文章快速检索     高级检索
  山东大学学报(工学版)  2017, Vol. 47 Issue (4): 59-63  DOI: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2016.352
0

引用本文 

肖迪, 廉静, 纪少波, 赵盛晋, 徐怀民. 臭氧对甲烷/空气层流火焰传播速度影响规律[J]. 山东大学学报(工学版), 2017, 47(4): 59-63. DOI: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2016.352.
XIAO Di, LIAN Jing, JI Shaobo, ZHAO Shengjin, XU Huaimin. Influence of ozone addition on laminar flame speed in methane-air lean mixtures[J]. Journal of Shandong University (Engineering Science), 2017, 47(4): 59-63. DOI: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2016.352.

基金项目

山东省自然科学基金资助项目(ZR2013EEQ026);中国博士后基金资助项目(2015M572029)

作者简介

肖迪(1993—), 男, 山东聊城人, 硕士研究生, 主要研究方向为发动机喷雾过程.E-mail: xdsjtu@sjtu.edu.cn

通讯作者

纪少波(1979—), 男, 山东烟台人, 副教授, 博士, 主要研究方向为气体机工作过程研究.E-mail: jobo@sdu.edu.cn

文章历史

收稿日期:2016-09-09
网络出版时间:2017-03-13 11:08:44
臭氧对甲烷/空气层流火焰传播速度影响规律
肖迪1,2, 廉静1, 纪少波1, 赵盛晋1, 徐怀民1     
1. 山东大学能源与动力工程学院, 山东 济南 250061;
2. 上海交通大学机械与动力工程学院, 上海 200240
摘要:为提高气体机稀薄燃烧时的燃烧性能, 解决天然气发动机在稀薄燃烧情况下点火能量高以及火焰传播速度慢的问题, 利用强氧化性的臭氧对燃料进行改质, 进而提高天然气燃烧性能。通过Chemkin软件研究臭氧添加对甲烷层流火焰传播速度的影响, 并对臭氧助燃的化学机理进行数值分析。试验结果表明:添加臭氧后, 层流火焰传播速度增加, 在稀薄混合气条件下增加量更明显。在不同温度及压力条件下, 掺加臭氧均能增加层流火焰传播速度, 最大可增加36%。分析表明:掺加臭氧能明显提升自由基及中间产物的生成量, 进而提高甲烷层流火焰传播速度。
关键词天然气    Chemkin    臭氧    层流火焰传播速度    化学反应动力学分析    
Influence of ozone addition on laminar flame speed in methane-air lean mixtures
XIAO Di1,2, LIAN Jing1, JI Shaobo1, ZHAO Shengjin1, XU Huaimin1     
1. School of Energy and Power Engineering, Shandong University, Jinan 250061, Shandong, China;
2. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
Abstract: A new method was proposed to improve lean burn combustion performance of natural gas engine and to solve the problems of high ignition energy and slow flame speed of combustion of natural gas in lean burn condition by using the ozone with strong oxidation. The influence of ozone addition on laminar flame speed was studied and numerical analysis of chemical mechanism was carried out using Chemkin software. Results showed that laminar flame speed increased with ozone addition and improvement was more obvious with lean mixture. Moreover, laminar flame speed could be increased in different temperature and pressure situation with ozone addition and the maximum increment of laminar flame speed could reach 36%.The concentration of free radicals and intermediate products increased obviously with ozone addition and then improved the combustion characteristics of methane.
Key words: natural gas    Chemkin    ozone    laminar flame speed    chemical reaction kinetics    
0 引言

天然气是一种清洁、高效的优质能源, 具有来源广泛等优点。气体燃料发动机得到广泛应用, 在节能减排方面起到重要的推动作用[1]。稀薄燃烧技术可以提高天然气发动机的热效率, 目前在低速大功率气体燃料发动机中得到广泛应用[2-3]。天然气的物化特性决定其燃烧过程存在点火能量高及火焰传播速度慢等问题[4-5], 在稀薄燃烧条件下上述问题会更加严重。为保证稀薄燃烧条件下能顺利点火, 目前普遍采用高能点火器提高点火能量[6-7], 部分天然气发动机采用预燃室结构[8-9]或双燃料模式[10-11], 通过燃烧室结构或点火方式的改进, 增强点火能量或增加火核数量[12-13], 从而加快火焰传播速度, 实现燃烧性能的改进。此外还有另外一种提高稀薄燃烧性能的方法, 即从燃料本身入手, 通过向混合气中掺加具有极强的氧化性的臭氧, 对燃料进行改质, 降低反应物的活化能[14-15], 从而达到加快火焰传播速度及改善燃烧性能的目的。这种方式可以在不改变发动机本体结构的前提下, 实现天然气发动机稀薄燃烧性能的改进。文献[16]在均质压燃(homogeneous charge compression ignition, HCCI)发动机上开展研究, 结果表明臭氧对点火特性及燃烧过程有明显的促进作用。文献[17-18]分别在燃用n-heptane和二甲醚(dimethyl ether, DME)的HCCI发动机上进行研究, 结果表明:通过掺加臭氧可以改变燃烧相位, 对燃烧过程产生影响[19]。已有试验结果表明臭氧对燃烧过程能够产生影响, 为深入探究臭氧掺加对甲烷/空气稀混合气燃烧特性的影响, 在混合气各成分体积分数、初始温度及初始压力不同的条件下, 研究不同臭氧掺加量对层流火焰传播特性的影响以及掺加臭氧后, 对燃烧过程具有影响作用的自由基生成量的变化规律。

1 模型的建立与验证 1.1 模型的建立

研究对象是甲烷/空气/臭氧混合气体预混火焰, 使用Chemkin中的flame speed freely propagating模型模拟层流火焰传播速度。对Chemkin而言, 必须使用完备的化学机理才可以模拟反应的进行。一个完整的化学机理包括气相动力学输入文件、表面动力学输入文件、热力学数据输入文件及气相传递数据输入文件等。输入文件涵盖仿真所需元素、组分、化学反应及相应参数。因此, 需要根据反应物、生成物及化学反应等建立反应机理。

本研究主要涉及甲烷、氧气及臭氧三者的反应, 需要创建以上3种物质反应的动力学机理。Chemkin软件自带的GRI-mech3.0是计算甲烷等烃类燃烧过程的优化机理。2011年, 公布了臭氧与甲烷反应的详细化学动力学机理。本研究将上述2个机理进行组合, 得到适用于本次研究的化学机理, 该机理包括气相动力学输入文件、热力学数据输入文件、气相传递数据输入文件, 含有54种组分, 342个基元反应。

1.2 模型的验证

文献[20]用介质阻挡放电装置产生臭氧, 并利用本生灯和一维Rayleigh散射系统测定甲烷的层流火焰传播速度。向所建模型中输入HALTER F的初始数值, 分别测定不添加臭氧和添加臭氧情况下, 甲烷的层流火焰传播速度[21-22], 将计算得到的结果与原文数值进行对比。HALTER F试验初始压力P=0.1MPa, 初始温度T=300K, 当量比φ的变动范围为1.01~1.22;当不添加臭氧时, 所得火焰速度的对比见图 1。当添加体积分数为0.24%臭氧后, 层流火焰速度V得到一定提升, 所得结果的对比见图 2

图 1 层流火焰传播速度随当量比的变化 Figure 1 Effect of equivalence ratio on laminar flame speed without ozone addition
图 2 层流火焰传播速度随当量比的变化 Figure 2 Effect of equivalence ratio on laminar flame speed with 0.24% ozone addition

通过对比数据可知, 在不添加臭氧的情况下, 使用此模型计算得到的数值与HALTER F等人利用本生灯和一维Rayleigh散射系统测得的数据吻合较好; 在添加臭氧的情况下, 仿真所得结果比HALTER F的结果略大, 但仍在5%的误差范围之内, 由此表明本研究建立的层流火焰传播速度模型满足仿真要求。

2 臭氧掺加对层流火焰传播特性影响规律分析 2.1 不同混合气成分体积分数下臭氧掺加影响分析

通过化学反应动力学分析研究[0.6, 0.8]当量比区间, 混合气体中臭氧的体积分数对层流火焰传播速度的影响规律。图 3P=0.1MPa, T=300K时, 臭氧的体积分数从0增加到0.85%, 不同当量比φ下层流火焰速度的对比曲线。由图 3可见, 随当量比增加, 层流火焰传播速度都呈增大的趋势。在各当量比下, 随臭氧体积分数增加, 火焰传播速度增加。

图 3 臭氧对层流火焰传播速度的影响 Figure 3 Effect of ozone addition on laminar flame speed

图 4P=0.1MPa, T=300K时各当量比φ下不同臭氧掺加量对层流火焰传播速度影响对比图。由图 4可见, 在同样的当量比下, 随臭氧掺加量的增加, 层流火焰传播速度增大, 以掺加体积分数为0.65%和体积分数为0的数据进行对比, 在不同当量比下层流火焰传播速度增加量分别为5.76、6.60、7.38、7.98和8.44cm/s, 相对变化率分别为50.3%、43.1%、38.2%、34.2%和31.1%, 从对比数据看, 混合气越稀, 臭氧掺加对层流火焰传播速度的影响越大, 由此可见利用臭氧改善稀燃条件下气体机的燃烧性能切实可行。

图 4 不同当量比时对应层流火焰传播速度对比 Figure 4 Comparison of laminar flame velocities in different equivalence ratio
2.2 不同初始温度及压力下臭氧掺加影响分析

图 5为当量比φ为0.6, 无臭氧和添加体积分数为4.5×10-3臭氧的情况下, 初始温度和压力对层流火焰传播速度的影响。由图 5可见, 无论是否添加臭氧, 层流火焰传播速度都随初始温度的增加而增加, 这是由于当初始温度增加时, 活性物质数量增加, 分子热运动加剧, 导致甲烷和氧分子之间的有效碰撞增加, 因而加快反应速度。另外, 压力增加后, 层流火焰传播速度降低。这是由于随着压力增加, 混合气密度增加, 导致层流火焰传播速度降低。从图 5中还可以看出在研究用各温度及压力条件下添加臭氧后, 层流火焰传播速度均明显增加。

图 5 初始温度和压力对层流火焰速度的影响 Figure 5 Effect of initial temperature and pressure on laminar flame speed

图 6为无臭氧和添加体积分数为0.45%臭氧的情况下, 不同温度及压力下层流火焰传播速度对比结果, 由图 6可见, 掺加臭氧后层流火焰传播速度等增加, 在对比工况中, 最大层流火焰传播速度增加出现在P=0.34MPa, T=300K时, 掺加体积分数为0.45%后层流火焰传播速度相对于未掺加臭氧时增加36%。最小层流火焰传播速度增加出现在P=0.1MPa, 600K时, 掺加体积分数为0.45%臭氧后, 层流火焰传播速度相对于未掺加臭氧时增加19%。

图 6 臭氧掺加对层流火焰速度影响规律分析 Figure 6 Effect of ozone addition on laminar flame speed
2.3 主要活性成分生成规律分析

甲烷层流火焰传播过程能够产生自由基(如OH, O及H等)及中间产物(如CH2O, H2O2及HO2), 这些自由基或中间产物对燃烧过程及火焰传播速度有重要影响。为进一步揭示臭氧对自由基及中间产物生成量的影响规律, 在φ=0.6, P=0.1MPa, T=300K, 在未掺加臭氧及掺加体积分数为0.45%臭氧条件下, 对比了自由基、中间产物及反应温度的变化规律, 结果见图 7。由图 7可知, 自由基OH、O及H的峰值体积分数分别增加0.047%、0.031%及0.019%;中间产物如CH2O、H2O2及HO2的峰值体积分数分别提升0.020%、0.0055%及0.0032%;除自由基及中间产物生成量明显增加, 反应温度也明显提高。由此可见, 掺加臭氧能够明显增加自由基及中间产物的生成量, 进而加快层流火焰传播速度, 提高反应温度。

图 7 臭氧对自由基和中间物质分布的影响 Figure 7 Effect of ozone addition on distribution of free radicals and intermediate materials
3 结论

本研究采用Chemkin软件分析臭氧对甲烷/空气稀混合气层流火焰传播速度的影响规律, 通过分析得到以下结论:

(1) 在研究选用的当量比区间, 层流火焰传播速度随臭氧添加量的增加而增大; 且在稀混合气条件下, 臭氧对层流火焰传播速度的影响更为明显;

(2) 层流火焰传播速度随温度升高增大, 随压力的升高而减小; 掺加臭氧后, 层流火焰传播速度随温度和压力的变化趋势不变, 层流火焰传播速度整体增加;

(3) 通过对自由基及中间产物生成规律的分析可知, 掺加臭氧后自由基及中间产物的生成量增加, 对层流火焰传播速度的提高起到促进作用。

参考文献
[1] 冷锁林. 天然气汽车发动机内催化燃烧研究[D]. 重庆: 重庆大学动力工程学院, 2005L.
LENG Suolin. The investigation of engine catalytic combustion in the natural gas car[D].Chongqing: College of Power Engineering, Chongqing University, 2005. http://d.wanfangdata.com.cn/Thesis/D022057
[2] 葛文庆, 刘梁, 孙宾宾, 等. 电控燃料喷射大功率气体发动机的试验研究[J]. 中国石油大学学报(自然科学版), 2013, 37(4): 129-132
GE Wenqing, LIU Liang, SUN Binbin, et al. Experimental study on heavy-duty gas engine with electronically controlled fuel injection device[J]. Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science), 2013, 37(4): 129-132
[3] 纪少波, 季魁玉, 程勇, 等. 海喷射持续期对大功率气体机影响规律分析[J]. 农业机械学报, 2016, 47(1): 344-348
JI Shaobo, JI Kuiyu, CHENG Yong, et al. Influence of injection duration on high power multi-injection gas engine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2016, 47(1): 344-348 DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2016.01.047
[4] LEE S, PARK S, KIM C, et al. Comparative study on EGR and lean burn strategies employed in an SI engine fueled by low calorific gas[J]. Applied Energy, 2014, 129(15): 10-16
[5] IBRAHIM A, BARI S. A comparison between EGR and lean-burn strategies employed in a natural gas SI engine using a two-zone combustion model[J]. Energy Conversion and Management, 2009, 50(12): 3129-3139 DOI:10.1016/j.enconman.2009.08.012
[6] 马秋菊, 张奇, 庞磊. 甲烷-空气最小点火能量预测理论模型[J]. 高压物理学报, 2012, 26(3): 301-305
MA Qiuju, ZHANG Qi, PANG Lei. Theoretical model of methane-air minimum ignition energy prediction[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2012, 26(3): 301-305 DOI:10.11858/gywlxb.2012.03.009
[7] 林峰, 杨强, 王琼, 等. 天然气发动机点火系统研发的理论与实践[J]. 现代车用动力, 2014, 154(2): 5-8
LIN Feng, YANG Qiang, WANG Qiong, et al. Theory and practice of research and development on ignition system for natural gas engine[J]. Mordern Vehicle Power, 2014, 154(2): 5-8
[8] KORB B, KAWAUCHI S, WACHTMEISTER G. Influence of hydrogen addition on the operating range, emissions and efficiency in lean burn natural gas engines at high specific loads[J]. Fuel, 2015, 164(15): 410-418
[9] BAGIROV H, C AN, ÖNER C, et al. Experimental investigation the effects of mixture impoverished on the specific fuel consumption, engine performance and exhaust emissions a pre-combustion chamber gasoline engine[J]. Journal of the Energy Institute, 2015, 88(3): 205-208 DOI:10.1016/j.joei.2014.09.009
[10] BHASKOR J B, UJJWAL K S. Optimisation of injection timing and compression ratio of a raw biogas powered dual fuel diesel engine[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 92(5): 111-121
[11] WANG Quangang, WANG Bin, YAO Chunde, et al. Study on cyclic variability of dual fuel combustion in a methanol fumigated diesel engine[J]. Fuel, 2016, 164(15): 99-109
[12] 李晓晖. 甲烷/空气混合燃气激光诱导等离子体点火研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学航天学院, 2014
LI Xiaohui. Research on laser induced plasma ignition of methane/air mixtures[D]. Harbin: School of Astronautics, Harbin Institute of Technology, 2014. http://d.wanfangdata.com.cn/Thesis/D594048
[13] 熊长君. 大型天然气发动机工作循环数值模拟分析[D]. 大连: 大连理工大学, 2013.
XIONG Changjun. The working cycle simulation of a large natural gas engine[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2014.
[14] 樊永胜. 生物质真空热解及催化转化制备生物油的基础研究[D]. 镇江: 江苏大学, 2016F.
FAN Yongsheng. Basic study on vacuum pyrolysis and catalytic transformation of biomass for preparation of bio-oil[D]. Zhenjiang: Jiangsu University, 2016. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10299-1016209684.htm
[15] 彭杨茗, 汪春梅, 姚登举, 等. 臭氧对天然气HCCI发动机燃烧影响的数值研究[J]. 内燃机与动力装置, 2016, 33(4): 1673-6397
PENG Yangming, WANG Chunmei, YAO Dengju, et al. A numerical study of the effect of ozone additive on the nature gas fueled HCCI engine[J]. Internal Combustion Engine & Power Plant, 2016, 33(4): 1673-6397
[16] NISHIDA H, TACHIBANA T. Homogeneous charge compression ignition of natural gas/air mixture with ozone addition[J]. J Propuls Power, 2006, 2(1): 151-157
[17] FOUCHER F, HIGELIN P, MOUNAM R C, et al. Influence of ozone on thecombustion of n-heptane in a HCCI engine[J]. Proc Combust Inst, 2013, 4(2): 3005-3012
[18] YAMADA H, YOSHII M, TEZAKI A. Chemical mechanistic analysis of additive effects in homogeneous charge compression ignition of dimethyl ether[J]. Proc Combust Inst, 2005, Ⅱ(2): 2773-2780
[19] SARATHY S M, WESTBOOK C K, DACAUT P, et al. Comprehensive chemical kinetic modeling of the oxidation of 2-methylalkanes from C7 to C20[J]. Combustion and Flance, 2011, 158(12): 2338-2357 DOI:10.1016/j.combustflame.2011.05.007
[20] HALTER F, HIGELIN P, DAGAUT P. Experimental and detailed kinetic modeling study of the effect of ozone on the combustion of methane[J]. Energy & Fuels, 2011, 25(7): 2909-2916
[21] 李鹏飞, 费立群, 金仁瀚, 等. 高密度烃层流火焰传播速度试验研究[J]. 推进技术, 2015, 36(8): 1193-1198
LI Pengfei, FEI Liqun, JIN Renhan, et al. Experimental research of laminar flame speed of high density hydrocarbon[J]. Journal of Propulsion Technology, 2015, 36(8): 1193-1198
[22] 周镇, 艾育华, 孔文俊. 高压下合成气层流火焰传播特性的实验研究[J]. 工程热物理学报, 2013, 34(8): 1560-1564
ZHOU Zhen, AI Yuhua, KONG Wenjun. Experimental investigation on laminar flame characteristics of syngas at elevated pressures[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2013, 34(8): 1560-1564