W/m
2-K
经过计算,可以得到对反应速率影响最大的5个基元反应:
H+O2=O+OH(R15)
CH3+HO2=CH3O+OH(R43)
C3H6+H2=iC3H7+H(R318)
C3H5-a+HO2=C3H5O+OH(R599)
nC7H16+H=C7H15-3+H2(R1071)
在正庚烷的燃烧过程中,气体温度与小分子产物有着很大的关系。小分子的中间产物消耗速度非常快。分析结果表明,正庚烷分子在火焰前的区域内即被脱氢反应快速地消耗掉,同时脱氢反应的产物在火焰前区域内进一步分解。较大的有机物分子进一步反应生成各种烷基自由基,并通过β位断链最终形成C1到C4的各种有机物。从表中可以看出,对总的反应进程影响最大的是H分子与O2分子的转化(R15:H+O2=O+OH),该反应也是OH的最主要的产生途径。而其他反应也在燃烧的过程中发挥着巨大作用,包括正庚烷的脱氢(R1071)、C3分子的转化(R318和R599)以及C1分子的转化等(R43)
2.2 入口参数对直管中燃烧反应的影响
在直管中,气体的流动状况对直管的影响十分显著,气体的流动情况构成了直管的边界条件。因此本节重点讨论了不同边界条件下直管中的燃烧状况。
图 4为燃烧器直管上的温度分布。图中当量比ER=1.2,改变燃料流量mf能够对温度分布产生影响。在ER不变的情况下,燃烧过程中气体的最高温度能够保持基本不变。而mf的增加直接改变了总的气体流量以及气体流速,因此能够使火焰向下游移动。从图 4中可以看出,在其他条件不变的情况下,温度最大值位置在mf的作用下逐渐偏向下游。通过对火焰位置进行分析,可以得到火焰位置与燃料流量之间的关系为KT=x/mf=14.22 m·s/g。图中所涉及到的模型并非绝热模型,因此在火焰的下游气体温度逐渐降低,且mf越大,温度的下降速率相对越慢。温度的下降速率可以以斜率来表示,温度斜率与mf的关系为PT=mf·(dT/dx)=10.43 K·g/m·s。
本节针对mf以及ER 对燃烧效率η的影响进行了较为详细的研究。在计算η的过程中,需要综合考虑CO,H2,CH4以及C2H4的变化(式(5))。
η=1-(m·H2LHVH2+m·COLHVCO+m·CH4LHVCH4+m·C2H4LHVC2H4)/(m·C7H16LHVC7H16)(5)
图 5为直管在各个状态下的燃烧效率的变化,图中横坐标为ER,不同的曲线指示相应的mf。从图中可以看出,随着ER的增加,燃料更加变得燃烧不完全,η从1.0逐渐降低至0.56。在ER<1.0时,η保持不变,此时燃烧较为完全,而在ER>1.0时逐渐下降。需要注意的是,当mf不同时,η的变化规律也有所变化:当mf=0.45 mg/s时,ER<1.0时η变化很小(接近于1.0),在ER继续增加后快速下降。mf增加时,η要更小一些,且从一开始变开始逐渐随着ER而下降。在曲线的两端,即ER=0.5与ER=1.5时,各个mf下燃烧效率较为接近。在直管中,相同的ER条件下,mf的增加能够提高气体的流动速度,从而减小混合气在直管内的停留时间,导致η的降低。
图4 轴线温度随着燃料流量的变化:当量比ER=1.2
Fig.4 Variation of axes temperature with fuel mass flow rate(mf)as ER=1.2
图5 直管中各个状态下的燃烧效率
Fig.5 Combustion efficiency in straight tube in various states
2.3 对流换热系数对直管内燃烧的影响
本节分析了不同的壁面对流换热系数对燃烧的影响,其值由0 变化到 360 W/m2-K,即从绝热状态逐渐增加到火焰熄灭的状态。燃烧器的入口参数保持不变。
图6 火焰结构主要成分以及热量释放率:对流换热系数Hc=200 W/m2-K
Fig.6 Flame structure near n-Heptane combustion flame,major components and heat release rate as convective heat transfer coefficient Hc=200 W/m2-K
在本节中,通过仿真得到了对流换热系数为200 W/m2-K时,正庚烷燃烧火焰附近更加详细的火焰结构,包括主要的燃烧中间产物以及热量释放率(HRR)。在预热区域内,正庚烷与O2逐渐被消耗,并转化为C2H4,H2O2 与 CH2O等主要产物,由于碳链的断裂需要吸收能量,因此温度有所降低,于此同时HRR逐渐上升。燃料分子分解后形成CO与CH4等。在火焰后区域,HRR快速上升,气体温度也达到最大值。在气体温度作用下,CH3自由基大量产生于火焰预热区内,而在火焰后区域内被快速消耗。从图 6(b)中可以看出,C3H6在火焰区域内被快速消耗掉,之后则保持稳定,在这两个区域内,小分子的重组与生成是非常剧烈的。从火焰结构中(图 6)可以看出,在相同状况下,火焰的峰值位置与热量释放率(HRR)的峰值位置较为接近。在直管中,HRR反映了化学反应过程中的能量状况,因此HRR的增加一般会导致温度的上升。
图7 对流换热系数(Hc)对直管内沿轴向的气体温度分布以及火焰厚度的影响
Fig.7 Influence of convective heat transfer coefficient(Hc) on gas temperature distribution along axis of
straight tube and flame thickness
随着对流换热系数的上升,燃烧器通过外表面向大气损失的热量也逐渐上升。图 7(a)为不同Hc下,直管内气体的温度分布。随着Hc的增加,气体温度也随之下降。前文中提到不同的基元反应对于燃烧的影响是不同的,具体而言,在较低的气体温度下,H2O2大量生成,而在较高的温度下,H2O2被分解,同时产生较多的热量[ 〗。若是气体温度在热量损失的作用下快速下降,则直管内的反应速率降低。从图 7(a)中还可以看出不同工况下气体温度峰值的变化。随着Hc的增加,气体温度峰值的数值也逐渐下降,当Hc>300 W/m2-K时,温度峰值小于1 193.2 K(1 078.2 K); 而当Hc=360 W/m2-K时,直管内进行的是低温氧化还原反应。此外,图 7(b)为火焰厚度的变化。火焰厚度由式(6))给出[3-5〗。火焰厚度能够在一定程度上反映火焰结构,帮助研究人员了解火焰的燃烧以及传输特性,其中Tu与Tb分别为未燃气体与燃气的温度。分析表明,随着温度的下降,火焰厚度逐渐增加。在Hc=250 W/m2-K时,火焰厚度仅为0.3 mm。而在反应减弱的情况下,火焰厚度明显增加。当Hc=350 W/m2-K时,火焰厚度上升至2.7 mm。在火焰被拉伸时,热量损失加剧,更加容易熄灭。
δ=(Tb-Tu)/(max|(dT)/(dx)|)(6)
图 8为不同Hc下直管轴线上的CH3与C3H6的分布。这两种物质的分布情况与R43以及R318紧密相关,对其进行考察能够用于预测总的化学反应速率。图 8(a)中显示,当Hc<250 W/m2-K时,即使是不同的Hc,CH3摩尔浓度在每个工况下的最大值也没有很大的变化,但峰值的位置仍向下游移动。然而当Hc>300 W/m2-K时CH3的摩尔浓度峰值急剧下降,仅为Hc=250 W/m2-K时的1/14,很显然,此时R43的反应速率比较低。图 8(b)中为C3H6的分布状况。不同于CH3,在Hc<250 W/m2-K时,C3H6在火焰区域内被完全消耗掉了,但是在火焰下游,由于化学平衡的作用,其摩尔分数有所上升。当Hc>300 W/m2-K时,C3H6消耗的很少,且在产物中仍有大量的残留。
图8 CH3与C3H6沿轴向上的摩尔浓度分布
Fig.8 Molar axis concentration distribution of CH3(a)and C3H6(b)
