Jet-A表征燃料_乙醇掺混燃料层流燃烧特性研究_何旭.pdf

Jet-A 表征燃料/乙醇掺混燃料层流燃烧特性研究何旭1,2，江正晖1，桑正1，刘泽昌1，冯光远1，杨青1,2，蒋厚实1（1.北京理工大学 机械与车辆学院，北京100081；2.北京电动车辆协同创新中心，北京100081）摘 要：为了研究初始温度 470 K、初始压力 0.1 MPa 下乙醇掺混对航空煤油层流火焰燃烧特性的影响，文中利用定容燃烧弹设备结合仿真进行对比分析。结果表明，乙醇的加入显著提升了航空煤油的层流火焰燃烧速度，但仿真结果与试验数据之间存在较大的偏差，在低当量比时尤为严重，需进一步优化机理。在此基础上通过敏感性分析，发现对层流火焰燃烧速度影响较大的 4 个基元反应，通过对 4 个基元反应的参数进行调整，修改得到新模型，该模型与试验值存在较好的吻合度。关键词：航空煤油；乙醇；层流火焰燃烧速度；敏感性分析中图分类号：TK421.2 文献标志码：A 文章编号：1001-0645(2023)07-0712-07DOI：10.15918/j.tbit1001-0645.2022.174Laminar Combustion Characteristics of Jet-ASurrogate Fuel/EthanolHE Xu1,2，JIANG Zhenghui1，SANG Zheng1，LIU Zechang1，FENG Guangyuan1，YANG Qing1,2，JIANG Houshi1（1.School of Mechanical Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;2.Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles in Beijing,Beijing 100081,China）Abstract：To study the effect of ethanol blending on the combustion characteristics of aviation kerosene laminarflame at an initial temperature of 470 K and an initial pressure of 0.1 MPa,a constant volume incendiary bombwas used in this paper to conduct a comparative analysis combined with simulation.The results show that the ad-dition of ethanol significantly improves the laminar burning velocity of aviation kerosene,but there is a large de-viation between the simulation results and the experimental data,especially at low equivalence ratios,and themechanism needs to be further optimized.On this basis,a sensitivity analysis was carried out,finding a great in-fluence of four elementary reactions on the laminar burning speed.Adjusting the parameters of the four element-ary reactions,a new model was obtained,being in good agreement with the experimental values.Key words：aviation kerosene；ethanol；laminar flame burning speed；sensitivity analysis 随着我国能源需求的不断上涨、能源进口依赖程度的不断加深以及双碳行动方案的印发1 2，对传统燃料清洁化、可再生化已是迫在眉睫.航空煤油作为传统的碳氢燃料，燃烧会产生大量的 CO、NOx、碳烟等污染物3 4.乙醇作为传统的生物质含氧燃料可通过生物质发酵等方式获得具有可再生性，具有较高的火焰速度和较低的未燃 HC、NOx等污染物排放，但其较低的能量密度和较高的水溶性限制了其完全替代航空煤油的潜力，因此在航空煤油中掺混乙醇是一种较为实际有效的方案5.由于航空煤油通常为 C7-C16烃类混合物6，不同产地、不同批次的煤油组分都会存在很大差异；另一方面，实际航空发动机在工作过程中，涉及到几百种组分、成千上万种基元反应，同时还伴随剧烈的 收稿日期：2022 10 24基金项目：国家自然科学基金面上项目（21961122007）作者简介：何旭（1976），男，博士，副教授，E-mail：.通信作者：蒋厚实（1990），男，博士，助理研究员，E-mail：.第 43 卷第 7 期北 京 理 工 大 学 学 报Vol.43No.72023 年 7 月Transactions of Beijing Institute of TechnologyJul.2023流动、传热等物理和化学变化，直接模拟其真实燃烧过程、构建全面的反应动力学是非常复杂且不切实际的.对于上述问题，使用简单可靠的表征燃料来替代真实复杂的航空煤油来开展相关基础研究已经得到广泛的认可.另外，作为湍流燃烧基础的层流燃烧特性，不仅体现了燃料的放热能力等基本燃烧性能；而且可以用于验证燃料的化学反应机理，为湍流燃烧的深入研究提供重要数据.因此，燃料的层流燃烧特性是目前进行燃烧基础研究的一个重要课题.近年来国内外众多学者对航空煤油的表征燃料开展了大量的试验研究.肖保国等7在张若凌等8对航空煤油冷却模拟的基础上提出了摩尔分数为 79%正癸烷、13%三甲基环己烷和 8%乙基苯的三组分RP-3 表征燃料.有研究提出以摩尔分数为 14%正癸烷、10%正十二烷、10%甲苯、30%异十六烷、36%甲基环己烷五组分 RP-3 表征燃料并研究了其与乙醇掺混对预混火焰的影响，发现乙醇的化学效应对层流燃烧速度的影响最大9 12.DAGAUT 等13 14使用正癸烷、正丙苯、正丙基环己烷来表征航空煤油，提出了 209 种组分与 1 673 种反应的氧化机理成功还原了煤油-氧气-氮气的火焰结构.DOOLEY 等15 16基于实际航空煤油的碳氢比和辛烷值，提出了一种以摩尔分数为42.67%正癸烷、33.02%异辛烷、24.34%甲苯的三组分表征燃料，并通过试验对该三组分替代燃料的熄灭极限和点火特性进行了验证.由此可见，针对航空煤油的表征燃料层流燃烧特性已有大量的研究基础，但针对乙醇与其表征燃料掺混的研究尚较缺乏.因此，文中的目标是开展乙醇掺混航空煤油表征燃料的层流燃烧特性研究.1 试验系统与分析方法定容燃烧弹是目前最广泛使用的层流燃烧速度测量装置17 19，和其它装置相比仅需少量的反应物，且能承受更高的试验压力.通过高速纹影摄像系统，可以获取预混层流火焰半径随时间的变化规律，并且更容易捕捉球形火焰受拉伸效应的影响.文中将选用定容燃烧弹进行相关试验.1.1 试验装置文中使用的测试系统如图 1 所示，由容弹主体、温度控制系统、配气系统、点火系统、高速纹影摄像系统组成.容弹主体由不锈钢制成，呈球形，密封性能良好，容弹设计可承受4 MPa 压力、可耐受650 K 温度，容弹的内部容积为 33.5 L.两根直径为 1.5 mm 的钨钢电极间隔 1.5 mm，对称布置在容弹上下两侧.数据采集所使用的高速相机的帧率设置为 10 000 fps，采集图像分辨率为 1 0241 024.光源狭缝真空泵燃料注射口环境大气排气口反射镜压力变送器压力表主反射镜温度变送器温度表刀口高速摄影相机氮气同步信号触发操作及数据采集系统压力传感器合成空气图 1 层流燃烧测试系统示意图Fig.1 Schematic diagram of laminar combustion test 1.2 试验工况为了便于分析验证，文中采用 Dooley 的表征燃料配比（42.67%正癸烷、33.02%异辛烷、24.34%甲苯）与乙醇掺混来开展混合燃料的层流燃烧特性研究15 16.液体燃料在实际试验研究中多使用体积参数，第 7 期何旭等：Jet-A 表征燃料/乙醇掺混燃料层流燃烧特性研究713便于燃料的配制和使用，因此本研究中混合燃料乙醇的添加含量以体积参数为基准，乙醇掺混比 的定义：=VethanolVethanol+Vkerosene（1）VethanolVkerosene式中：和分别为配置燃料时乙醇和三组分表征燃料的体积.文中将用 E0、E30、E60 分别表示掺混比为 0%、30%、60%.试验工况参数如表 1所示.表 1 试验工况表Tab.1 Experimental initial condition参数名称数值试验温度T/K470试验压力pi/MPa0.1掺混比E0，E30，E60当量比0.8，0.9，1.0，1.1，1.2，1.3，1.4 1.3 试验过程试验中所用到的合成空气为实验级（21%N2；79%O2）纯度大于 99.99%，液体燃料（乙醇；甲苯；正癸烷；异辛烷）纯度大于 99.5%.试验操作如下：首先利用真空泵将容弹内部抽至 6 kPa 以下.使用微量进液器抽取该工况下所需体积的燃料，开启容弹上的燃料注入阀门，将燃料通过阀门注入容弹内腔，然后迅速关闭阀门.静置约 5 min，待液体燃料充分汽化后打开空气进气阀门，向容弹内腔缓慢地充入空气至预设压力值.静置 10 min，待混合物混合均匀后，使用点火系统同时触发电极点火和相机拍摄，记录预混火焰发展图像.拍摄结束后，打开排气阀门，用新鲜空气冲洗容弹，重复 3 次以保证容弹内部无燃料与废气残留.检查测试结果有效后存储数据，每个工况点重复 3 次.1.4 数据处理利用高速相机拍摄得到的火焰纹影图像，通过将火焰原始图像与背景图像相减，得到火焰轮廓，利用 canny 算子20对其进行边界扫描并通过球形火焰面积拟合得到火焰半径 Rf.如式(2)所示，通过求得的 Rf求导即可得到拉伸火焰传播速度 Sb.Sb=dRfdt（2）式中，t 为火焰传播时间.火焰的拉伸率 K 定义为K=1AdAdt=2RfdRfdt=2RfSb（3）对应的，火焰的曲率 为=2Rf（4）S0b拉伸火焰传播速度和火焰拉伸率之间的关系可以通过曲率模型21和准稳态模型22的非线性拟合公式外推得到无拉伸火焰传播速度.相关公式如下：Sb=S0b(1Lb)（5）(SbS0b)2ln(SbS0b)2=2LbKS0b（6）式中：Lb为马克斯坦长度，马克斯坦长度反映的是火焰速度对拉伸的敏感性.文中通过拟合曲线与试验数据的吻合度选取拟合方法中较为合适的一种.根据火焰前缘的质量守恒定律，层流燃烧速度SL可以表示为SL=buS0b（7）式中：b为易燃气体密度；u为未燃气体密度.文中使用 ChemKin17.0 中 PREMIX 模块，分别结合 LI 等23提出的一种四组分燃料（正庚烷、异辛烷、甲苯、乙醇）的简化机理，KELLEY 等24提出的正癸烷骨架机理来实现试验预测.通过对上述两种机理的整合，初步形成了包含 73 种组分和 289 步基元反应的正癸烷、异辛烷、甲苯、乙醇的四组分燃烧反应模型，以匹配层流燃烧速度.计算中考虑 Soret 效应，允许最大网格点数为 1 000，自适应网格数量设为 50，求解梯度与曲率均设为 0.03.1.5 误差分析在本研究的层流火焰速度测量过程中，存在以下不确定性来源，包括：燃料与空气纯度、注射器、压力表精度、温控系统精度、点火能量、热辐射与压力波、火焰数据后处理等因素，这些因素对层流火焰速度测量的