[科普中国]-层流燃烧速度

性质

层流燃烧速度是一维绝热平面的火焰面相对于来流未燃预混气体的速度。层流燃烧速度是反应燃料燃烧特性的重要参数之一。

测量方法层流燃烧速度的测量主要有本生灯法，对冲火焰法，定容燃烧弹法等。

本生灯法典型的本生灯火焰，是轴对称的圆锥型预混火焰，如图1－1所示。其基木原理是一定量的未燃预混气体在燃烧器或圆管内作层流流动，若将其点燃，则圆锥型火焰稳定在质量流率和质量燃烧率达到平衡时的燃烧器或圆管出口处。木生灯法是利用预混火焰锥来确定层流燃烧速度。在稳定状态下，单位时间内火焰前锋面被烧掉的混合气等于单位时间内喷口流出的可燃混合气，据此来确定层流燃烧速度。

本生灯火焰的优点：燃烧器较为简单，实验过程容易操作。但是在本生灯法的测量中，需要持续提供未燃气，靠近管壁处的气流受到了管壁散热冷却作用使得火焰前锋正常火焰燃烧速度比其他部位低，管中必处气流受到火馆加热作用而使得火焰前锋的正常拉伸火焰速度达到最大值，因此层流燃烧速度在不同区域会产生差异。此外，由灯口喷出的可燃混合气在过渡到剧烈燃烧之前，存在一个很薄的加热层，因此，火焰前锋锥体的形成要离开灯口－小段距离，并且要比灯口尺寸略微扩大。

对冲火焰法在两个相距一定距离的对置喷嘴中，通过射流的形式提供相同相对的混合气体，点燃可燃气后，使得两个火焰有相互滞止的作用。如图1－2所示，在射流方向，气流速度沿着轴向方向下降，相撞后产生横向的速度分量，火焰也会向着横向延伸，因此火焰整体也是被拉伸的。在实验中，可W很方便地任意调节两个喷嘴之间距离和喷嘴出口预混气体流速，因此通过调节喷嘴之间距离和喷嘴出口预混气体流速改变对冲火焰的拉伸率，可测得拉伸火焰速度以及火焰拉伸率，通过拟合推导出速度梯度为0时候的燃烧速度即为层流燃烧速度。对冲火焰的优点：对冲火焰构造出一种绝热状态，避免了热损失的影响。但是对冲火焰需要示踪粒了，同时对实验条件要求较高。

定容燃烧弹法在密闭的容器内充满可燃气体，在容器中屯、通过点火系统点燃混合气，火焰由点火中屯、向四周传播，通过纹影系统和高速摄影，可采集火焰的传播过程，进而推导层流燃烧速度。如图1－3所示，在火焰传播过程中，向四周膨胀的已燃气体会使未燃区的压力和温度不断提高，通过壁面反射的压力波又会进而作用到火焰面，影响火焰的传播过程。因此，在层流燃烧速度的测量中，会在定容燃烧弹上安装缸压传感器，测量缸内压力的变化。在推导层流燃烧速度时，使用压力几乎保持不变时的火焰纹影图片，计算层流燃烧速度。定容燃烧弹法的优点是实验装置简单，实验能够连续记录火焰传播过程，保证拉伸率及火焰速度从同一个实验得到，方便推导马克斯坦长度，方便进行高压试验。缺点是点火能量对火焰传播初期有影响，边界对火焰传播后期有影响，因此，在实验室中，会选取不受点火能量W及壁面影响的区间进行层流燃烧速度的推导。2

在以上几种常见方法中，本生灯火焰会受到壁面的影响，同时火焰尖端受到火焰拉伸的影响较大；对冲火焰需要提供示踪粒子，且对实验条件要求很高；对于球形火焰，受点火能量及壁面的影响，只有部分数据能够用来推导层流燃烧速度，但实验装置较为简单，实验过程中可记录连续的火焰传播过程，保证拉伸率及火焰速度从同一实验得到，可推导出马克斯坦长度，并且方便进行高压试验。因此，近年来，定容燃烧弹法广泛应用于研究层流燃烧速度的实验中。2

影响因素火焰拉伸对层流燃烧速度有较大的影响，是引起误差的主要因素，燃烧速度对火焰拉伸的敏感程度可通过马克斯坦长度(Marksteinlength)来表征。

混合气成分比例对于层流燃烧速度，变化趋势和无拉伸火焰速度基本一致，即层流燃烧速度随着氨气比例的增大而增大。具体而言，氨气比例小于10%时，层流燃烧速度随着氨气比例增大而明思増大。当氨气比例处于10%和100%之间时，层流燃烧速度随着M气比例增大而增大的趋势相对平缓。

（1）H2+CH4/CO混合气，当H2的比例为0时，随着CH4比例的升高，层流燃烧速度先增大后减小，火焰的最大层流燃烧速度出现在CH4比例为20%左右。当H2的比例为40%时，随着CH4比例的升高，层流燃烧速度逐渐减小。层流燃烧速度的变化趋势和绝热火焰温度的变化趋势不完全一致，说明绝热火焰温度不是影响层流燃烧速度的唯一因素。

（2）H2+CH4/CO混合气，在H2比例为0%时，在小CH4比例下(CH4比例小于20%），随着CH4比例增大，OH自由基生成速率最大的链分支反应R1(H+O2=O+OH)反应速率增大，OH自由基浓度明显増大。同时主氧化反应R31（C0+0H=C02+H）的敏感性系数较大，链分支反化R1的敏感巧系数增大，对层流燃烧速度的升高有积极的促进作用。随着CH4比例的继续增大，R1的反应速率下降，OH浓度上升趋势受到抑制，R31反应速率下降，敏感巧系数降低，此外绝热火焰温度的下降共同导致了火焰的层流燃烧速度下降。

（3）H2+CH4/CO混合气，当H2比例从0%变为40%时，基元反应R31的敏感性系数有较大程度的降低，且随着CH4比例升高，和H2比例为0%时不同的是，OH自由基的摩尔分数随着CH4比例的升高有所下降，此外，相比于H2比例为0%，当H2比例为40%时，敏感性系数小于R31的基元反应R3（OH+H2=H+H2O）的反化速率明思增大，消耗了大量OH自由基，因此R31的反应速率随着CH4比例的増大出现下降趋势。此外，火焰绝热火焰温度随着CH4比例升高而降低，因此，在热力学主导的作用下，层流燃烧速度随着CH4比例升高而单调下降。

（4）CO+H2/CH4混合气，当CO的比例为0时，随着H2在CO+H2/CH4中比例的升高，层流燃烧速度增大，速度增大幅度明显；当CO的比例逐渐增大，随着H2在H2/CH4中比例的升高，层流燃烧速度增大幅度逐渐减弱：当CO比例增大到95%时，随着H2在H2/CH4中比例的升高，层流燃烧速度开始减小，此时层流燃烧速度的变化趋势和绝热火焰温度的变化趋势完全不同，说明绝热火焰温度不是影响层流燃烧速度的主导因素。

（5）CO+H2/CH4混合气，当CO比例为60%时，随着也比例的升高，敏感性系数较大的基元反应R1(H+O2=O+OH)及R31(CO+OH=CO2+H）的反应速率均有思著升高，对增大层流燃烧速度有积极作用。此外，绝热火焰温度随着H2比例增大而升高，进而在共同作用下增大层流燃烧速度。

（6）CO+H2/CH4混合气，当CO比例为95%时，随着H2比例的升高，H和OH自由基浓度均有下降，敏感性系数较高的基元反应R31(CO+OH=CO2+H）、R1(H+O2=O+OH)和R16(HO2+H=OH+OH)的反应速率下降，进而影响火焰的层流燃烧速度。虽然火焰的绝热火焰温度随着H2比例増大而升高，但由于化学动力学影响起到了主导作用，因此层流燃烧速度出现下降趋势。

（7）CH4+H2/CO混合气，随着H2在H2/CO混合气中比例升高，层流燃烧速度增大；CH4比例越小，增大的幅度越大。2

火焰温度对于层流燃烧速度，火焰温度是十分重要的影响因素。针对不同H2比例下绝热火焰温度的变化开展了研究，绝热火焰温度通过Gaseq软件得到。随着当量比的增大，绝热火焰温度升高，随着氨气比例的增大，绝热火焰温度不但没任增大，反而在当量比小于1j时稍有减小的趋势。因此，对于层流燃烧速度随着氨气比例增大而迅速增大，火焰燃烧温度并非是主导因素，因此，还有其他影响因素对层流燃烧速度的变化规律起作用。

初始压力层流燃烧速度随着初始压力的增大而减小，技是由于随着初始压力的增大，温度不敏感的链终止反应化H+O2+M=HO2+M的反应速率得到加强，消耗了大量的H自由基，而温度敏感巧强的链分支反应化H+O2=O+OH的反应速率基本保持不变。因此，在链终止反应加强的作用下，H2/CO/air混合气的层流燃烧速度随着初始压力的升高而降低。2

意义层流燃烧速度可用于分析和预测发动机的燃烧性能，对指导发动机的优化设计有重要意义。从基础研究的角度来看，层流燃烧速度是用来验证燃烧过程中化学反应机理的重要参数，是建立健全预混燃烧数理模型的重要基础，同时是提供仿真计算的基础燃烧数据；从工程化用的角度来看，层流燃烧速度是影响燃烧系统综合效率的重要因素，是理论预测燃烧过程及研究燃烧产物生成机理的重耍基础，因此预混层流燃烧速度的研究具有重要意义。2