甲烷空气混合物 篇1
笔者研究的内容为微小狭缝内的甲烷预混气的淬熄现象,主要探讨燃气流速和壁面温度对火焰淬熄的影响。
1 火焰淬熄机理分析
微小通道结构能使火焰淬熄,有两种理论,包括热淬熄理论和自由基淬熄理论。
热淬熄理论也称为冷壁效应:当火焰进入阻火器结构时,热损失会突然增大,因此结构的传热面积比较大,火焰经过通道壁面产生热损失使温度降低,当下降到一定程度时,火焰即熄灭。这个理论说明维持燃烧必须保证火焰的温度高于其淬熄温度,否则燃烧就会中断。基于此原理,要阻止火焰的蔓延,只要将火焰温度降到淬熄温度以下。此外,火焰进入细小通道会被分为很多细小火焰,设计阻火器要尽可能增大火焰和通道壁的接触面积,提高热传导率,进一步提高火焰的热损失,温度下降到淬熄温度以下,导致淬熄。
自由基淬熄理论即“器壁效应”:依据燃烧与爆炸连锁反应理论,并不是分子间直接作用导致的燃烧和爆炸现象,而是在附加能源的激励下,如热能、电能、化学能、辐射能等,分子键遭到破坏,产生活性自由基,化学变化就是依托这些自由基才得以实现。自由基虽然存在时间很短但是化学性质却很活泼。自由基同另一分子作用,除了生成物,还会产生新的自由基,如此反复产生消耗和生成,促使燃烧稳定。由此可以看出,易燃混合气体自行燃烧(开始燃烧后没有附加外界能源)的条件是:产生的活性自由基的数目要多于消耗的。只要火焰进入阻火器结构,自由基与通道壁面的碰撞概率增大导致被壁面吸收的自由基数量变多,参加反应的自由基数量减少。当阻火器的通道减小到一定范围后,自由基与壁面碰撞作用达到某一程度,消失的自由基数目多于新产生的,就会发生火焰淬熄。
这两种理论在实际中是相辅相成的。一旦火焰进入狭缝,壁面中断链式反应就产生了作用,同时壁面热传导也发生了作用,使火焰温度下降,产生自由基的能力下降,加速了火焰淬熄。而普遍被接受的淬熄的主要原因是热淬熄理论,同时自由基淬熄也起到一定的作用。
2 数值模拟模型构建
如图1所示,研究对象为长L=100 mm、宽W=2mm的矩形通道,选取整个微通道进行模拟,未选取其对称结构。计算中,当量比为1.0的甲烷/空气预混气从微通道左侧以一定速度均匀流入微通道内,气相燃烧控制方程包括连续性方程、动量守恒方程、气相燃烧中所涉及到的全部组分守恒方程、能量守恒方程及气体状态方程。
计算中气相燃烧采用GRI-Mech 3.0甲烷化学反应动力学机理,该机理包含16种组分41个基元反应。通过模拟甲烷燃烧反应的详细过程,考察火焰的传播过程和淬熄过程。计算中采用稳态方法求解,微分方程组采用控制容积法进行离散,速度和压力的耦合采用求解压力耦合方程的半隐式方法(SIMPLE),扩散项采用中心差分格式,对流项采用QUICK格式,方程采用三对角矩阵法和低松弛因子法进行迭代求解。燃烧过程采用有限速率化学反应模型,用阿伦尼乌斯化学反应速率方程定义燃烧反应速率。
X向和Y向均采用均匀网格,在壁面处采用壁面网格进行加密,共4 000个计算网格。为了稳定地计算化学反应过程,计算中采用了刚性化学求解方法,五次流场迭代进行一次化学反应迭代。为了分析温度对甲烷/空气预混气燃烧的影响,壁面温度设定对称抛物线分布。同时给定进口处的速度分别为100、75、50、25、10cm/s,混合气当量比保持为1。
入口边界为速度入口边界条件,气体温度为300K,流速垂直边界。出口边界条件为压力出口边界条件,设定回流温度为300K,成分为空气。两侧壁面通过UDF设定为固定温度,呈抛物线分布,满足式(1)。
式中:Tw为微小狭缝壁面温度,K;X为x坐标与狭缝长度L的比值。
3 计算结果与分析
3.1 预混气流速对圆管内火焰传播的影响
图2为当量比为1的甲烷/空气预混气以不同流速流入微小狭缝中的温度场分布。
可由温度分布的曲线初步估计甲烷空气预混气在微小狭缝内的燃烧情况。由图2中的温度分布可知,随着气流速度下降,温度整体呈现下降趋势。且随着速度的下降温度分布也发生了明显的变化,温度下降与甲烷的燃烧反应减弱有直接的关系。其变化的过程分析如下:随着预混气流流速下降,火焰前锋不断向上游推进,而在火焰的推进过程中壁面的温度不断下降,因此热传导过程中的热损失也不断上升。此外,由于可燃气的流量下降,反应过程释放出的能量也因此下降。在两方面因素的共同作用下,火焰沿上游的传播被阻止,其反应由剧烈的燃烧过程,逐步转变为管道中部高温区内发生的低温无焰燃烧。
图3为OH基在微小狭缝内的分布云图,图4为微小狭缝内的分布曲线图。
由图3可以直观地看出,羟基的分布云图与温度的分布云图十分相似。这是由于温度和羟基的分布均能反映燃烧反应的强度,羟基是燃烧反应中支链反应发生的关键,羟基浓度越高反应越激烈。除v=0.010 m/s时外,沿狭缝长度方向靠近上游处有一个羟基浓度峰值,说明该处发生了剧烈的燃烧反应。随着流速下降,该峰值不断减小,且不断向上游移动,这与温度分布基本一致,且与速度没有线性相关性。除v=0.075m/s时外,在峰值之后,羟基的质量分数随着速度的降低而明显增长,这与上游的燃烧情况以及燃料的流速有关。其中,出现的明显的波动可认为与低温下的甲烷氧化过程中的复杂可逆化学反应有较大联系。v=0.010m/s时,羟基主要分布在狭缝中间段(高温段),且有较明显的波动。根据相关的实验,认为当流速下降时可能出现不断重复着火和熄火的现象。而由数值模拟结果也可看出,当速度在0.010~0.025m/s区间内可能出现不稳定的震荡火焰。
3.2 微小狭缝内主要反应组分分布
图5为流速为0.100m/s时,微小狭缝内的燃烧反应主要组分(CH4、CO2、CO、-OH、CH2O)分布情况。为了便于清楚地分析数据,取中线轴线处的主要组分为对象进行分析,如图5(a)所示。为了读图的方便,对燃烧反应部分的组分分布局部放大,省去了CH4和CO2的部分分布曲线,如图5(b)所示。
由图5(a)可知燃烧过程中CH4的消耗以及各类产物组分的生成间的关系。尤其是在反应产物的峰值点可以清楚地看到CH4与CH2O的消耗与生成峰值较靠近上游而-OH与CO峰值较后,CO2的峰值出现最靠近下游。这与甲烷高温下的反应过程相吻合,在生成最终产物CO2过程中,中间产物中CH2O出现较早,而-OH由于初始阶段在支链反应进行较缓慢,而-OH的消耗较多,因此其峰值出现较晚。CO为反应中生成CO2的最后一个环节,其峰值出现也较晚。
由图5(b)可知,在经历了完全燃烧阶段后,由于一直处于高温的环境中,CO未发生逆反应,生成CH4。随着往低温方向流动,CO与产物中其他活性基团在较低的温度下发生了逆反应,再次生成了CH4气体。在末尾段可以看到明显的CO消耗与CH4含量上升的过程。
4 结论
通过对微小狭缝中化学当量比预混的甲烷/空气预混气在不同流速下的燃烧过程模拟,分析燃烧随速度的变化情况。结果表明,随着气流速度下降,温度分布整体呈下降趋势;靠近上游处存在羟基峰值,随着流速下降,峰值减小且向上游移动;峰值之后,羟基含量随流速下降而增大。针对微小尺度的狭缝内火焰淬熄机制的数值模拟研究,可为火焰抑制器(阻火器)的研发设计提供重要的辅助手段。
摘要：采用数值计算的方法对二维条件下甲烷/空气混合气在微小狭缝通道中的燃烧和淬熄进行研究。对壁面温度设定抛物线分布,基于化学反应机理模拟燃烧,展现不同气流速度下火焰在微小通道中的燃烧和淬熄现象,并分析狭缝内的主要反应组分分布。结果表明,随着气流速度下降,温度分布整体呈下降趋势;靠近上游处存在羟基峰值,随着流速下降,峰值减小且向上游移动;峰值之后,羟基含量随流速下降而增大。
关键词：甲烷,淬熄,数值模拟,微小尺度
参考文献
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用空气实现混合动力 篇2
位于苏黎世的瑞士联邦理工学院(Swiss Federal Institute ofTechnology)正在研制一种新型的混合动力车，它与如今的油电混合动力车节省的燃料相当，但成本却只有后者的一小部分。瑞士的研究人员在2009年4月举行的汽车工程师学会年会(Soclecy for Automotive Engineer’sCongress)上用一个新系统测试版演示了其实验结果。
传统的油电混合动力车使用电池来储存在制动过程中回收到的能量，否则这些能量会以热能的形式被浪费。接着这些能量可用来驱动辅助汽车发动机的电动机。但是，高昂的电池成本和附加成本—包括电动机和汽油发动机两种驱动装置——使得这种混合动力车售价昂贵。这就减缓了大众对其的接受程度，并限制了它们在减少车辆温室气体排放中所起的作用。
瑞士研究所的机械工程教授利诺·古泽拉(Lino Guzzella)正在开发一种不需要电池或者电动机的混合动力车。相反，它通过用发动机活塞压缩空气来储存能量。之后这些空气被释放以推动活塞，并驱动车辆。古泽拉说，这个系统只比传统发动机增加了20％的成本，而混合动力电动车所需的额外组件需增加200％的成本。他说，计算机模拟显示，此设计可以减少32％的燃油消耗，大约是油电混合动力车节省燃油的80％。初始实验表明，该设计能够实现。
空气(或者叫气动)混合动力的整体概念并不是全新的，但要使其高效则面临很大的挑战。麻省理工学院机械工程教授约翰·海伍德(JohnHeywood)一直致力于空气混合动力研究，他说：“在流动的空气中把(能量)损耗保持在一个足够小的数值，这看上去很有吸引力，但实现起来非常困难。”而且，弗吉尼亚理工大学(VirginiaTech)的机械工程教授道格·纳尔逊说，压缩空气罐储存的能量远小于电池储存的能量，这严重制约了在典型的空气混合动力设计中的燃料节约。这是完全使用压缩空气的车辆设计存在的一个主要缺陷。
古泽拉的新式空气混合动力设计使用先进的控制系统，可以更精确地控制空气的流动，提高了整体效率。为了解决存储容量的限制问题，这项设计与其他混合动力车相比，较少地依赖从制动中获取能量，而更多地依赖于另一种途径来节约能量：使用气动动力来改善更小、更有效率的汽油发动机的性能。
传统车辆使用可以提供远大于车辆巡航时所需能量的发动机，剩余的能量被用来加速和维持很高的速度。但这些发动机效率低，尤其是其在大部分时间里在远低于原定设计的负荷下运行。
古泽拉的设计用一个能提供足够续航速度的750毫升的汽油发动机取代了一个2升的发动机。它使用压缩空气提供汽车加速所需的能量。密集的压缩空气提供的氧气比通常情况下燃烧更多燃料所需的氧气还多，这种技术称为增压技术。
类似的方法已经在某些量产汽车中使用了，其使用废气来推动涡轮增压器。但是涡轮增压器存在被称为“涡轮迟滞”的问题——在油门减小和额外动力补充之间存在一个明显的延迟。该滞后的产生是因为涡轮在涡轮机旋转到足够快的速度需要时间。古泽拉说，他的系统能即刻提供额外的动力，所以不会出现这样的延迟。密西根大学机械工程教授卓然·菲利匹(Zoran Filipi)没有参与这项研究，他说，这将使这项技术更吸引消费者。
古泽拉的系统有80％的效能来自于小发动机的使用，其余的来自于制动中获得的能量，并用于加速——在短距离内，无需使用燃料，只用压缩空气就可以驱动汽车。通过调整发动机的负荷一要么通过活塞压缩空气来增加负荷，要么用压缩空气驱动活塞来减小负荷——使其在最佳效率的状态运转也能节省燃料。最后，压缩空气还可以用来重启发动机，这使得在任何时候停车时关闭发动机变得现实可行，而不是怠速运转。
古泽拉对效率和性能的结论来自于计算机模型，但他也已经在一台测试发动机上演示了设计中的基本组成部分。这个测试装置使用压缩空气来驱动活塞，提供增压并启动发动机。接下来要做的就是优化发动机，力图使其达到计算机模型所预测的效率。
但是，古泽拉的混合动力概念将面临来自其他计划改进燃油效率技术的激烈竞争。
伊利诺斯州芝加哥市的阿尔贡国家实验室(Argonne NationalLaboratory)能源系统部研究员迈克尔-多巴(Michael Duoba)说，涡轮增压器变得越来越好，而其他的新技术也显示出解决涡轮增压机迟滞问题的前景。他还表示，最重要的不是一项技术的性能，而是这项技术如何与现有的技术——比如直接喷射和改进变速箱——结合以更好地提高效率。
甲烷空气混合物 篇3
作 者：陈忠 颜文 陈木宏 王淑红 肖尚斌 陆钧 杨华平CHEN Zhong YAN Wen CHEN Mu-hong WANG Shu-hong XIAO Shang-bin LU Jun YANG Hua-ping 作者单位：陈忠,颜文,王淑红,杨华平,CHEN Zhong,YAN Wen,WANG Shu-hong,YANG Hua-ping(中国科学院南海海洋研究所,广东,广州,510301;中国科学院广州天然气水合物研究中心,广东,广州,510301)
陈木宏,肖尚斌,陆钧,CHEN Mu-hong,XIAO Shang-bin,LU Jun(中国科学院南海海洋研究所,广东,广州,510301)