二甲醚_空气预混合气燃烧特性

第14卷第

4期2008年8月 燃　烧　科　学　与　技　术Journa l of Co m busti on Sc i ence and Technology

Vol .14No .4

Aug .2008

二甲醚Π空气预混合气燃烧特性

王　倩,黄佐华,苗海燕,曾　科,王锡斌,蒋德明

(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,西安710049)

摘　要:利用定容燃烧弹研究了不同当量比和初始压力下的二甲醚/空气预混合气的燃烧特性,并基于准维双区模型计算了二甲醚/空气预混合气燃烧特征参数.研究结果表明:在各初始压力条件下,化学计量比附近的混合气压力升高率和混合气质量燃烧速率最大.对于稀混合气和当量比混合气,火焰传播速率随初始压力的降低而增加;而对于浓混合气,火焰传播速率随初始压力的降低而降低.最高燃烧压力出现在化学计量比附近而与初始压力无关.对于给定的当量比,最高燃烧压力随初始压力的增加而明显增加.在化学计量比附近,燃烧持续期和火焰发展期最短且基本上不随初始压力变化.关键词:二甲醚;预混合气;燃烧特性

中图分类号: 文献标识码:A 文章编号:100628740(2008)0420300205

Co mbusti on Character isti cs of DM E /A i r Pre m i xed M i xtures

WANG Q ian,HUANG Zuo 2hua,M I A O Hai 2yan,ZENG Ke,WANG Xi 2bin,J I A NG De 2m ing

(State Key Laborat ory of Multi phase Fl ow in Power Engineering,

Xi ’an J iaot ong University,Xi ’an 710049,China )

Abstract:Combusti on characteristics of di m ethyl ether/air p re m ixed m ixtures were studied in a constant volu me bomb un 2der vari ous equivalence rati os and initial p ressures .Mean while,a t w o 2zone model was p r oposed f or p redicting combusti on para meters based on p ressure data .The study shows that the m ixtures with the st oichi ometric equivalence rati o have the maxi m u m nor malized mass burning rate and maxi m u m p ressure rise rate .For the lean m ixtures and the m ixture with the st o 2ichi ometric equivalence rati o,the flame p r opagati on s peed increases with the decrease of initial p ressure,while for the rich m ixture,the fla me p r opagati on s peed decreases with the decrease of initial p ressure .The maxi m u m combusti on p ressure oc 2cures at the st oichi ometric equivalence rati o regardless of initial p ressure .For a given equivalence rati o,the maxi m u m com 2busti on p ressure increases re markably with the increase of initial p ressure .The shortest combusti on durati on and fla me de 2vel opment durati on occur at the st oichi ometric equivalence rati o and re main al m ost unchanged with the investigated initial p ressures .

Keywords:di m ethyl ether;p re m ixed m ixture;combusti on characteristics

收稿日期:2008201211.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50636040;50521604);优秀国家重点实验室资助项目(50323001).作者简介:王　倩(1983— ),女,硕士研究生,qianw2006@g mail .com.通讯作者:黄佐华,zhhuang@mail .xjtu .edu .cn .

随着石油资源日益短缺和机动车排放法规的日益严格,国内外学者在内燃机代用燃料方面开展了更加广泛和深入的研究工作,包括气体燃料、柴油替代燃料、汽油替代燃料以及混合燃料等.二甲醚因其十六烷值和含氧量高、可从煤中制取、燃烧过程无碳烟生成和

发动机燃烧噪声低,被认为是最有发展潜力的发动机清洁燃料之一.以往的研究主要集中在二甲醚喷雾和

发动机研究方面[123]

,研究工作很少涉及到二甲醚基础燃烧数据,对二甲醚燃料的燃烧基础特性还缺乏深入认识和把握,因此,开展二甲醚/空气燃烧方面的基

础研究十分必要.二甲醚燃料燃烧基础研究对于补充二甲醚基础数据具有十分重要的意义.

笔者利用定容燃烧弹实测了不同燃空当量比和较低初始压力下的二甲醚/空气预混合气的燃烧压力,基于准维双区模型分析了燃烧特征参数的变化规律,为二甲醚/空气预混合气燃烧提供基础数据.

1　实验装置与燃料

实验装置如图1所示.实验中利用水银压力计测量各组分气体分压,通过控制二甲醚和压缩空气的分压来配制不同燃空当量比的燃气.采用传统的电感放电点火方式点燃混合气,同时同步采集燃烧弹中的压力[4].

图1　实验系统布置

2　计算模型

计算模型基于球形火焰假设,认为球形火焰前锋面把燃烧室分为已燃区和未燃区两部分,如图2所示.图中p为压力,T为温度,V为容积,m为混合气质量,Q

r 为燃料燃烧放热量,r

u

为火焰半径,下标u、b分别表示未燃区和已燃区.并作出以下基本假定:

(1)假设系统内各组分都是理想气体,各自物性参数查表或由拟合公式获得;

(2)新鲜充量从未燃区进入已燃区立即完全燃烧;

(3)定容燃烧弹内的压力瞬时达到平衡,已燃区和未燃区的压力相同,压力仅是时间变量的函数;

(4)燃烧过程无工质泄漏,已燃区和未燃区各自温度均匀.

根据质量守恒关系,可建立关系式

　d m u

d t

=

d m b

d t

(1)

根据能量守恒关系,可建立关系式

　d(m u u u)

d t

=-p

d V u

d t

+

d m u

d t

h u+

d Q u

d t

(2)

　

d(m b u b)

d t

=-p

d V b

d t

+

d m b

d t

h b+

d Q b

d t

+

d Q r

d t

(3)

式中:u为内能;h为焓值.由定容燃烧弹内各处压力

相等,可建立关系式

　p=

m b R b T b

V b

=

m u R u T u

V u

(4)

上述关系式经推导可得[5]

　

d T u

d t

={T u p d p d t+d Q u/d t

m u R u}/

(1

R u

9u u

9T u+1

)(5)

　

d m b

d t

={d Q b d t+d Q r d t+(m u R u d T u d t-p d V)(1R b9u b9T b+

　1)-V d p

d t

(

1

R b

9u b

9T b+

m b

V

9u b

9T b+

V u

V

)}/

　{(u b-u u)+(R u R b T u-T b)9u b9T b}(6)

　

d V b

d t

=V u(

1

m u

d m u

d t

-

1

T u

d T u

d t

+

1

p

d p

d t

)+

d V

d t

(7)

式(5)～(7)即为计算定容燃烧弹内燃烧过程准维双

区模型的基本微分方程组.由实测压力曲线得到

d p

d t

,定

容燃烧弹的d V

d t

=0,由表格插值或者根据经验公式求

取相关的热力学参数[627],通过四阶龙格库塔法可以

求解上述微分方程组,求得m

b

等参数.

图2　模型分区示意

3　实验结果和分析

图3给出了初始压力为0.08M Pa、0.096M Pa和

0.15M Pa时不同当量比下的燃烧压力曲线.可以看

出,对于给定的初始压力,化学计量比附近的二甲醚/

空气混合气燃烧时其压力升高速率最大,达到的最大

压力值也最大,与此同时,着火后到达压力最大值所需

的时间最短,反映出混合气在化学当量比附近具有高

?

1

3

?

2008年8月 王　倩等:二甲醚/空气预混合气燃烧特性

的火焰传播速率.贫氧和富氧燃烧过程压力升高速率都会降低,着火后到达压力最大值的时刻将增加,火焰传播速率降低.富氧燃烧速率下降是由于单位容积内可燃混合气量减少,化学反应速率降低所致;而贫氧燃烧速率下降的原因则是由于单位容积内氧气数量减小,化学反应速率降低所致.燃烧时间长、壁面传热量增加和混合气总热值降低是造成贫氧燃烧最大压力值降低的原因;而混合气缺氧、燃烧时间长、壁面传热量增加和混合气比热增加是导致贫氧燃烧最大压力值降

低的原因;此现象随混合气偏离化学计量比而更加明显

.

图3　不同当量比和初始压力下的燃烧压力曲线

图4给出了不同当量比下燃烧最大压力值与燃烧前初始压力之间的关系.可以看出,燃烧最大压力值与燃烧前初始压力值之间存在很好的线性关系,

即燃烧最大压力值随燃烧前初始压力值的增加而线性增加.

图4　燃烧最高压力与初始压力的关系

图5给出了燃烧最大压力值p

max

和已燃气体最高

平均温度值T

bmax

与当量比的关系.各初始压力下,最高燃烧压力随着当量比的变化呈现出中间高两头低的趋势.最大燃烧压力值和已燃气体最高平均温度值出现在化学计量比附近(略大于化学计量比),最大燃烧压力值和已燃气体最高平均温度值随混合气初始压力的增加而向当量比增加方向移动.贫氧(或富氧)时最大压力值和已燃气体最高平均温度值均随当量比的增加(或减小)

而下降.

　图5　燃烧最大压力值和已燃气体最高平均温度值与

当量比的关系

定义1

m

d m b

d t

(m为可燃气总质量)为规范化质量燃烧速率(简称质量燃烧速率),其值可由文中所给的双区模型计算获得,该值能直观地反映出整个燃烧过程

?

2

3

?燃 烧 科 学 与 技 术 第14卷第4期

的燃烧速率.图6给出了初始压力为0.08M Pa,0.096M Pa 和0.15M Pa 下不同当量比的质量燃烧速率.可以看出,在初始压力为0.08M Pa 和0.096M Pa 的情况下,化学计量比附近混合气燃烧速率最快,燃烧时间最短,偏离化学计量比的贫燃和富燃都使质量燃烧速率下降,燃烧放热持续期增加.在初始压力为0.15M Pa 时,略微贫氧混合气(<=1.1)的质量燃烧速率最快、最大质量燃烧速率值最高,其数值高于化学计量比(<=110)混合气的数值;<=1.3时混合气的最大质量燃烧速率值接近<=1.0时的混合气的数值,反映出随着初始压力的增加,最大质量燃烧速率向贫氧混合气方向移动.

图7给出了当量比为0.7、1.0、1.3和1.5时最大质量燃烧速率和到达最大质量燃烧速率时刻随初始压力的关系.从图中可以看出

,对于化学计量比混合气和

图6　不同初始压力下的质量燃烧速率

富氧混合气(<=017),最大质量燃烧速率值随着初始压力的增加而减小;而对贫氧混合气(<=113和<=115)来说,最大质量燃烧速率值随着初始压力的增加而增加.这说明在富氧混合气和当量比附近,初始压力越低,火焰传播越快;贫氧混合气则刚好相反,随着初始压力的增加火焰传播加快.这种现象从某种角度说明了压力对火焰传播的双重影响:一方面,从燃烧的热理论出发,压力增大,离解作用减弱,从而使燃烧温度增加,化学反应加快;另一方面,从燃烧的链式反应理论来看,离解作用减弱,链式反应受阻,燃烧速率下降.两个影响是相互矛盾的,在本实验数据范围内,压力对火焰传播速率的影响比较复杂,没有很明确的规律.富氧混合气(<=017)到达最大质量燃烧速率时刻随初始压力的增加而增加;当量比<=115时到达最大质量燃烧速率时刻随初始压力的增加而减少;化学计量比和当量比<=1.

3时到达最大质量燃烧速率时刻随初始压力增加变化不大.

图7　不同初始压力下的最大质量燃烧速率和到达最大

质量燃烧速率时刻

定义火焰发展期为从火花点火开始到已燃混合气

质量分数达10%所经过的时间[8]

,定义燃烧持续期为从火花点火开始到已燃质量分数达到90%所经过的时间.图8给出了3种初始压力下的火焰发展期和燃烧持续期随当量比的关系曲线.从图8可以看出,火焰发展期和燃烧持续期在化学计量比附近(<=1.3和<=1.2之间)达到最小值,当量比小于1.0时,火焰发展期

?

303?2008年8月 王　倩等:二甲醚/空气预混合气燃烧特性

和燃烧持续期随当量比的减小而增加;当量比大于1.

2时,火焰发展期和燃烧持续期随当量比的增加而增加,当量比大于1.5时,火焰发展期和燃烧持续期随当量比的增加更加明显.由图8还可以看出,火焰发展期和燃烧持续期随当量比的变化规律及数值基本上不随初始压力的变化而变化,表明已燃质量燃烧比例与初始压力关系不大,而主要由已燃气体体积与燃烧弹总体积比例确定

.

图8　火焰发展期和燃烧持续期与当量比的关系

4　结　论

(1)对于给定的初始压力,化学计量比附近的二

甲醚/空气混合气燃烧时其压力升高速率和质量燃烧速率最大,达到的最大压力值和最大质量燃烧速率值也最大;与此同时,着火后到达压力最大值所需的时间最短,反映出混合气在化学当量比附近具有高的火焰传播速率.贫氧和富氧燃烧过程压力升高速率都会降低,着火后到达压力最大值的时刻将增加,火焰传播速率降低.

(2)最大燃烧压力值和已燃气体最高平均温度值

出现在化学计量比附近(<=1.0和<=1.2之间),最大燃烧压力值和已燃气体最高平均温度值随混合气初始压力的增加而向当量比增加方向移动.

(3)火焰发展期和燃烧持续期在化学计量比附近(<=1.0和<=1.2之间)达到最小值,火焰发展期和

燃烧持续期随当量比的变化规律及数值基本上不随初始压力的变化而变化.参考文献:

[1]　Sorens on S C,M ikkelsen S E .Perf or mance and e m issi ons of

a 0.273liter direct injecti on diesel engine fueled with neat di m ethyl ether [J ].SA E Transactions ,1995,104(40):80290.

[2]　Lee SW ,Murata Y,Daisho Y .Sp ray and combusti on char 2

acteristics of di m ethyl ether fuel [J ].Journal of A uto m obile Engineering,2005,219(D1):972102.

[3]　Huang Z H,W ang H W ,Chen H Y .Study of combusti on

characteristics of a comp ressi on igniti on engine fueled with di m ethyl ether [J ].

Journal of A uto m obile Engineering,

1999,213(D3):6472652.

[4]　L iao S Y,J iang D M ,Gao J,et al .Measure ments ofMark 2

stein nu mbers and la m inar burning vel ocities for liquefied petr oleu m gas 2air m ixtures [J ].Fuel,2004,83(10):

128121288.

[5]　张　勇,黄佐华,廖世勇,等.天然气2氢气燃烧特性

[J ].内燃机学报,2006,24(3):2002205.

Zhang Yong,Huang Zuohua,L iao Shiyong,et al .Combus 2ti on characteristics of natural gas 2hydr ogen m ixtures [J ].Transactions of CS I CE,2006,24(3):2002205(in Chinese ).

[6]　R ichard E S,Gordon J V.Introduction to Ther m odynam ics

[M ].Ne w York:John W iley and Sons,1997.

[7]　王　斌,吴江涛,刘志刚.二甲醚热力学性质的计算

[J ].西安交通大学学报,2004,38(9):9162919.W ang B in,W u J iangtao,L iu Zhigang .Esti m ati on of ther 2modyna m ic p r operties of di m ethyl ether [J ].Journal of X i ’an J iaotong U niversity,2004,38(9):9162919(in Chi 2

nese ).

[8]　马凡华.预混湍流燃烧的基础研究[D ].西安:西安交

通大学能源与动力工程学院,1997.

M a Fanhua .Funda mental Study of Pre m ixed Turbulent Com 2busti on [D ].Xi ’an:School of Energy and Power Engineer 2ing,Xi ’an J iaot ong University,1997(in Chinese ).

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