高壓甲烷射流對層流火焰作用的試驗

雷 艷，丁夢竹，仇 滔，李 泳，劉佳星，趙 寧

(北京工業大學 環境與生命學部，北京 100124)

天然氣是我國內燃機應用最廣泛、技術最成熟的代用燃料．天然氣缸內直噴技術有利于提高發動機效率并降低有害排放，是當前天然氣內燃機的重要技術手段[1-2]，也成為了研究的熱點和前沿[3]．

天然氣直噴噴射方式(包括預噴的天然氣量和噴射正時)對天然氣燃燒影響很大．牛培錚等[4]研究發現，采用EGR率為25%耦合少量米勒循環并適當提前天然氣噴射正時，能夠降低NOx排放．王解托等[5]研究了不同天然氣預噴策略對發動機燃燒特性及性能的影響，結果表明：預噴比例相較于預噴間隔對燃燒過程的影響更顯著，預噴間隔在較大的預噴比例下才會顯著影響缸內燃燒放熱過程．Zeng等[6]研究了缸內直噴天然氣發動機在不同燃料噴射正時和恒定噴射時間下的燃燒特性，驗證了存在一個最佳燃料噴射正時使發動機熱效率達到最高，且保持較低水平的HC和CO排放．Moon[7]研究了直噴天然氣發動機在不同噴射時間下熱效率、燃燒速度、燃燒穩定性和排放特性，并比較了直接噴射和端口噴射的燃燒特性，結果表明：低負荷條件下，天然氣缸內直噴可以有效地提高發動機熱效率．劉亦夫等[8]探究了點火時刻與噴射時刻對火焰發展周期和發動機排放特性的影響，驗證了隨著噴射時刻和點火時刻的提前，發動機顆粒物排放增多，NOx和HC排放增大．林學東等[9]研究了缸內直噴壓縮天然氣(CNG)發動機噴射方式對火焰傳播特性的影響，證明了雙點火時缸內氣流對先形成的火焰有“牽引作用”，噴射時刻越推后，缸內混合氣不均勻性越強，燃燒放熱速率及其峰值越高，燃燒放熱持續時間越短．劉亮欣等[10]研究了天然氣缸內直噴發動機在不同噴射時刻下的燃燒特性，驗證了燃料噴射太遲和過早都會對發動機性能和排放有較大影響．王金華等[11]研究了點火時刻對天然氣摻氫缸內直噴發動機燃燒與排放的影響，結果表明：噴射結束時刻與點火時刻的間隔對直噴天然氣發動機極為重要．

上述研究都是在發動機上開展，證明了天然氣射流對缸內的燃燒影響很大，但是沒有說明射流對火焰的作用規律，因而有必要在天然氣高壓射流如何影響火焰方面開展基礎研究．Rengel等[12]研究了甲烷在不同環境壓力下射流火焰的幾何特性，證明了環境壓力越低，射流火焰的升起距離越大，輻射火焰長度越短，總火焰長度基本保持恒定．翁武斌等[13]利用平面激光誘導氫氧基熒光(OH-PLIF)技術研究了甲烷/空氣預混射流火焰在不同出口雷諾數下，不同氮氣稀釋比例對火焰前鋒面結構特性的影響．覃建果等[14]對甲烷富氧燃燒層流同軸射流擴散火焰進行了數值研究，結果表明：提高噴射壓力，射流擴散火焰半徑變小，火焰長度基本保持不變，火焰溫度先升高后降低．Gholamisheeri等[15]對甲烷湍流噴射點火系統的湍流流場進行了模擬和試驗，證明了湍流能夠顯著減少反應器內的反應時間，促進稀薄燃燒．劉奕等[16]對甲烷-空氣二維平面湍射流火焰進行了大渦模擬，指出射流擴散火焰的發展具有初始的“湍流控制”階段和充分發展的“化學反應控制”階段．Zheng等[17]研究發現，隨著氣缸內燃料從均質分布變為分層分布，火焰傳播的比例增加，燃燒反應速率降低．Sankaran等[18]通過數值模擬分析了湍流攪拌對火焰結構和厚度的影響，結果表明：由于湍流的作用，火焰的熱預熱層變厚，湍流強度增加，火焰表面積增大．

綜上可知，射流對火焰發展存在重要的影響．缸內直噴的天然氣發動機，不管是柴油引燃還是火花點火，都會形成預混火焰，然后天然氣高速射流進入氣缸，在預混火焰的作用下燃燒．為了研究天然氣直噴射流對預混火焰的影響，筆者搭建了定容燃燒彈光學測試臺架，以甲烷作為氣體燃料，采用點火針點燃甲烷射流，開展不同噴射延時工況條件下甲烷射流著火特性測試，研究甲烷射流對預混層流火焰的影響．

1 試驗裝置及方法

1.1 試驗裝置

試驗以甲烷為氣體燃料，采用火花點火方式．圖1為可視化試驗系統示意，其中噴嘴到點火針的距離為40mm．可視化試驗系統主要包括：定容燃燒彈、光學紋影系統和氣體供給系統等．定容燃燒彈兩端采用石英玻璃作為高速相機的光學通道，光可以透過視窗經反射后進入高速相機．表1為試驗儀器參數．

圖1 可視化試驗系統示意 Fig.1 Schematic of visual experimental system

表1 試驗儀器參數 Tab.1 Parameters of experimental instruments

1.2 試驗方法

試驗設計的兩種甲烷噴射模式為預先噴射和射流噴射．試驗首先采用壓縮空氣機向定容燃燒彈內充入空氣，背景壓力為0.1MPa，并將定容燃燒彈內溫度加熱至300℃；然后預先噴射甲烷，保持預制混合氣的當量比為1.16，并靜置一段時間后再控制點火針點火，高速相機同步開始拍攝．點火之后再次噴射甲烷，預先噴射和再次噴射的射流脈寬均為6.0ms．整個控制參數如圖2所示，點火時刻與噴射時刻之間的間隔為噴射延時τ．為了研究甲烷對不同預混點燃火焰發展規律的影響，試驗具體參數如表2所示．

圖2 噴射過程的控制參數 Fig.2 Control parameters of injection process

表2 試驗參數 Tab.2 Experimental parameters

1.3 參數說明

選定甲烷射流方向和垂直于甲烷射流兩個方向進行研究，圖3為火焰傳播距離示意，點火中心沿射流方向的火焰傳播距離為Ry，點火中心沿垂直于射流方向的火焰傳播距離為Rx．火焰傳播速度為

圖3 火焰傳播距離定義 Fig.3 Definition of flame propagation distance

火焰等效為球形，利用火焰等效半徑R這一參數 來表征火焰大小，由于球形半徑與面積、周長有關，因而S為射流剛好接觸火焰邊界時預混火焰的投影面積，L為具有相同投影面積的圓的周長，如圖4所示．

圖4 火焰等效半徑示意 Fig.4 Schematic of equivalent flame radius

1.4 圖像處理

為了保證預混火焰能夠穩定點燃，將點火前定容燃燒彈內的背景氣體加熱并保持在300℃，甲烷點燃后迅速燃燒產生大量熱量，彈內溫度迅速升高，彈內氣體受熱產生熱運動，導致紋影拍攝的擾動急劇增加．為了減少擾動對射流與火焰的影響，試驗過程中降低了紋影系統的敏感度，來更好地捕獲射流與火焰．但是預混層流火焰形成后，火焰內部與外部的密度梯度變化程度遠大于甲烷與熱空氣的密度梯度變化，背景、火焰的拍攝效果較好，而射流卻不容易被捕捉到．

因此，通過Matlab編程進行圖像處理，對原始拍攝圖像進行背景減除、閾值分割，在保持火焰邊界清晰的基礎上，最大限度地捕獲了射流，并獲得了火焰傳播距離Rx、Ry和預混火焰的投影面積S等數據．

2 試驗結果及分析

2.1 預混靜置時間對預混層流火焰的影響

圖5為不同預混靜置時間的火焰傳播距離對比．所有火焰傳播距離與時間的關系呈線性，這表明燃燒是球形發展，為層流火焰．同時隨著預混靜置時間的不斷增大，預混靜置時間對預混層流火焰傳播距離的影響越來越?。捎谠囼灥募淄閲娚溲訒rτ最大 為3.0ms，截止到5.0ms時，預混靜置時間大于0.8s，火焰傳播距離基本不變．因而為了保持預混層流火焰發展的一致性，筆者選取預混靜置時間為0.8s．

圖5 不同預混靜置時間的火焰傳播距離對比 Fig.5 Comparison of flame propagation distance under different premixed time

2.2 射流時刻對預混層流火焰的影響

圖6為不同噴射延時τ下預混層流火焰等效半徑R的變化．可以看出，隨著噴射延時的增大，預混層流火焰R呈線性增加．這是因為噴射延時變長，預混層流火焰發展的時間更充足，導致等效半徑也隨之增大．同時，當噴射時刻在點火時刻(τ＝A2ms)之前，即在射流脈寬持續期內點火，未能形成層流火焰，射流也無法被點燃，預混層流火焰R為0．表明必須存在噴射延遲才會形成預混層流火焰，并進一步引燃射流．

圖6 噴射延時對預混層流火焰等效半徑的影響 Fig.6 Effect of injection delay time on the equivalent radius of premixed laminar flame

圖7為噴射延時為0ms的火焰發展過程，點火時預混火焰的等效半徑R為1.4mm．可以看出，未出現甲烷射流之前，火焰的發展過程與純預混層流火焰相似，橢球狀火焰前鋒面平滑，火焰邊界緩慢向外擴大．因為甲烷噴射與點火同步發生，層流火焰的橢球面較小，當射流接觸火焰表面時，橢球狀火焰開始發生變形．開始時層流火焰邊界大部分能維持原狀，部分邊界受到射流的沖擊而消失．隨著射流繼續向 前發展，受到甲烷射流卷吸的影響，火焰難以維持橢球狀，開始大幅度變形．最后，甲烷射流所具有的能量遠遠大于預混層流火焰的能量，火焰邊界難以維持，橢球面逐漸縮小，直至消失，火焰被射流吹熄．

圖7 噴射延時為0ms時的火焰發展過程(R＝1.4mm) Fig.7 Development process of flame with injection delay time of 0ms(R＝1.4mm)

可知，當預混層流火焰發展不穩定或者強度較低時，高壓射流會抑制層流火焰的發展，吹熄層流火焰．

圖8示出噴射延時分別為1.0ms和3.0ms、點火時預混層流火焰R分別為2.6mm和6.1mm的火焰發展過程．可以看出，在未受到甲烷射流影響之前，預混層流火焰發展規律與純預混燃燒相似．甲烷射流開始接觸到火焰邊界，火焰鋒面開始變形．當射流達到沿射流方向火焰最外沿處，火焰無法保持橢球狀，R為2.6mm的火焰邊界幾乎完全消失；但在預混層流火焰完全消失之前，射流被預混火焰引燃，開始迅速燃燒，其火焰鋒面變得極度不平滑，射流火焰形成大量的褶皺．而R為6.1mm的火焰，其小部分邊界消失；但同時預混層流火焰仍舊存在，在不受射流干擾的區域保持較為平滑的火焰鋒面．此時，出現了層流燃燒火焰與湍流燃燒火焰共存的現象．隨著射流火焰撞壁，火焰褶皺迅速增加．

圖8 存在噴射延時的火焰發展過程 Fig.8 Development process of flame with injection delay time

因此，甲烷的噴射延時決定了預混層流火焰的發展，表現為預混層流火焰R不同．預混層流火焰R越大，層流火焰的穩定性更高，甲烷射流對預混層流火焰的抑制作用越小，更容易形成湍流燃燒．當預混層 流火焰有充足的時間發展、火焰強度足夠大時，射流將不會抑制預混層流火焰的發展，還會增強預混層流火焰，促進層流燃燒向湍流燃燒轉變，彈體內出現層流火焰與湍流燃燒火焰共存的現象．

2.3 噴射延時對火焰發展的影響

2.3.1 火焰傳播距離的變化

由于甲烷射流對不同等效半徑的預混層流火焰作用規律不同，筆者開展了不同預混層流火焰R下的甲烷射流燃燒測試，圖9為不同R下火焰傳播距離對比．預混層流火焰R＝0mm時，在甲烷噴射期間點火，出現火花，但未形成火焰．因而，Ry和Rx都瞬時增大，而后急劇減小到0．

圖9 不同等效半徑下火焰傳播距離對比 Fig.9 Comparison of flame propagation distance under different equivalent radius

預混層流火焰R＝1.4mm時，在噴射與點火同時發生時，層流火焰出現，Ry緩慢增加．射流沖擊預混點燃火焰，破壞了預混層流火焰的穩定性，Ry呈現出短暫的波動，火焰熄滅后，Ry迅速變為0，Rx的趨勢與Ry一致．

預混層流火焰R＝2.6mm時，在未出現射流時，Ry和Rx都緩慢增加，趨勢與純預混火焰相似；隨后，Ry迅速增加，而Rx先保持不變后逐漸減小(接近于0)，最終再次急劇增加．此階段預混點燃火焰熄滅，導致Rx逐漸減小，而射流被引燃，使得Ry突增、Rx也迅速增加．當射流導致預混層流火焰熄滅時，當前預混層流火焰R即為臨界火焰半徑R0，即R0＝2.6mm．

預混層流火焰R＝6.1mm時，Rx和Ry先呈線性 增加，當射流被引燃之后，Ry急劇增加，Rx略微減小并保持穩定，隨著射流的持續，射流燃燒火焰覆蓋面積迅速增大，導致Rx繼續增加，此時層流燃燒與湍流燃燒共存．射流被引燃后，湍流燃燒逐漸占主導地位．

2.3.2 火焰傳播速度的變化

圖10為不同R下火焰傳播速度對比．可以看出，預混層流火焰R＝0mm時，由于點火與噴射同時發生，在射流脈寬內點火，點火火花出現后無法形成預混點燃火焰，vy和xv先變為負值，而后變為0．

圖10 不同等效半徑下火焰傳播速度對比 Fig.10 Comparison of flame propagation speed under different equivalent radius

預混層流火焰R＝1.4mm時，由于預混層流火焰半徑較小，火焰強度較低，在射流出現以后，預混層流火焰被射流吹熄，vy和xv都表現為短暫增大后迅速變為負值，并最終趨向于0．受到高速射流的影響，vy的變化趨勢相較于xv更劇烈．

預混層流火焰R＝2.6mm時，在未形成湍流燃燒前，甲烷射流帶動預混層流火焰向前發展，vy一直處于波動增大的狀態，在射流被引燃形成湍流燃燒后，vy的峰值大約為13m/s．而射流向前發展的過程中，受到射流的卷吸作用，vx逐漸減小為負值，而后隨著射流燃燒的產生，vx又逐漸增大，并保持為7m/s左右．

預混層流火焰R＝6.1mm時，由于預混層流火焰穩定性高，在射流穿過火焰后，vy先保持為3m/s不變，射流燃燒開始后，vy急劇增大到18m/s．在層 流燃燒階段，vx在3m/s穩定不變，而后射流出現，破壞了層流燃燒火焰的邊界，vx逐漸減小到負值．當層流燃燒轉變為湍流燃燒后，vx迅速增加為13m/s．

綜上可知，當預混層流火焰的R為2.6mm時，甲烷射流仍舊會導致層流火焰的熄滅，但與預混層流火焰R為0mm和1.4mm時不同，甲烷射流在吹熄層流火焰后仍舊被引燃，形成了湍流燃燒．因而存在一個臨界等效半徑R0＝2.6mm，甲烷射流仍舊會抑制預混層流火焰的發展，但能夠被層流火焰引燃，形成湍流燃燒，進而促進預混層流火焰的發展．

3 結 論

(1) 甲烷的噴射延時決定了預混層流火焰的發展，表現為預混層流火焰的R不同；R越大，預混層流火焰強度越高．

(2) 隨著預混層流火焰R的增大，層流火焰的穩定性更高，不易被吹熄，甲烷射流更易被預混層流火焰引燃，形成湍流燃燒．

(3) 存在一個臨界等效半徑R0，預混層流火焰被射流吹熄，但預混層流火焰成功引燃射流，射流成功著火，形成湍流燃燒；當R大于臨界值R0后，甲烷射流更易被預混層流火焰引燃，同時，預混層流火焰未受射流干擾區域仍舊保持層流火焰，此時層流火焰、湍流燃燒火焰并存，火焰傳播速度加快．