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曾文1，李玮薇1，罗虎2，何昊宸2，刘宇1，陈保东1
（1.沈阳航空航天大学航空航天工程学部（院），沈阳110136；2.中国航空发动机集团有限公司湖南动力机械研究所，湖南株洲412002）
摘要：为了获得沼气的燃烧稳定性与层流燃烧特性，在定容燃烧弹中试验测量了当量比范围为0.7~1.4、初始压力范围为0.1~0.5MPa、初始温度范围为290~380K条件下沼气的层流火焰传播特性。同时，对其燃烧稳定性与层流燃烧速度的主要影响因素进行了分析。结果表明：当层流燃烧速度小于0.15m/s时，火焰在发展过程中将出现浮力不稳定，火核中心逐渐向上飘起。马克斯坦长度随初始压力的升高或当量比的降低逐渐变小，火焰前锋面不稳定性得到增强；初始温度对马克斯坦长度的影响不明显。随当量比的升高，无拉伸火焰传播速度与层流燃烧速度先升高后降低，两者的最大值出现在当量比为1.1时；同时，沼气的层流燃烧速度随初始温度的降低或初始压力的升高逐渐降低。在城市日常生活中会产生大量的固体废弃物（生活垃圾），生活垃圾的处理方式一般为填埋。由于这些生活垃圾一般具有易腐性与高含水率的特征，会快速降解，从而产生大量的垃圾填埋气体（沼气），使垃圾填埋场蕴藏着巨大的资源化潜力。沼气为一种含有气态可燃成分（CH4、H2和CO等）的可燃混合气体，热值为19228kJ/m3。如果采用沼气为燃料进行发电，既能回收资源，又能减少污染气体排放，产生的经济与社会效益非常显着。利用沼气发电是国际上应用最广泛的技术之一。目前，燃气轮机的设计燃料基本为天然气或轻柴油。以沼气为燃料的燃气轮机，在将燃料由天然气改为沼气时，燃料成分发生变化，热值降低（甲烷热值为35864.4kJ/m3、柴油热值为39710kJ/m3），且需要满足环境保护和燃气轮机可靠性、经济性要求。因此，需在充分了解沼气燃烧特性[1-7]（燃烧稳定性及层流燃烧特性）的基础上对燃气轮机的燃烧室结构和运行参数进行相应调整与改进[8-11]。目前，试验测量燃料燃烧特性的方法有对冲火焰法[12]、本生灯法[13]与定容弹法[14]等。相对于其他测试方法，定容弹法[15]可方便地分析火焰传播过程中的火焰拉伸效应与火焰稳定性，因而获得了广泛应用。Tinaut等[1]在定容弹中对某种生物质气（主要成分为CO、CO2、H2、N2、CH4）的层流燃烧特性进行了试验测量，并分析了生物质气中含水量（湿度）对其层流燃烧速度的影响。Lee等[2]构建了某种生物质气（主要成分为H2、CO、CH4、CO2、N2、H2O）的燃烧反应简化机理，采用该燃烧反应机理对其着火延迟时间与层流燃烧速度进行了数值计算，并与相应试验数据进行了对比分析。Yan等[3]对4种生物质气的层流燃烧速度进行了试验测试，并与采用不同燃烧反应机理计算得到的层流燃烧速度进行了对比分析。Vu等[4]在定容弹中试验测试了3种生物质气的火焰传播特性及层流燃烧特性，并对其层流燃烧速度进行了数值计算（燃烧反应机理为GRI-Mech3.0）。本文在定容燃烧弹中试验测量了当量比范围为0.7~1.4、初始压力范围为0.1~0.5MPa、初始温度范围为290~380K条件下沼气的火焰传播特性，并分析了各初始工况对沼气的火焰传播特性、火焰稳定性与层流燃烧速度的影响。
1
试验装置与原理
Hu等[16]对本文所采用的定容燃烧弹测试系统及相应的试验原理进行了详细阐述，在此不再赘述。对沼气的主要组成成分进行了分析，并根据组成成分及所占比例进行试验配气，如表1所示。从表可以看出，沼气的主要成分为CH4、CO2、O2、N2。同时，各主要成分在不同沼气中的含量也不尽相同。本文在试验配气时，选定了这几种主要组份的配气比例，当然，不同的配气比例将影响其火焰传播特性、燃烧稳定性及层流燃烧速度，作者将在后续的研究中重点分析沼气中主要组成成分的组成比例对其层流燃烧特性的影响。
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火焰传播特性
图1显示了初始温度T0为320K、初始压力p0为0.2MPa时，当量比对沼气火焰传播特性的影响。碳氢燃料在层流燃烧过程中，会存在优先扩散、流体动力学及浮力不稳定等3种火焰不稳定性。当层流燃烧速度小于0.15m/s时，主要出现浮力不稳定。由于受到浮力的影响，火焰会从火核中心逐渐向上飘起，并随着火焰前锋面的向外扩展，出现上半球大、下半球小的特征。如图1所示，当初始温度为320K、初始压力为0.2MPa时，在当量比分别为0.8、1.0、1.1与1.3时，火焰在发展过程中都出现了浮力不稳定性。当量比为1.0与1.1时，浮力不稳定性现象不是很明显，因为在此工况下，层流燃烧速度接近0.15m/s；但是，当量比为0.8与1.3时，由于此时层流燃烧速度低于0.15m/s，火焰向上漂浮的现象较为明显，火焰稳定性较差。
图2显示了初始温度为320K、当量比为1.0时，初始压力p0对沼气火焰传播特性的影响。如图所示，当初始压力为0.1MPa时，火焰前锋面始终呈准球形向外发展，且火焰前锋面较为光滑，此时，层流燃烧速度大于0.15m/s；当初始压力持续升高至0.2MPa与0.3MPa时，层流燃烧速度小于0.15m/s，火焰在发展过程将出现浮力不稳定性，火核中心逐渐向上飘起。
图3显示了当量比为1.0、初始压力为0.1MPa时，初始温度T0对沼气火焰传播特性的影响。如图所示，在各初始温度下，火焰前锋面始终呈准球形向外发展，且火焰前锋面较为光滑，此时，层流燃烧速度均大于0.15m/s，浮力不稳定性不再出现。
图4显示了初始温度为320K、初始压力为0.2MPa时，当量比对火焰半径r随时间t变化趋势的影响规律。如图4所示，在各工况下火焰半径随着火后时间的延长均呈线性增长；当量比由0.8升高至1.1时，火焰传播速度升高较为明显；但是，当量比继续升高至1.3时，火焰传播速度呈现降低趋势；当量比为1.1时，火焰传播速度达到最大。
图5显示了初始温度为320K、当量比为1.0时，初始压力对火焰半径随时间变化趋势的影响规律。如图5所示，随着初始压力由0.1MPa升高至0.3MPa时，火焰传播速度呈现降低趋势。
图6显示了初始压力为0.1MPa、当量比为1.0时，初始温度对火焰半径随时间变化趋势的影响规律。如图所示，初始温度对火焰传播速度的影响不明显。通过计算式Sn=dr/dt可获得拉伸火焰传播速度Sn，其中，r为火焰半径，t为时间。图7显示了初始温度为320K、初始压力为0.2MPa时，当量比对拉伸火焰传播速度随火焰半径变化趋势的影响规律。
如图7所示，当量比为0.8时，拉伸火焰传播速度随火焰半径的增加呈现降低的趋势；当量比逐渐升高时，拉伸火焰传播速度随火焰半径的增加呈现升高的趋势；同时，拉伸火焰传播速度在当量比为1.1时达到最大。
图8显示了初始温度为320K、当量比为1.0时，初始压力对拉伸火焰传播速度随火焰半径变化趋势的影响规律。如图所示，拉伸火焰传播速度随初始压力的升高逐渐降低，同时，在不同的初始压力下，拉伸火焰传播速度随火焰半径的增加逐渐升高。
图9显示了当量比为1.0、初始压力为0.1MPa时，初始温度对拉伸火焰传播速度随火焰半径变化趋势的影响规律。如图9所示，在不同的初始温度下，拉伸火焰传播速度随火焰半径的增加逐渐升高。同时，拉伸火焰传播速度随初始温度的升高而逐渐升高，但升高幅度较小。根据计算式Sl-Sn=Lbα，可获得表征火焰稳定性的马克斯坦长度（Lb，在图中为直线斜率的相反值）以及无拉伸火焰传播速度（Sl，在图中为直线在y轴上的截距），其中，α为火焰拉伸率。当量比与初始温度对拉伸火焰传播速度随拉伸率变化趋势的影响规律。
如图10~图12所示，在各工况下，随火焰拉伸率的增加，拉伸火焰传播速度均呈现下降趋势；同时，随初始压力的降低或初始温度的升高，无拉伸火焰传播速度逐渐升高；当当量比由0.8逐渐升高至1.1时，无拉伸火焰传播速度也随之升高，但是，在当量比为1.3时却快速下降。
3
火焰稳定性
火焰在向外发展过程中火焰前锋面是否稳定，主要由马克斯坦长度的值来反映。火焰前锋面保持稳定时马克斯坦长度为正值，不稳定时马克斯坦长度为负值。
图13显示了不同初始温度与初始压力下马克斯坦长度随当量比的变化趋势。由图13可见，随着当量比的增加或初始压力的降低，马克斯坦长度逐渐增大；当初始温度为320K、初始压力为0.3MPa、当量比为0.8时，马克斯坦长度为负值，说明此时火焰稳定性较差。同时，初始温度对马克斯坦长度的影响不明显。
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层流燃烧速度
图14显示了不同初始温度与初始压力下无拉伸火焰传播速度随当量比的变化趋势。同时，根据火焰前锋面上的质量守恒，有AρuUl=AρbSl，从而可获得各工况下层流燃烧速度Ul。式中A为火焰前锋面面积，ρu、ρb分别为未燃与已燃区混合气的密度。
图15显示了不同初始温度与压力下层流燃烧速度随当量比的变化趋势。如图14~图15所示，在各工况下随当量比的升高，无拉伸火焰传播速度与层流燃烧速度先升高后降低，两者的最大值出现在当量比为1.1时。同时，随初始压力的升高，无拉伸火焰传播速度与层流燃烧速度逐渐降低。初始温度对无拉伸火焰传播速度的影响较为复杂，在不同当量比下，无拉伸火焰传播速度随初始温度的升高呈现不同的变化趋势；但是，层流燃烧速度随初始温度的升高而逐渐升高。由于沼气的热值（19228kJ）比甲烷燃料的热值（35864.4kJ）低将近1倍，因此，在相同工况下，甲烷燃料的层流燃烧速度将远大于沼气的层流燃烧速度。例如，当初始压力为0.1MPa、当量比为1.0、初始温度为320K时，沼气的层流燃烧速度为0.181m/s，甲烷燃料的层流燃烧速度[17]为2.72m/s，是沼气的15倍。因此，在设计以沼气为燃料的燃气轮机时，燃烧室的长度较以甲烷为燃料的燃气轮机燃烧室要延长，这样才能保证沼气在燃烧室内进行充分燃烧。
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结论
在定容燃烧弹中试验测量了当量比范围为0.7~1.4、初始压力范围为0.1~0.5MPa、初始温度范围为290~380K条件下沼气的火焰传播特性，并分析了当量比、初始压力与初始温度对沼气燃烧稳定性与层流燃烧速度的影响。得到以下结论：1）当初始温度为320K、初始压力为0.2MPa时，在各当量比下火焰在向外发展过程中均出现了浮力不稳定现象；当初始温度为320K、当量比为1.0时，低初始压力下火焰前锋面呈准球形向外发展，且火焰前锋面较为光滑，当初始压力持续升高至0.2MPa与0.3MPa时，火焰在向外发展过程将出现浮力不稳定性现象，火核中心逐渐向上飘起；当量比为1.0、初始压力为0.1MPa时，在各初始温度下，火焰前锋面始终呈准球形向外发展，且火焰前锋面较为光滑，此时，浮力不稳定性不再出现。2）马克斯坦长度随初始压力的升高或当量比的降低逐渐变小，火焰前锋面不稳定性增强；初始温度对马克斯坦长度的影响不明显。3）随当量比的升高，无拉伸火焰传播速度与层流燃烧速度先升高后降低，两者的最大值出现在当量比为1.1时。同时，层流燃烧速度随初始温度的降低或初始压力的升高逐渐降低。
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