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1、____________________________________________________________________________www.paper.edu.cn内 燃 机 学 报第18卷(2000)第4期 Vol.18(2000)No.4TransactionsofCSICE文章编号:100020909(2000)0420353206180074X甲烷2空气2稀释气的层流燃烧特性研究阎小俊,蒋德明(西安交通大学汽车工程系,西安710049)摘要:介绍并分析了甲烷2空气2稀释气混合气在定容燃烧弹内进行火花点火预混层流燃烧的试验结果。通过对马克
2、斯坦长度和马克斯坦数的测量研究了火焰拉伸对燃烧速度的影响。结果表明,马克斯坦数的数值仅仅与未燃气性质和初始条件相关,而与火焰的发展无关。同时在总结试验和计算数据的基础上,得到了计算甲烷2空气2稀释气层流燃烧速度的计算公式。公式表明,对于甲烷2空气混合气,压力对层流火焰的发展起了阻碍作用,而温度起了推进作用。关键词:层流;火焰拉伸;燃烧弹中图分类号:TK412文献标识码:A 在上述的火焰半径范围内,辐射热损失只占化学引言释热项的1%,因此对于已燃气可以认为其经历了一 由于我国对天然气、煤层气的开发和利用即将进个定压绝热燃烧过程,而未燃气仍保持初始状态。图入全盛时期,因此有必要对甲烷2空气
3、2稀释气混合气1b表示了在不同的当量比下,已燃区温度随火焰半径的层流燃烧特性等基本问题进行深入的研究,为天然的变化,虚线表示同样当量比下的定压绝热温度,可以气发动机的改进和燃烧模拟等提供必要的试验数据。作者使用了定容燃烧弹对层流预混燃烧进行了研究,确定了火焰拉伸对层流燃烧速度的影响以及描述这一影响程度的马克斯坦数,同时得到了无拉伸条件下的层流燃烧速度的值。并在总结试验和计算结果的基础上得到了计算甲烷2空气2稀释气的层流燃烧速度公式。(a)燃烧压力1 燃烧速度、火焰拉伸及马克斯坦数的测量 在定容燃烧弹中,从点火时刻开始到形成稳定的球形火焰向外传播的整个过程中,只有在未燃区温度和压力变化范围
4、均很小的情形下,才可以认为此时的火焰燃烧速度是待测量的速度。在本次试验条件下,当层流燃烧火焰半径小于20mm时,未燃区的温度压力变化甚小。例如当量燃空比5为1.0的甲烷2空气混合气在101.3kPa的初始条件下,在300K的容弹中心(b)已燃区温度点火后,火焰半径发展到20mm时,其压力仅升至图1 甲烷-空气预混层流内燃烧压力及已燃区103kPa(如图1a所示),温度才升至301K。另外,为温度随火焰半径的变化曲线了消除点火对火焰发展产生的波动影响,要求此时RfFig.1Laminarburingpressureandtemperatureof>5mm,因此,本文所研究的层流火焰速度只在火
5、焰methane-airmixtureversusflameradius半径Rf=5mm～20mm的范围内进行。甲烷2空气,pi=101.3kPa,Ti=300KX收稿日期:1999209215;修订日期:1999211201。基金项目:国家自然科学基金资助项目(59776021)。作者简介:阎小俊(1974-),男,博士,主要研究方向为内燃机缸内燃烧。©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved._________________________________________________________
6、___________________中国科技论文在线www.paper.edu.cn·354·内 燃 机 学 报 第18卷第4期看出,在Rf≤20mm的范围内,已燃区的温度不仅基烧速度与拉伸之间的无量纲关系式:本保持不变,并且与定压绝热温度的值非常相近。因SL∞öSL=1+Mma·Kka(7)[1]此,层流燃烧速度的表达式为 对于给定初始条件和当量比的层流火焰,Mma是Qb一个常数,它清楚地表明了层流火焰速度与拉伸之间SL=SPQu的关系及火焰的稳定程度。如果Marksein数为正值,QbdRf=(1)表明层流火焰速度随拉伸的增加而减小,如果受外界Q
7、udt扰动使某一区域内火焰速度增加,引起火焰前锋面有式中:SP为火焰传播速度,试验中采用纹影摄影得到一突起,则由于这个突起,火焰的拉伸增大,使得燃烧火焰半径Rf与时间t的关系来求火焰传播速度;Qb是[2]速度随之减小,从而使火焰趋于稳定。相反,如果已燃气的密度,它可以通过热平衡计算程序得到;QuMarkstein数为负值,突起火焰的拉伸增大将使燃烧为未燃气的密度,是系统初始状态的特征参数。速度进一步增大,火焰将趋于不稳定
