曾文¹，李瑋薇¹，羅虎²，何昊宸²，劉宇¹，陳保東¹

（1.沈陽航空航天大學航空航天工程學部（院），沈陽110136；2.中國航空發動機集團有限公司湖南動力機械研究所，湖南株洲412002）

　　摘要：為了獲得沼氣的燃燒穩定性與層流燃燒特性，在定容燃燒彈中試驗測量了當量比范圍為0.7~1.4、初始壓力范圍為0.1~0.5MPa、初始溫度范圍為290~380K條件下沼氣的層流火焰傳播特性。同時，對其燃燒穩定性與層流燃燒速度的主要影響因素進行了分析。結果表明：當層流燃燒速度小于0.15m/s時，火焰在發展過程中將出現浮力不穩定，火核中心逐漸向上飄起。馬克斯坦長度隨初始壓力的升高或當量比的降低逐漸變小，火焰前鋒面不穩定性得到增強；初始溫度對馬克斯坦長度的影響不明顯。隨當量比的升高，無拉伸火焰傳播速度與層流燃燒速度先升高后降低，兩者的最大值出現在當量比為1.1時；同時，沼氣的層流燃燒速度隨初始溫度的降低或初始壓力的升高逐漸降低。

　　在城市日常生活中會產生大量的固體廢棄物（生活垃圾），生活垃圾的處理方式一般為填埋。由于這些生活垃圾一般具有易腐性與高含水率的特征，會快速降解，從而產生大量的垃圾填埋氣體（沼氣），使垃圾填埋場蘊藏著巨大的資源化潛力。沼氣為一種含有氣態可燃成分（CH₄、H₂和CO等）的可燃混合氣體，熱值為19228kJ/m³。如果采用沼氣為燃料進行發電，既能回收資源，又能減少污染氣體排放，產生的經濟與社會效益非常顯著。

　　利用沼氣發電是國際上應用最廣泛的技術之一。目前，燃氣輪機的設計燃料基本為天然氣或輕柴油。以沼氣為燃料的燃氣輪機，在將燃料由天然氣改為沼氣時，燃料成分發生變化，熱值降低（甲烷熱值為35864.4kJ/m³、柴油熱值為39710kJ/m³），且需要滿足環境保護和燃氣輪機可靠性、經濟性要求。因此，需在充分了解沼氣燃燒特性^[1-7]（燃燒穩定性及層流燃燒特性）的基礎上對燃氣輪機的燃燒室結構和運行參數進行相應調整與改進^[8-11]。

　　目前，試驗測量燃料燃燒特性的方法有對沖火焰法^[12]、本生燈法^[13]與定容彈法^[14]等。相對于其他測試方法，定容彈法[15]可方便地分析火焰傳播過程中的火焰拉伸效應與火焰穩定性，因而獲得了廣泛應用。Tinaut等^[1]在定容彈中對某種生物質氣（主要成分為CO、CO₂、H₂、N₂、CH₄）的層流燃燒特性進行了試驗測量，并分析了生物質氣中含水量（濕度）對其層流燃燒速度的影響。Lee等^[2]構建了某種生物質氣（主要成分為H₂、CO、CH₄、CO₂、N₂、H₂O）的燃燒反應簡化機理，采用該燃燒反應機理對其著火延遲時間與層流燃燒速度進行了數值計算，并與相應試驗數據進行了對比分析。Yan等^[3]對4種生物質氣的層流燃燒速度進行了試驗測試，并與采用不同燃燒反應機理計算得到的層流燃燒速度進行了對比分析。Vu等^[4]在定容彈中試驗測試了3種生物質氣的火焰傳播特性及層流燃燒特性，并對其層流燃燒速度進行了數值計算（燃燒反應機理為GRI-Mech3.0）。

　　本文在定容燃燒彈中試驗測量了當量比范圍為0.7~1.4、初始壓力范圍為0.1~0.5MPa、初始溫度范圍為290~380K條件下沼氣的火焰傳播特性，并分析了各初始工況對沼氣的火焰傳播特性、火焰穩定性與層流燃燒速度的影響。

　　1試驗裝置與原理

　　Hu等^[16]對本文所采用的定容燃燒彈測試系統及相應的試驗原理進行了詳細闡述，在此不再贅述。

　　對沼氣的主要組成成分進行了分析，并根據組成成分及所占比例進行試驗配氣，如表1所示。從表可以看出，沼氣的主要成分為CH₄、CO₂、O₂、N₂。同時，各主要成分在不同沼氣中的含量也不盡相同。本文在試驗配氣時，選定了這幾種主要組份的配氣比例，當然，不同的配氣比例將影響其火焰傳播特性、燃燒穩定性及層流燃燒速度，作者將在后續的研究中重點分析沼氣中主要組成成分的組成比例對其層流燃燒特性的影響。

　　2火焰傳播特性

　　圖1顯示了初始溫度T0為320K、初始壓力p0為0.2MPa時，當量比對沼氣火焰傳播特性的影響。碳氫燃料在層流燃燒過程中，會存在優先擴散、流體動力學及浮力不穩定等3種火焰不穩定性。當層流燃燒速度小于0.15m/s時，主要出現浮力不穩定。由于受到浮力的影響，火焰會從火核中心逐漸向上飄起，并隨著火焰前鋒面的向外擴展，出現上半球大、下半球小的特征。如圖1所示，當初始溫度為320K、初始壓力為0.2MPa時，在當量比分別為0.8、1.0、1.1與1.3時，火焰在發展過程中都出現了浮力不穩定性。當量比為1.0與1.1時，浮力不穩定性現象不是很明顯，因為在此工況下，層流燃燒速度接近0.15m/s；但是，當量比為0.8與1.3時，由于此時層流燃燒速度低于0.15m/s，火焰向上漂浮的現象較為明顯，火焰穩定性較差。

　　圖2顯示了初始溫度為320K、當量比為1.0時，初始壓力p0對沼氣火焰傳播特性的影響。如圖所示，當初始壓力為0.1MPa時，火焰前鋒面始終呈準球形向外發展，且火焰前鋒面較為光滑，此時，層流燃燒速度大于0.15m/s；當初始壓力持續升高至0.2MPa與0.3MPa時，層流燃燒速度小于0.15m/s，火焰在發展過程將出現浮力不穩定性，火核中心逐漸向上飄起。

　　圖3顯示了當量比為1.0、初始壓力為0.1MPa時，初始溫度T0對沼氣火焰傳播特性的影響。如圖所示，在各初始溫度下，火焰前鋒面始終呈準球形向外發展，且火焰前鋒面較為光滑，此時，層流燃燒速度均大于0.15m/s，浮力不穩定性不再出現。

　　圖4顯示了初始溫度為320K、初始壓力為0.2MPa時，當量比對火焰半徑r隨時間t變化趨勢的影響規律。

　　如圖4所示，在各工況下火焰半徑隨著火后時間的延長均呈線性增長；當量比由0.8升高至1.1時，火焰傳播速度升高較為明顯；但是，當量比繼續升高至1.3時，火焰傳播速度呈現降低趨勢；當量比為1.1時，火焰傳播速度達到最大。

　　圖5顯示了初始溫度為320K、當量比為1.0時，初始壓力對火焰半徑隨時間變化趨勢的影響規律。

　　如圖5所示，隨著初始壓力由0.1MPa升高至0.3MPa時，火焰傳播速度呈現降低趨勢。

　　圖6顯示了初始壓力為0.1MPa、當量比為1.0時，初始溫度對火焰半徑隨時間變化趨勢的影響規律。如圖所示，初始溫度對火焰傳播速度的影響不明顯。

　　通過計算式Sn=dr/dt可獲得拉伸火焰傳播速度Sn，其中，r為火焰半徑，t為時間。圖7顯示了初始溫度為320K、初始壓力為0.2MPa時，當量比對拉伸火焰傳播速度隨火焰半徑變化趨勢的影響規律。

　　如圖7所示，當量比為0.8時，拉伸火焰傳播速度隨火焰半徑的增加呈現降低的趨勢；當量比逐漸升高時，拉伸火焰傳播速度隨火焰半徑的增加呈現升高的趨勢；同時，拉伸火焰傳播速度在當量比為1.1時達到最大。

　　圖8顯示了初始溫度為320K、當量比為1.0時，初始壓力對拉伸火焰傳播速度隨火焰半徑變化趨勢的影響規律。如圖所示，拉伸火焰傳播速度隨初始壓力的升高逐漸降低，同時，在不同的初始壓力下，拉伸火焰傳播速度隨火焰半徑的增加逐漸升高。

　　圖9顯示了當量比為1.0、初始壓力為0.1MPa時，初始溫度對拉伸火焰傳播速度隨火焰半徑變化趨勢的影響規律。

　　如圖9所示，在不同的初始溫度下，拉伸火焰傳播速度隨火焰半徑的增加逐漸升高。同時，拉伸火焰傳播速度隨初始溫度的升高而逐漸升高，但升高幅度較小。

　　根據計算式Sl-Sn=Lbα，可獲得表征火焰穩定性的馬克斯坦長度（Lb，在圖中為直線斜率的相反值）以及無拉伸火焰傳播速度（Sl，在圖中為直線在y軸上的截距），其中，α為火焰拉伸率。當量比與初始溫度對拉伸火焰傳播速度隨拉伸率變化趨勢的影響規律。

　　如圖10~圖12所示，在各工況下，隨火焰拉伸率的增加，拉伸火焰傳播速度均呈現下降趨勢；同時，隨初始壓力的降低或初始溫度的升高，無拉伸火焰傳播速度逐漸升高；當當量比由0.8逐漸升高至1.1時，無拉伸火焰傳播速度也隨之升高，但是，在當量比為1.3時卻快速下降。

　　3火焰穩定性

　　火焰在向外發展過程中火焰前鋒面是否穩定，主要由馬克斯坦長度的值來反映。火焰前鋒面保持穩定時馬克斯坦長度為正值，不穩定時馬克斯坦長度為負值。

　　圖13顯示了不同初始溫度與初始壓力下馬克斯坦長度隨當量比的變化趨勢。

　　由圖13可見，隨著當量比的增加或初始壓力的降低，馬克斯坦長度逐漸增大；當初始溫度為320K、初始壓力為0.3MPa、當量比為0.8時，馬克斯坦長度為負值，說明此時火焰穩定性較差。同時，初始溫度對馬克斯坦長度的影響不明顯。

　　4層流燃燒速度

　　圖14顯示了不同初始溫度與初始壓力下無拉伸火焰傳播速度隨當量比的變化趨勢。同時，根據火焰前鋒面上的質量守恒，有AρuUl=AρbSl，從而可獲得各工況下層流燃燒速度Ul。式中A為火焰前鋒面面積，ρu、ρb分別為未燃與已燃區混合氣的密度。

　　圖15顯示了不同初始溫度與壓力下層流燃燒速度隨當量比的變化趨勢。

　　如圖14~圖15所示，在各工況下隨當量比的升高，無拉伸火焰傳播速度與層流燃燒速度先升高后降低，兩者的最大值出現在當量比為1.1時。同時，隨初始壓力的升高，無拉伸火焰傳播速度與層流燃燒速度逐漸降低。初始溫度對無拉伸火焰傳播速度的影響較為復雜，在不同當量比下，無拉伸火焰傳播速度隨初始溫度的升高呈現不同的變化趨勢；但是，層流燃燒速度隨初始溫度的升高而逐漸升高。

　　由于沼氣的熱值（19228kJ）比甲烷燃料的熱值（35864.4kJ）低將近1倍，因此，在相同工況下，甲烷燃料的層流燃燒速度將遠大于沼氣的層流燃燒速度。例如，當初始壓力為0.1MPa、當量比為1.0、初始溫度為320K時，沼氣的層流燃燒速度為0.181m/s，甲烷燃料的層流燃燒速度^[17]為2.72m/s，是沼氣的15倍。因此，在設計以沼氣為燃料的燃氣輪機時，燃燒室的長度較以甲烷為燃料的燃氣輪機燃燒室要延長，這樣才能保證沼氣在燃燒室內進行充分燃燒。

　　5結論

　　在定容燃燒彈中試驗測量了當量比范圍為0.7~1.4、初始壓力范圍為0.1~0.5MPa、初始溫度范圍為290~380K條件下沼氣的火焰傳播特性，并分析了當量比、初始壓力與初始溫度對沼氣燃燒穩定性與層流燃燒速度的影響。得到以下結論：

　　1）當初始溫度為320K、初始壓力為0.2MPa時，在各當量比下火焰在向外發展過程中均出現了浮力不穩定現象；當初始溫度為320K、當量比為1.0時，低初始壓力下火焰前鋒面呈準球形向外發展，且火焰前鋒面較為光滑，當初始壓力持續升高至0.2MPa與0.3MPa時，火焰在向外發展過程將出現浮力不穩定性現象，火核中心逐漸向上飄起；當量比為1.0、初始壓力為0.1MPa時，在各初始溫度下，火焰前鋒面始終呈準球形向外發展，且火焰前鋒面較為光滑，此時，浮力不穩定性不再出現。

　　2）馬克斯坦長度隨初始壓力的升高或當量比的降低逐漸變小，火焰前鋒面不穩定性增強；初始溫度對馬克斯坦長度的影響不明顯。

　　3）隨當量比的升高，無拉伸火焰傳播速度與層流燃燒速度先升高后降低，兩者的最大值出現在當量比為1.1時。同時，層流燃燒速度隨初始溫度的降低或初始壓力的升高逐漸降低。